диплом (1236025), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Рис. 4.6 – Топология печатной платы блока управления

Внешний вид платы блока управления устройства управления лазерным модулем представлен на рис. 4.8.

Рис. 4.7 - Принципиальная электрическая схема блока управления лазерным модулем

Устройство управления лазерным модулем работает по следующему принципу: пользователь с помощью клавиатуры набирает на дисплее требуемый уровень выходного сигнала. В соответствии с выбранным значением, блок управления по интерфейсу SPI отправляет цифровую команду на лазерный модуль. Перечень элементов принципиальной электрической схемы блока управления лазерным модулем приведен в Таблице А.2 приложения А.

Рис. 4.8 – Внешний вид платы БУ устройства управления лазерным модулем

Клавиатура предназначена для выбора режима работы генератора радиоимпульсов. Клавиатура выполнена на основе печатной платы, на которой размещены 3 кнопки, а также микроконтроллер ATtiny2313 [66] производства AVR. ATtiny2313 – 8-битный микроконтроллер со встроенным 16-битным АЦП. Функции кнопок определяются микропрограммой, зашитой в микроконтроллере клавиатуры. Клавиатура соединяется с БУ посредством интерфейса SPI (разъем J202). Конструктивно клавиатура размещается на лицевой панели корпуса. Принципиальная электрическая схема клавиатуры лицевой панели представлена на рис. 4.9. Перечень элементов принципиальной электрической схемы клавиатуры лицевой панели приведен в Таблице А.3 приложения А

Питание клавиатуры осуществляется от напряжения +5В поступающего от блока БУ через разъем J202. Резисторы R201 – R203 токоограничивающие, конденсаторы C202 – C204 предназначены для уменьшения вероятности появления «дребезга» контактов кнопок клавиатуры (B201 – B203). Кварцевый резонатор QZ201 и конденсаторы C207 – C208 задают тактовую частоту микроконтроллера – 12 МГц. Резисторы R205 – R212 включенные последовательно в линии интерфейса SPI предназначены для повышения отказоустойчивости интерфейса при межблочных соединениях. Резистор R204 – «подтягивающий», обеспечивает рабочий режим микроконтроллера DD201. Для загрузки микропрограммы в микроконтроллер используется интерфейс SPI подключаемый через разъем J203 к внешнему программатору в процессе отладки и настройке генератора радиоимпульсов. Конденсаторы C201, C205 и C206 – помехоподавляющие.

Рис. 4.9 – Схема электрическая принципиальная клавиатуры лицевой панели

Электрическая схема реализована в виде двусторонней печатной платы из фольгированного текстолита. Топология печатной платы представлена на рис. 4.10.

Рис.4.10 – Топология печатной платы схемы управления клавиатурой

Жидкокристаллический матричный индикатор предназначен для визуального отображения текущих режимов устройства управления лазерным модулем. В качестве жидкокристаллического матричного индикатора использован готовый модуль 20x4 DV-20400S2FBLY/R производства Data Vision [67], совместимый с контроллером для управления жидкокристаллическими индикаторами HD44780 [64] производства Hitachi, обеспечивающий отображение четырех строк по 20 символов (рис. 4.11). LCD подключается к БУ в режиме полубайтового обмена данными и размещен непосредственно на лицевой панели корпуса устройства управления лазерным модулем. Соединение LCD с БУ производится с использованием плоского многопроводного кабеля. В блоке БУ для регулирования контрастности индикатора (LCD) используется резистор R310, а для включения/выключения его подсветки предусмотрен переключатель (перемычка) J308.

Рис. 4.11 – Внешний вид LCD индикатора

Плата фильтров с коммутатором предназначена для обеспечения схемы управления качественным электропитанием. В основе схемы лежит П-образный LC-фильтр 5-го порядка. Принципиальная электрическая схема платы фильтра с коммутатором представлена на рис. 4.12.

Рис. 4.12 – Схема электрическая принципиальная платы фильтра с коммутатором

Перечень элементов принципиальной электрической схемы платы фильтра с коммутатором приведен в Таблице А.4 приложения А.

Электрическая схема реализована в виде односторонней печатной платы из фольгированного текстолита. Топология печатной платы представлена на рис. 4.13.

Рис.4.13 – Топология печатной платы фильтра с коммутатором

Коммутация отдельных узлов модуля источника оптического излучения осуществляется в соответствии со схемой коммутации, проведённой на рис. 4.14.

Рис. 4.14 – Коммутационная схема устройства управления лазерным модулем

4.3 Модуль дискретной оптики

Модуль дискретной оптики позволяет направить свет на исследуемый образец с соблюдением условий НПВО и собрать рассеянное частицами исследуемого образца излучение на фотоприемнике. Схема модуля дискретной оптики представлена на рис. 4.15.

Свет от источника оптического излучения попадает на кварцевую призму через прицел, состоящий из двух диафрагм диаметром 2,5 мм, расположенных на расстоянии 40 мм. Использование прицела позволяет значительно упростить юстировку источника излучения при его замене – необходимо направить луч света через отверстия прицела.

Кварцевая призма имеет форму косоугольного параллелепипеда с углом при основании 45 градусов. Длина большой прямоугольной грани равна 34 мм, ширина – 25. Высота призмы – 23 мм. Показатель преломления призмы – 1,54.

Рис. 4.15 Схема модуля дискретной оптики

После рассеяния на частицах исследуемого образца свет попадает в коллиматор. Коллиматор сконструирован в виде трех алюминиевых полок толщиной 3 мм, имеющих форму правильного шестиугольника со стороной 50 мм и отверстие в центре диаметром 16 мм. Через отверстия диаметром 6,5 мм в несмежных вершинах шестиугольника проходят шпильки М5. Подобная конструкция позволяет обеспечить соосность полок коллиматора. Все полки коллиматора подпружинены и их положение может быть отъюстировано. Пружины размещены на шпильках коллиматора. На верхней и нижней полках коллиматора расположены собирающие линзы, а на средней размещена диафрагма. Линзы расположены таким образом, чтобы их фокус находился в плоскости диафрагмы, в ее отверстии. Линзы закреплены на резиновой подложке и фиксируются с помощью пластиковых шайб, что обеспечивает возможность юстировки линз относительно полок, на которых они закреплены. Конструкция коллиматора представлена на рис. 4.16.

Рис 4.16 - Коллиматор

Сколлимированный пучок света попадает на зеркало, отражаясь от которого попадает на фотоприемник. Зеркало закреплено в подвижной оправе, которая позволяет регулировать положение зеркала в двух угловых координатах: зенитной и азимутальной.

Фотография коллиматора представлена на рис. 4.17.

4.4 Фотоприемный модуль

Поскольку интенсивность рассеянного на частицах суспензии излучения очень мала (порядок мкВт и нВт оптической мощности), в качестве приемника излучения в экспериментальной установке необходимо использовать фотоприемник с высокой чувствительностью. Этому требованию отвечают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Принципиальная электрическая схема фотоприемника представлена на рис. 4.17.

Свет попадает на фотокатод (1) фотоэлектронного умножителя ФЭУ-68 (VL101) и вызывает возникновение пропорционального тока на аноде (7) и резисторе (R112). Сигнал с резистора попадает на операционный усилитель AD8099 (DA101) [68], работающий в режиме трансимпедансного усилителя. Сигнал с трансимпедансного усилителя попадает на буферный усилитель LMH6559MA[69], работающий в режиме повторителя, откуда попадает на выход. Питание схемы осуществляется стабилизаторами напряжения LM7805D (DA102) [70] и LM7905D (DA103) [71].

Для работы с экспериментальной установкой необходимо оценить чувствительность ФЭУ на используемой длине волны, однако техническая документация, входящая в комплект поставки ФЭУ-68 [72] не содержит информации о спектральной чувствительности фотокатода. Поэтому возникает потребность в разработке алгоритма для оценки спектральных характеристик фотоприемников на основе имеющихся данных.

Рис 4.17. Принципиальная схема фотоприемного модуля с предусилителем

В качестве исходных данных использовался график чувствительности различных мультищелочных фотокатодов в зависимости от длины волны. График представлен на рис.4.18. Согласно имеющемуся паспорту ФЭУ, интегральное значение чувствительности фотокатода составляет 155 мкА/лм.

На основании этих данных было сделано предположение о том, что спектральная характеристика исследуемого фотоэлектронного умножителя ФЭУ-68 (согласно документации имеет мультищелочной фотокатод) соответствует графику 500к.

Согласно ГОСТ 17333-80 [73], для измерения спектральной чувствительности фотокатодов используются стандартные источники излучения типа А по ГОСТ 7721-89 [74]. Для расчета чувствительности фотокатода необходимо нормировать спектральную характеристику источника излучения типа А по уровню 555 нм ( , максимум чувствительности дневного зрения):

Рис. 4.18. Спектральная чувствительность фотокатодов различных типов [72]

. (4.1)

Интегрирование произведения нормированной чувствительности источника излучения и относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения по длине волны позволяет получить интегральный коэффициент K₁ перевода для источника в 1 лм:

. (4.2)

Численно значение коэффициента K₁ можно получить как сумму:

. (4.3)

Тогда спектральную мощность излучения источника типа А с потоком в 1 лм можно найти делением нормированной спектральной характеристики источника излучения типа А на полученный ранее интегральный коэффициент K₁ и значение относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения K_m в точке максимума (555 нм).

, (4.4)

где K_m = 683 лм/Вт.

Ток фотокатода в расчете на 1 лм можно найти как интеграл произведения спектральной мощности излучения источника типа А на спектральную чувствительность фотокатода [мА/Вт] по длине волны. Или в численном виде:

. (4.5)

Значение катодной чувствительности ФЭУ-68, полученное при расчете по алгоритму составляет 138 мкА/лм. что отличается от значения, указанного в паспортных данных (155 мкА/лм) на 11% и позволяет сделать вывод о правильности сделанного предположения о типе используемого фотокатода и виде его спектральной характеристики.

С возрастом характеристики фотоэлектронных умножителей ухудшаются. Поскольку при изготовлении экспериментальной установки были использованы новые фотоэлектронные умножители 1977 года выпуска, помимо их спектральных характеристик, необходимо оценить коэффициент усиления, который ФЭУ может обеспечить.

Поверка фотоэлектронного умножителя проводилась в несколько этапов. На первом этапе с помощью измерителя оптической мощности ИМО-2Н [75] была измерена мощность оптического сигнала рабочего источника излучения экспериментальной установки при фиксированном значении тока. Измеренное значение составило 35 мВт. Затем с помощью этого лазера была оценена чувствительность фотодиода ФД-20КП [76]. Ток на выходе фотодиода при подаче на него 35 мВт оптического излучения от лазера составил 700 мкА. Для поверки ФЭУ был собран светодиодный осветитель на основе СИДа синего цвета. Относительная спектральная характеристика осветителя была измерена с помощью спектрофотометра СФ-26 [77]. Для получения информации об истинном характере спектра светодиода, необходимо учитывать неравномерность спектральной чувствительности фотоприемника спектрофотометра. Тогда спектральную характеристику СИДа можно получить по формуле [78]:

, (4.6)

где – величина сигнала на фотоприемнике спектрофотометра для данной длины волны (нормирована по максимальному значению);

– спектральная чувствительность фотоприемника спектрофотометра для данной длины волны;

Характеристики

Список файлов ВКР