Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ
Разработка методов оперативного количественного анализа многокомпонентных газовых смесей по данным спектральных лазерных измерений. Создание на их основе лазерной аппаратуры для контроля концентраций загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.02.2018 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рис. 12. Функциональная оптическая схема лидара
Автором диссертации разработан и создан параметрический генератор света на кристалле селенистого кадмия со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8…4,6 мкм и 8…13 мкм. На основе ПГС на CdSe создан лидар дифференциального поглощения. На рис.12 приведена функциональная оптическая схема экспериментального образца лидара ДП.
Здесь I - передатчик; II - приемная система; 1 - лазер на иттрий-эрбий-алюминиевом гранате (YAG:Er, ИЭАГ); 2 - параметрический генератор света на кристалле CdSe; 3 - корректирующий объектив; 4 - фотоприемник; 5- светофильтры; 6 - юстировочный гелий-неоновый лазер; 7 - полированные светоделительные пластинки из BaF (или ZnSe); 8 - полированные пластины из кварца КИ; 9 - отражающие алюминиевые зеркала.
Передатчик лидара включает два плавно перестраиваемых в диапазоне 8…13 мкм ПГС на кристалле селенида кадмия, накачиваемых лазером на ИЭАГ. Общий вид излучателя лазера накачки приведен на рис. 13. На выходе каждого из каналов лазерного передатчика используется корректирующий объектив, изготовленный по схеме Грегори и состоящий из двух сферических отражающих зеркал с алюминиевым покрытием. С помощью таких оптических систем расходимость лазерного излучения каждого из каналов была уменьшена с 3 до 0,3 мрад.
Рис. 13. Общий вид излучателя лазера на ИЭАГ
Оптическая схема приемной системы лидара представляет собой Ньютоновский объектив. Общий вид приемной системы лидара представлен на рис. 14. В качестве приемника ИК излучения используется фоторезистор на основе германия, легированного золотом (Ge:Au) (или приемник на основе тройного соединения кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe)).
Блок управления лидара осуществляет связь по последовательному интерфейсу с персональным компьютером; выдает сигналы, управляющие перестройкой параметрического генератора света. В блоке управления решается еще одна важная задача - осуществляется предварительная обработка информативных сигналов, включающая в себя аналоговую фильтрацию, аналого-цифровое преобразование сигналов, измерение амплитуд оцифрованных сигналов, накопление значений сигналов и отбраковку аномальных значений.
Рис. 14. Общий вид приемной системы лидара
Разработано программное обеспечение лидара для задачи оперативного дистанционного контроля концентраций КРТ. Программное обеспечение лидара по структуре совпадает с программным обеспечением, разработанным для измерительного комплекса на основе ЛОАГ.
Измерены спектры пропускания и показатели поглощения гидразина несимметричного диметилгидразина, тетраметилтетразена, аммиака и метана на лазерных линиях излучателя лидара в областях информативных участков из диапазона 8…13 мкм. На рис. 15 приведены измеренные спектры пропускания А, Г и Т (кривые I, 2, 3), и для сравнения показано их пропускание по литературным данным (кривые I,2,3).
Рис. 15. Спектры пропускания А (I, I), Г (2, 2), Т (3, 3) на лазерных линиях лидара (I, 2, 3) и снятые с помощью спектрофотометра (I,2,3) “Perkin Elmer Model 21”.
Особенностью ПГС на кристалле CdSe является то, что его спектральная ширина линии генерации может быть сравнима (и даже больше) спектральной ширины линий поглощения газовых загрязнителей. Показано, что при использовании в качестве излучателя лидара параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия с шириной линии излучения 0.3 см-1 система уравнений лазерного газоанализа состоит из интегральных уравнений сложного вида. Предложено для практических задач при оперативном определении количественного состава многокомпонентной газовой смеси вместо этих интегральных уравнений использовать систему линейных алгебраических уравнений. При математическом моделировании определения количественного состава шестикомпонентной смеси были найдены условия, при которых такая замена дает приемлемые значения погрешности определения концентраций компонент смеси.
Проведены экспериментальные исследования по определению концентраций гидразина, несимметричного диметилгидразина, тетраметилтетразена, аммиака и метана в кювете, размещенной на трассе зондирования, с помощью лидара относительно фонового уровня данных компонент на трассе. В таблице 2 приведены полученные результаты определения концентраций газов в кювете, расположенной на трассе зондирования, с помощью лидара и стандартными химическими методами.
Таблица 2
Концентрации (N) амидола, гептила, тетраметилтетразена, аммиака и метана в кювете, определенные лидаром и стандартными химическими методами
|
Газ |
N Лидарный метод, мг/м |
N Химический метод, мг/м |
% |
|
|
Амидол |
1350350 |
1100200 |
18,5 |
|
|
Гептил |
1950450 |
1800350 |
7,7 |
|
|
Тетраметилтетразен |
3400800 |
3100600 |
8,8 |
|
|
Аммиак |
2200500 |
1900400 |
13,6 |
|
|
Метан |
47001200 |
50001000 |
6,4 |
Показана возможность применения лидара дифференциального поглощения для дистанционного оперативного контроля концентраций компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в атмосфере. Рассчитаны минимально определяемые с помощью созданного лидара концентрации несимметричного диметилгидразина и гидразина в атмосфере. Их значения приведены в таблице 3 для трассовых измерений при использовании зеркального отражателя. Видно, что с помощью ИК лидара ДП возможно измерение концентраций несимметричного диметилгидразина и гидразина на уровне примерно ПДК.
Таблица 3
Минимально определяемые средние концентрации несимметричного диметилгидразина и гидразина на трассе длиной 1000 м
|
Компонента ракетных топлив |
N, мг/м |
||
|
Фоторезистор на основе соединения кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe) |
Фоторезистор на основе германия, легированного золотом (Ge:Au) |
||
|
Несимметричный диметилгидразин |
0,13 |
0,13 |
|
|
Гидразин |
0,05 |
0,05 |
В общих выводах приведены основные достигнутые результаты.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. Разработан новый метод определения спектральных каналов измерения (на основе квазиоптимального критерия поиска) для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволивший сократить время поиска спектральных каналов измерения на 2…3 порядка по сравнению с известными методами.
2. Разработан новый метод определения концентраций газов многокомпонентных смесей, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска. Метод не нуждается в дополнительной информации и позволяет, как правило, с точностью от единиц процентов до 30…40 процентов находить количественный состав газовых смесей, однако требует большого объема вычислений.
3. Разработан новый метод определения концентраций газов многокомпонентных смесей, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации. Метод не требует большого объема вычислений, но нуждается в дополнительной информации и его точность несколько хуже (по экспериментальным данным примерно на 10 процентов) точности метода квазирешений, причем наименьшие погрешности обеспечиваются при выборе квазиоптимального параметра регуляризации и выборе параметра регуляризации модифицированным метод невязки и методом невязки с использованием дополнительной независимой информации.
4. Для локального контроля многокомпонентных газовых смесей, в том числе составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере разработан макетный образец малогабаритного автоматизированного измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора и исследованы его возможности.
5. Для дистанционного контроля концентраций многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере разработан экспериментальный образец инфракрасного лидара дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света и исследованы его возможности. Разработан и создан параметрический генератор света на кристалле селенистого кадмия. Получена непрерывно перестраиваемая параметрическая генерация в спектральных диапазонах 3,8…4,6 мкм и 8…13 мкм. Диапазон перестройки излучения экспериментального образца лидара ДП расширен более чем в два раза по сравнению с известными лидарами, что позволяет с его помощью проводить измерения для более широкой номенклатуры газовых компонент смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.
Проведены экспериментальные исследования возможностей созданного лидара в качестве оперативного средства дистанционного контроля концентраций газовых компонент в атмосфере рабочей зоны.
6. Проведена экспериментальная апробация разработанных методов поиска набора спектральных каналов измерения и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных локальных и дистанционных лазерных измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ РАБОТАХ
1. О выходных характеристиках параметрического генератора света на кристалле селенида кадмия / В.А. Городничев, А.А. Давыдов, В.И. Жильцов и др. // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. -1984. - Вып. 3 (29). - С. 93-96.
2. Лидар дифференциального поглощения в ИК области спектра на основе параметрического генератора света / В.А. Городничев, М.Б. Богачев, В.И. Козинцев и др. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1988. - Т. 49, вып. 6. - С. 978-982.
3. Городничев В.А., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидар на основе параметрического генератора света для определения атмосферных загрязнений // Оптика атмосферы. - 1988. - Т. 1, № 12. - С. 33-35.
4. Gorodnichev V.A., Kozintsev V.I. Infrared differential absorption lidar (DIAL) system for monitoring atmospheric pollution // SPIE. - 1993. - V.2107. - Р. 400-419.
5. Городничев В.А., Козинцев И.В., Козинцев В.И. Лидар дифферен-циального поглощения в инфракрасной области спектра // Вестник МГТУ, сер. Приборостроение. - 1994. - № 3. - С. 49-63.
6. Городничев В.А., Козинцев В.И. Мониторинг загрязнений атмосферы с помощью лидара дифференциального поглощения в инфракрасной области спектра // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т. 7, № 10. - С. 1410-1414.
7. Радиофизический мониторинг загрязнений природной среды / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др.-М: Аргус, 1994. - 107 c.
8. Обработка лидарного сигнала при мнокомпонентном газоанализе атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1996. - № 3. - С. 117-125.
9. Мониторинг многокомпонентных газовых смесей с помощью лазерного оптико-акустического полигазоанализатора / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Журнал Прикладной спектроскопии. - 1996. - Т. 65, № 5. - С. 755-759.
10. Сравнение методов обработки сигналов лазерного оптико-акустического анализатора для многомпонентного анализа газовых смесей / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1998 - № 3. - С. 30-38.
11. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа состава атмосферы и многокомпонентных газовых смесей / М.Л. Белов, Д.Б. Добрица, В.А. Городничев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1998. - Cпец. выпуск «Лазерные оптико-электронные приборы и системы». - С. 83-88.
12. Сравнительный анализ методов восстановления концентраций газов в многокомпонентных смесях из данных измерений лазерного оптико-акустического газоанализатора / М.Л. Белов, Д.Б. Добрица, В.А. Городничев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2000. - Т. 13, № 2. - С. 146-150.
13. Восстановление концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях эволюционно-генетическим методом из данных измерений лазерного оптико-акустического / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000. - № 9. - С. 55-59.
14. Восстановление концентраций компонент газовых смесей из многоспектральных лазерных измерений методом статистической регуляризации / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001 - № 3. - С. 36-43.
15. Автоматизированный измерительный комплекс на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора для контроля чистоты воздуха / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. - № 9. - С. 38-42.
16. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001 - № 4. - С. 51-57.
17. Городничев В.А. Сравнительный анализ схем лазерного зондирования для задачи контроля концентраций токсичных веществ в атмосфере // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001 - № 4. - С. 24-32.
18. Городничев В.А. Анализ методов поиска спектральных каналов измерения для задачи оперативного лазерного газоанализа // Конверсия в машиностроении. - 2002 - № 1. - С. 70-76.
19. Городничев В.А. Использование метода поиска квазирешений для определения концентраций газов при многокомпонентном лазерном газоанализе атмосферы // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2002 - № 2. - С. 46-52.
20. Метод поиска квазирешений в задаче лазерного оптико-акустического газоанализа / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15, № 4. - С. 388-392.
21. Сравнительный анализ методов поиска спектральных каналов измерения для лазерного оптико-акустического газоанализатора / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15, № 8. - С. 665-671.
22. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учебное пособие / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др. Под ред. В.Н. Рождествина. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.
23. Городничев В.А. Методика выбора длин волн зондирования для лидарного контроля газовых загрязнений атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2002. - № 2. - С. 21-24.
24. Городничев В.А. Анализ схемы зондирования с использованием уголкового отражателя для задачи контроля газовых загрязнений атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2002. - № 9. - С. 64-67.
25. Городничев В.А. Методы восстановления концентраций газов для задачи лидарного контроля газовых загрязнителей атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2003. - № 9. - С. 52-56.
26. Городничев В.А. Выбор метода обработки результатов измерений для решения задачи количественного лазерного газоанализа // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2003 - № 4. - С. 26-35.
27. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.А. Городничев и др. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 352 с.
28. Обработка данных измерений для задачи количественного лазерного оптико-акустического газоанализа / М.Л. Белов, В.И. Козинцев, В.А. Городничев и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. - № 1-2. - С. 55-59.
29. Городничев В.А. Разработка алгоритмов оперативного поиска набора спектральных каналов измерения для лидара дифференциального поглощения на ПГС // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2005, Т. 3, № 4-5. - С. 44-49.
30. Основы количественного лазерного анализа: Учебное пособие / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Ю.В. Федотов; Под ред. В.Н. Рождествина. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 464 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Разработка газодинамического стенда "Крокус" для создания многокомпонентных парогазовых смесей с задаваемыми уровнями концентраций каждого компонента. Управление блоками и устройствами стенда, схемы подключения. Принцип измерений тепловых расходомеров.
практическая работа [2,1 M], добавлен 25.11.2013Обзор конструктивных особенностей и характеристик лазеров на основе наногетероструктур. Исследование метода определения средней мощности лазерного излучения, длины волны, измерения углов расходимости. Использование исследованных средств измерений.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 26.10.2016Разработка аппаратно-программного комплекса "Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов", ориентированного на использование в организациях, работающих в сфере санитарно-эпидемиологического контроля окружающей среды.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 19.04.2012Определения в области испытаний и контроля качества продукции, понятие и контроль. Проверка показателей качества технических устройств. Цель технического контроля. Классификация видов и методов неразрушающего контроля. Электромагнитные излучения.
реферат [552,7 K], добавлен 03.02.2009Элементы и устройства, образующие оптическую систему, специфика проведения контроля. Особенности разработки шлирен-проектора для контроля объективов. Характеристика оптико-механической схемы установки в динамике. Расчет освещенности в области экрана.
курсовая работа [38,4 K], добавлен 18.05.2013Разработка устройства, срабатывающего при освещении фотоприемника-светодиода лазерной указкой с расстояния до 3 м. Схема приемника подаваемых лазерной указкой сигналов. Печатная плата устройства и размещение элементов на ней. Расчет делителей напряжения.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 10.06.2010Обзор применения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров для контроля объектов подстилающей поверхности. Методы повышения точности временной фиксации принимаемого сигнала. Расчет безопасности лазерного высотомера ДЛ-5.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 14.03.2016Проектирование модуля оперативного запоминающего устройства и программы его тестирования, основные технические требования. Описание работы программы функционального контроля памяти, алгоритм теста. Программа тестирования устройства на ассемблере.
курсовая работа [56,7 K], добавлен 29.07.2009Эксплуатация, обслуживание, ремонт электронных вычислительных систем. Выбор параметров для диагностики, построение алгоритма поиска неисправностей, выбор вида аппаратуры контроля. Разработка технологической инструкции по эксплуатации и ремонту устройства.
курсовая работа [81,8 K], добавлен 16.04.2009Классификация методов радиоволнового контроля диэлектрических изделий и материалов. Измеряемые параметры и принципы измерений РВК. Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроле. Элементы и устройства волноводных трактов.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 07.03.2011Разработка радиотехнического метода и аппаратуры высокоточного контроля геометрической формы плотин гидроэлектростанций. Обоснование радиотехнического метода измерений точных расстояний. Узлы точного дальномера. Определение абсолютного значения дальности.
дипломная работа [3,8 M], добавлен 25.07.2012Основные этапы проектирования контрольной аппаратуры. Анализ цифрового вычислительного комплекса. Разработка устройства контроля ячеек постоянного запоминающего устройства с использованием ЭВМ. Описание функциональной схемы устройства сопряжения.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 24.09.2012Анализ существующих методов реализации системы контроля параметров линейной батареи. Общая характеристика системы Siemens PSS400. Обоснование языка программной реализации. Разработка контроллера интерфейса USB 2.0. Модули обработки и упаковки данных.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 30.12.2010Особенности использования методов анализа и синтеза основных узлов аналоговых электронных устройств, методов оптимизации схемотехнических решений. Расчет параметров синтезатора радиочастот. Определение зависимости тока фазового детектора от времени.
лабораторная работа [311,0 K], добавлен 19.02.2022Государственная метрологическая аттестация: методы и проблемы проверки магнитоэлектрических логометров, стандарты достоверности, средства измерений и контроля. Правила и схемы метрологических проверок средств измерения для обеспечения единства измерений.
курсовая работа [44,2 K], добавлен 27.02.2009Исследование и выбор промышленного робота для лазерной резки; анализ технологического процесса; конструкция лазерного излучателя. Разработка общей структуры системы управления промышленным роботом как механической системой, технологическое использование.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 12.07.2013Типы и функции электронных систем защиты и контроля доступа в помещения. Структура технических средств. Архитектура системы, общие процедуры безопасности. Принципиальная схема контроллера шлюза, расчет платы. Разработка алгоритма управляющей программы.
дипломная работа [177,9 K], добавлен 24.06.2010Разработка структурной схемы и расчет характеристик системы оперативной связи гарнизона пожарной охраны. Выбор и обоснование технических средств. Технико-экономическое обоснование внедрения автоматизированной системы связи и оперативного управления.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 18.11.2014Автоматизация технологического процесса системы телоснабжения. Анализ методов и средств контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров. Выбор и обоснование технических средств, микропроцессорного контролера. Оценка устойчивости системы.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 31.12.2015Необходимое условие применения СВЧ-методов. Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объекту контроля. Три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохождение, отражение и на рассеяние. Аппаратура радиоволнового метода.
реферат [2,8 M], добавлен 03.02.2009
