Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Для индукционного нагрева использовалась промышленная установкас системой индукторов, водяным охлаждением и механической системой для продвижениярессор. Снимались зависимости температуры рессор от координаты, т.е. продольныераспределения температуры для нескольких серий рессор, изготовленных из одинаковогоматериала и профиля, но имеющих различную длину. Калибровка радиометра осуществляласьпо показаниям термопары для первой и последней рессор в каждой серии.На рис.24 представлено семейство линейных распределений температуры для семи рессорпри двух близких режимах термообработки. Отклонения измеренной температурыT, oC350Режим 1325Режим 23000100200300Рис.2467400x, ммот средней для каждого режима объяснялись неравномерным водяным охлаждением рессорпосле выхода из предыдущих индукторов, что, как было выяснено при дальнейшем анализе, иявлялось причиной отклонения качества изготавливаемых рессор от требуемого стандарта.Такимобразом, заводские испытанияпоказали, что разработанный ИК-радиометр, с400,4A, отн.
ед.h, мм210рабочим диапазоном температур от 100 С до 13000С, обеспечивает контроль температур сусловиях по одинаковому для однойошибкойне более ± 4% в сложных радиометрических300,3серии деталей радиометрическому портрету.Порезультатам серии заводских 0,2 испытаний изготовленные ИК-радиометры были20внедрены на Московском автомобильном заводе им. И.А. Лихачева.100,1Наоснове разработанного ИК-радиометрабыл создан также ИК-радиометр для контролятемпературы поверхности в зоне мощного лазерного воздействия.
Одним из основных0требованийпри проведении лазерной0,0 термообработки металлов является сохранение7170,6x, ммгеометрии и чистоты поверхности в зоне мощного лазерного воздействия, но, в то же время,должно выполняться условие фазовых превращений, обеспечивающих закалку поверхностногослоя, что накладывает жесткие ограничения на предельные допуски по температуре нагрева.Учитывая специфику процесса лазерного нагрева (использовался СО2 лазер на длине волны10,6мкм и мощностью 1кВт) были произведены конструктивные изменения в схемерассмотренного выше радиометра. Так, спектральный диапазон принимаемого излучения былвыбран в интервале от 2 до 7мкм;в качестве входного устройства был использованметаллический раструб с углом раскрыва 40/.
Тепловое излучение от области нагревазамерялось ИК-радиометром, расположенным на расстоянии 40см под углом визирования 300,и регистрировалось самописцем. Было проведено три серии испытаний, каждая из которыхпроводилась при различных скоростях перемещения образца. После записи показанийрадиометра и замера глубины закалки строились распределения показаний радиометра А иглубины закалки h по длине образца Х. Затем эти распределения сравнивались и строиласьзависимость h(A), которая и являлась градуировочной кривой радиометра.
Проведенныезаводские испытания и последующий анализ показали, что разработанный радиометробеспечивает определение глубины лазерной закалки деталей с ошибкой не более 0,015мм.Один из результатов испытаний ИК-радиометра представлен на рис.25, где кривая 1-показаниярадиометра, а кривая 2-реальная глубина закалки детали.40A, отн. ед.1h, мм20,4300,3200,2100,100,07170,6x, ммРис.2568Таким образом, созданный для контроля режимов лазерной термообработки ИКрадиометр, позволял с требуемой точностью определять текущую глубину закалки деталей и,по результатам заводских испытаний, был внедрен для использования в лазерной лабораторииЗИЛа.2. Двухволновая ИК-радиометрия [19-23,28,29,30,34,36,41].Известно, что существующие методы радиометрии позволяют производитьнепосредственное измерение температуры нагретых тел, причем, наиболее перспективныцветовые методы, где присутствует отношение излучательных способностей на различныхучастках электромагнитного спектра, поскольку при температурах выше нескольких сотенградусов можно избежать ошибок измерения связанных с изменением температуры тела,шероховатости поверхности, степени ее окисления и т.п.
При всех преимуществах цветовыхметодов измерения температуры тел их реализация была существенно осложнена проблемойрешения спектральной задачи - выделением двух спектральных диапазонов при приеметеплового излучения. В связи с этим, нами, на основе разработанных методов синтезарезонансных и тонкослойных структур с заданными спектральными характеристиками, былсинтезирован ряд многослойных структур различного типа для решения спектральных задачпри цветовой радиометрии нагретых тел при различных температурных режимах.
Нижепредставлены типичные варианты таких двухволновых ИК-радиометров, имевшихконкретное практическое применение.2.1. Двухволновой ИК-радиометр для измерения температуры при лазернойтермообработке деталей.Для тех же технических условий лазерной закалки деталей, которые были описаны выше,был разработан и испытан в заводских условиях двухволновой ИК-радиометр, позволяющийпроизводить оперативное измерение температуры в процессе лазерной термической обработки.В данном радиометре поток излучения от нагретой детали, пройдя через модулятор, попадаетна многослойные интерференционные покрытия, напыленные с двух сторон на германиевуюоптику, где происходит выделение нужных участков спектра для каждого канала радиометра идалее поступает на чувствительные пироэлектрические элементы обоих каналов ИКрадиометра.
После чего оба сигнала проходят каждый через свой усилительный каскад и далеена делитель, выдающий на выходе отношение входных сигналов, которое в соответствии скалибровочной зависимостью позволяет на измерительном приборе фиксировать температурудетали. Исходя из анализа излучательной способности металлов в интервале температур от9000С до 15000С был определен оптимальный спектральный интервал длин волн от 2 до 7 мкм.С учетом необходимой развязки по каналам были определены спектральные поддиапазонырадиометра: от 2 до 3 мкм и от 5 до 7 мкм.
При синтезе многослойных структур на каждый изканалов, при формировании их спектральных характеристик, учитывались требованияразвязки по каналам и отсечение области 10,6мкм из-за возможности попадания начувствительные элементы рассеянного излучения от мощного СО2 лазера. В качествематериалов диэлектрических слоев были использованы трехсернистая сурьма (Sb2S3) споказателем преломления n1=2,6 и фтористый стронций (SrF2) c n2=1,4. В результате расчетабыли синтезированы многослойные структуры на 1-ый канал (2-3мкм) с четвертьволновымии полуволновыми слоями (d2;2d1;2d2;d1; Ge; d1;2d2;2d1;d2),(d1=0,212мкм,d2=0,398мкм)а на 2-ой канал (4-6мкм), из-за недопустимо больших геометрической толщинычетвертьволновых слоев в этом диапазоне, тонкослойная69T1,00,80,60,40,20,02345678λ , мкмРис.26интерференционная структура (d1/=0,237мкм, d2/=0,388мкм): d1/;d2/; Ge; d2/;d1/.
Нарис.26представлена экспериментально прописанная зависимость интегрального энергетическогокоэффициента пропускания от длины волны для 1-го и 2-го каналов.Проведенные заводские испытания радиометра показали, что ошибка измерениятемпературы деталей в диапазоне от 9000С до 15000С не превышала 10%, влияния рассеянногоизлучения мощного СО2 лазера обнаружено не было.2.2. Двухволновой ИК-радиометр для измерения температуры сильно нагретых газовыхпотоков.С целью решения проблемы дистанционного измерения температуры нагретых довысоких (1000-20000C) температур газовых потоков, истекающих с высокой (около исверхзвуковой) скоростью, нами был разработан и испытан двухволновой ИК-радиометр, спомощью которого мы предложили измерять температуру газового потока по собственномуизлучению входящих в его состав элементов.
В частности, в большинстве газовых потоков,образующихся при сгорании углеводородных топлив содержится водяной пар, в связи с этимнам представлялось весьма перспективным измерять температуру таких потоков поизлучению молекул Н2О. Анализ показал, что наиболее рациональным является измерениетемпературы паров воды по отношению мощностей их собственного излучения в полосахсильного поглощения, т.е. в диапазонах от 2,5 до 2,9 мкм и от 5 до 7мкм.
Нами былопредложено использовать в качестве чувствительного элемента пироэлектрический кристаллтриглицинсульфата (TGS) с нанесенной на него тонкой алюминиевой (контактной) пленкой,причем, в данном случае было решено осуществить прием излучения по двум спектральнымдиапазонам на одном кристалле. С этой целью рабочая поверхность чувствительного элементатехнологически была разделена пополам так, что мы имели два рядом расположенныхпиродатчика с общим контактом на обратной поверхности. В качестве диэлектрическихматериалов для многослойного интерференционного согасователя были выбраны в этомслучае ZnS (n1=2,3) и MgF2 (n2=1,4). Синтезированные резонансные многослойные структуры,обеспечивающие практически полное поглощение ИК-излучения в двух спектральныхподдиапазонах были нами изготовлены методом термического распыления в вакууме и имелиструктуру: для первого поддиапазона (2,6-2,8мкм) Al;d1;d2;d1;d2;d1. Оптические толщины всехслоев были четвертьволновыми относительно длины волны 2,7мкм.
Структура МИП для70второго спектрального поддиапазона была аналогична первой, с той лишь разницей, чтооптические толщины слоев были четвертьволновыми относительно длины волны 6мкм.Зависимость коэффициента поглощения пленкой Al с нанесенными на нее многослойнымиструктурами от длины волны для двух спектральных поддиапзонов иллюстрирует рис.27(приведенные зависимости построены на основе экспериментально измеренных наинфракрасном спектрометре соответствующих зависимостей энергетических коэффициентовотражения от пленки Al с нанесенными многослойными покрытиями).1,00A1,00A0,750,750,500,500,250,250,000,002,02,22,42,62,83,05,03,25,56,06,57,07,58,0λ, мкмλ, мкмРис.27Поток излучения от объекта, фокусируемый зеркальной оптической системой, проходитчерез модулятор с частотой модуляции 80Гц и попадает на двухканальный чувствительныйэлемент приемника, а затем усиливаются двумя независимыми усилителями (скоэффициентами усиления К=6000).
Сигналы с выхода усилителей поступают на делитель изатем на измерительный прибор. Радиометр был отградуирован на модели черного тела вдиапазоне температур от 500 до 13000С. Проведенные испытания ИК-радиометра показали, чтоошибка измерения температуры в заданном интервале не превышает 10%, причем, необходимоотметить, что разработанный двухволновый ИК-радиометр может быть использован дляизмерения и существенно более высоких температур.Помимо представленных в настоящем докладе ИК-радиометров, сконструированных иизготовленных нами, и нашедших применение в различных отраслях промышленности, былизготовлен ряд чувствительных элементов с различными многослойными покрытиями,синтезированными для решения различного рода задач контроля и измерения температурыисследуемых объектов как для собственных научных целей, так и по договорам со сторонниминаучными и научно-производственными организациями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
