Компьютерный метод оптимизации конструкции осветителей прожекторного типа

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Факультет ФЗН

Кафедра Фізичних основ електронної техніки















КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Компьютерный метод оптимизации конструкции осветителей прожекторного типа

Комп’ютерний метод оптимізації конструкцій світильників прожекторного типу



Керівник. доц.Фролова Т.І.

Студент Шиліна І.В.















Харків 2010

Харківський національний університет радіоелектроніки 


Реферат



Пояснительная записка содержит 20 страниц текста, 3 рисунков, 4 использованных источников литературы.

Объект исследования – параболоидный излучатель световой энергии прожектора.

Цель проекта- оптимизация распространения световой энергии параболоидного прожектора. 

Метод исследования - аналитический и цифровой метод расчета параболоидного излучателя прожектора с помощью системы компьютерной математики MathCAD 2000 Professional.

Получено модель параболоидного отражателя прожектора. 

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПАРАБОЛОИД, ПРОЖЕКТОР,СВЕТОВАЯ ЭНЕРГИЯ, ФОКУС.



Реферат



Пояснювальна записка містить 20 сторінок тексту, 3 малюнків, 4 використаних джерел літератури, 1 додоток.

Об'єкт дослідження – параболоїдний випромінювач світлової енергії прожектора.

Мета проекту – оптимізація поширення світлової енергії параболоїдного спрожектора. 

Метод дослідження - аналітичний і цифровий метод розрахунків розподілу світлової енергії параболоїдного прожектора за допомогою системи комп'ютерної математики Mathcad 2000 Professional.

Отримано модель параболоїдного розсіювача. 

КЛЮЧОВІ СЛОВА: ПАРАБОЛОЇД, ПРОЖЕКТОР, СВІТЛОВА ЕНЕРГІЯ, ФОКУС.


The summary



The Explanatory note contains 20 pages of the text, 3 drawings, 4 used sources of the literature.

The Object of the study - paraboloid reflector light energy of the searchlight.

The Purpose of the project- optimization of the spreading to light energy paraboloid searchlight. 

The Method of the study - analytical and digital method of the calculation paraboloid reflector searchlight by means of systems computer mathematicians MathCAD 2000 Professional.

Model paraboloid reflector of the searchlight is Received. 

THE KEYWORD: PARABOLOID, SEARCHLIGHT,LIGHT ENERGY, FOCUS.


Содержание



Список условных обозначений

Вступление

1. Основные характеристики параболоидного отражателя прожектора

1.1 Классификация СП по степени концентрации потока излучения

1.2 Свойства параболоидного отражателя прожектора

1.3 Построение параболоида в системе MathCAD

2. Расчет КСС параболоидного отражателя

2.1 Определение силы света 

Заключение

Список использованных литературных источников


Список условных обозначений



СП- световой прибор;

ОС - оптическая система;

СТ- светячее тело;

ПК-Проектор 


Вступление



Приборы прожекторного класса служат для освещения,облучения удаленных объектов и сигнализации. Они применяются как для длительного освещения больших территорий, так и для кратковременного создания на объектах определенного уровня освещенности с целью их обнаружения, для передачи информации с помощью специально кодированных световых сигналов, воспринимаемых приемниками. Таким образом, область применения рассматриваемых световых приборов весьма обширна и распространяется на самые различные отрасли народного хозяйства.

Особенностью конструкции прожекторных приборов, отличающих их от других СП, является: наличие в них точного фокусирующего устройства, помещающего центр в действительный фокус прибора; высокая точность обработки и крепления зеркального отражателя; наличие поворотного устройства с лимбами, фиксирующими перемещение прибора в горизонтальной и вертикальной плоскостях.[1]

Все приборы прожекторного класса могут быть разделены по назначению на ряд типов: прожекторы дальнего действия, прожекторы заливающего света, транспортные прожекторы, сигнальные прожекторы. [1]

Приборы сравнительно кратковременного освещения удаленных объектов с целью их обнаружения. Они отличаются коническим световым пучком с высоким значением максимальной (осевой) силы света и малым углом излучения, обладают отражателями, диаметр которых в сотни раз больше. Области применения: специальное освещение игровых площадок кино, телестудий и театральных сцен, освещение объектов горнорудных разработок и строительных объектов при их большой удаленности от СП, для обнаружения объектов в военном деле. [1]


1. Основные характеристики параболоидного отражателя прожектора



1.1 Классификация СП по степени концентрации потока излучения



По характеру светораспределения потока излучения в пространстве СП делятся на три класса: прожекторы, проекторы и светильники.

Прожектор (П) — световой прибор, который с помощью оптического устройства захватывает световой поток источника в большем телесном угле и концентрирует его в малом (измеряемом плоским углом раскрытия 1—2°). Прожекторы применяются для освещения (облучения) объектов, находящихся на расстоянии в сотни и тысячи раз больших размеров СП. Они имеют зеркальные стеклянные отражатели параболоидной формы или линзы различных размеров. Например, отражатели могут быть диаметром 0,1— 3 м.

К приборам прожекторного класса относятся: световые маяки, светосигнальные приборы, свтофоры, фары, некоторые театральные и кинотелевизионные осветительные приборы.

Проектор (Пк) — световой прибор, который с помощью оптического устройства захватывает световой поток источника в большом телесном угле и концентрирует его в малом объеме или на поверхности с малой площадью (размеры освещаемой площадки значительно меньше размеров оптического устройства). Проекторы имеют стеклянные эллипсоидные отражатели или конденсорные линзы. Они используются в качестве осветительной части светопро-екционных оптических приборов, кроме этого, в настоящее время широкое применение проекторы нашли в технологических световых установках. Проекторы являются главной частью: оптических печей; концентраторов энергии излучения, предназначенных для лучистого нагрева, испарения жидкостей, плавки металлов; установок для лучистой сушки, выращивания кристаллов; устройств накачки оптических лазеров; в фотохимических реакторах и других технологических установках.

Однако световой прибор проекторного класса отличается от оптического прибора несовершенством изображения источника света. Более того, в этих приборах чаще всего стараются «испортить» оптическое изображение источника, чтобы обеспечить требуемую равномерность распределения освещенности.

Светильник —световой прибор, который с помощью оптического устройства захватывает световой поток в большом телесном угле и перераспределяет его также в большом телесном угле, доходящем до 4р.





Рнс. 1.1. Дополнительные признаки классификации СП



В отличие от прожекторов и проекторов светильники не создают большой концентрации светового потока и предназначены для освещения близкорасположенных объектов. При этом расстояния до объектов обычно бывают не более тридцатикратных размеров светильника. Существенной особенностью светильников является то, что они создают заданный закон светораспределения в зависимости от характера объекта и условий его освещения (облучения).

Классификация световых приборов по их назначению. Кроме основного признака по степени концентрации потока излучения классификация СП использует дополнительные признаки (рис. 1.1).

По назначению СП делятся на осветительные, облучательные и светосигнальные. Осветительные и некоторые светосигнальные приборы используются в светотехнических установках, где приемником служит глаз человека и, следовательно, их рабочая спект ральная область ограничена видимой частью оптического спектра. 

Облучательные приборы, так же как и осветительные, образуются светильниками, прожекторами и проекторами. Они предназначены для работы в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной или во всех областях оптического излучения. Приемниками излучения при этом являются бактерии (бактерицидные облуча-тельные приборы для обеззараживания воздуха, воды и продуктов питания), кожа человека и сельскохозяйственных животных (эри-темные и медицинские облучательные приборы, приборы для ИК обогрева), растения (облучательные приборы для теплиц и оранжерей), лакокрасочные и полимерные покрытия (УФ и ИК облучательные приборы для отверждения и сушки), активные вещества лазеров (приборы для оптической накачки), различные объекты нагрева (технологические ИК облучательные приборы).

Наряду с облучательными приборами во многих областях применяются светосигнальные приборы, работающие во всем диапазоне оптического излучения. Эти приборы используют свет для передачи информации в виде сигналов, кодированных с помощью изменения спектрального состава излучения источников, изменения частоты и скважности импульсов потока излучения.

Области применения СП в народном хозяйстве весьма разнообразны, без них не обходится ни одна сфера деятельности современного человека. Прежде всего это СП внутреннего (производственные помещения, рудники и шахты, общественные и- жилые помещения) и наружного освещения, а также аэродромные, морские, речные, транспортные, сельскохозяйственные и медицинские СП. Большую группу образуют СП для внутренней и наружной сигнализации, световые указатели, рекламные и информационные табло, навигационные и дорожные знаки. Отдельные группы СП используются в экстремальных средах (под водой, в космосе).

Следует отметить, что без специальных СП вообще невозможно освещение взрыво- и пожароопасных помещений, создание больших концентраций светового потока на малых поверхностях или в малых объемах, а также рациональное применение мощных современных источников света.



1.2 Свойства параболоидного отражателя прожектора



Свойства параболы позволяет получать наибольшую концентрацию излучения в требуемых направлениях пространства. При вращении параболы вокруг оптической оси образуется поверхность второго порядка — параболоид вращения — один из основных видов отражателей световых приборов прожекторного типа [3].

Зеркальные отражатели прожекторов должны иметь форму, удовлетворяющую требованию максимальной концентрации светового потока источника. Это предполагает вполне определенный ход фокальных падающих и отраженных световых лучей. В любой меридиональной плоскости фокальный луч, падающий на отражатель под некоторым углом φ к оптической оси ΟΖ, после отражения должен пойти параллельно этой оси. Следовательно, углы, ориентирующие падающие и отраженные фокальные лучи, связаны между собой следующими зависимостями: φ=var, α=const=0 [1].

В аналитической геометрии известен ряд поверхностей, удовлетворяющих этому условию. Нетрудно убедиться, что одной из таких поверхностей является поверхность второго порядка 



X2+Y2=2ΡΖ (1.1)



образованная вращением параболы вокруг оси FZ и и называемая параболоидом вращения. Действительно, для этого достаточно вспомнить определение диаметра параболы (рис. 1.1) как прямой, параллельной оси параболы, и свойство нормали быть биссектрисой угла между фокальным радиусом-вектором и диаметром, проходящим через точку касания. Следовательно, любой фокальный луч, упавший на некоторую точку отражателя, ориентируемую полярным углом φ, составит с нормалью угол ί=φ/2 и после отражения пойдет параллельно оптической оси [1]. 

Зеркальные параболоидные отражатели могут быть металлическими и стеклянными. В первом случае оптический расчет не составляет труда, так как луч, падающий на некоторую точку поверхности, ею и отражается. Следовательно, ее профильная кривая рассчитывается по уравнению параболы. В стеклянном отражателе, когда с целью предохранения отражающего металлического слоя его наносят на тыльную поверхность, оптический расчет усложняется, так как в этом случае необходимо учесть не только отражения, но и преломления фокального луча [1].





Рис. 1.1.Параметры параболы



Уравнения параболы — профильной кривой металлического отражателя. Расчет координат профильной кривой лицевой поверхности металлического отражателя проводится по уравнениям параболы или в полярной системе координат совмещенной началом с фокусом параболоида, а также в прямоугольной системе координат Ζ, X, начало которой совмещено с вершиной параболы. Точка M профильной кривой определяется полярным углом и фокальным радиусом-вектором:


  (1.2)



где Р, f — фокальный параметр и фокусное расстояние параболы соответственно.

Прямоугольные координаты точки Μ определяются по каноническому уравнению параболы:



 (1.3)



Если положить D=2Xmax, то D2= 16/Zmax.

Радиус-вектор параболы выражается через фокусное расстояние и координату Ζ (рис. 1.1):



 (1.4)



Координата X точки Μ может быть выражена через фокусное расстояние и угол:



 (1.5)



Диаметр светового отверстия параболоидного отражателя находится из (1.5):



 (1.6)


где — половина плоского угла охвата отражателя.

Зная радиус светового отверстия, нетрудно найти его площадь:



  (1.7)



Отражающие покрытия металлических отражателей могут быть серебряные, хромированные, алюминированные, родированные и т. п. Некоторые металлические покрытия (серебро, алюминий) требуют специальных защитных средств в виде бесцветных оксидных кремниевых пленок и специальных лаков. В настоящее время наиболее распространены металлические или стеклянные отражатели, лицевая поверхность (обращения к источнику) которых имеет зеркальное покрытие, нанесенное вакуумным алюминированием. Часто применяются алюминиевые отражатели, зеркальный слой образован с помощью альзак-процесса. Интегральные коэффициенты отражения зеркальных покрытий имеют значения 0,70—0,90 [1].

Металлические отражатели применяются главным образом в тех случаях, когда требования к оптической точности отражателей невелики.

Изготовление параболоидных стеклянных отражателей высокой точности весьма сложно прежде всего из-за специальной формы наружной поверхности. Поэтому применяются в основном двойные параболоиды, т. е. такие отражатели, у которых как внутренняя, так и наружная поверхность имеют параболоидную форму [2].



1.3 Построение параболоида в системе MathCAD



Произведем вычисления и построение параболоида с помощью математического пакета MathCAD.

Для этого зададимся начальными условиями и из формулы 1.1 выведем расчетную формулу для построения параболоида.

Построение параболоида показано на рисунке 1.2.





Рисунок.1.2 – Построение параболоида


2. Расчет КСС параболоидного отражателя прожектора



2.1 Определение силы света



Сила света параболоидного зеркального отражателя  определяется произведением яркости LC СТ, помещенного в фокус отражателя, на полную площадь светового отверстия АСО и коэффициент выхода , учитывающий потери света в приборе:



 (2.1)



При этом следует всегда помнить, что закон Манжена предпологает световой полную площадь светового отверстия. Для параболоидного отражателя 



,  (2.2)



где D- диаметр зеркального отражателя.

	Закон Манжена опраделяет силу света только по направлению оптической оси.

Произведем вычисления силы света в программе MathCAD (рис. 2.1).




Рисунок 2.1- Вычисление силы света.


Заключение

	

В данном курсовом проекте представлены результаты исследования отражателя параболоидной формы прожекторов.

В ходе выполнения проекта были рассмотрены основные свойства параболы и параболоидного отражателя, методы нахождения световой энергии параболоидного отражателя. 

С помощью программы MATCAD был построен параболоид в системе координат.


Список использованных литературных источников



Трембач В.В. Световые приборы:Учеб.для вузов по спец. «Светотехника и источники света».-2-е изд.,перераб. и доп.-М.: Высш шк.1990.-463с.:ил.

http://www.photofishka.ru/7/ Способы управления освещением.

http://swetilo.com/index.php Производство световых приборов.

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Комп’ютерне моделювання пристроїв і технологій в оптоелектроніці» для студентів денної та заочної форм навчання напряму 0911 «Лазерна та оптоелектронна техніка» / Упоряд.: А.В. Васянович, О.В.Грицунов, Є.М. Одаренко, Т.І. Фролова, Г.І.Чурюмов – Харків: ХНУРЕ, 2007. – 28 с.





2