Особенности построения автоколлимационной оптико-электронной системы контроля положения элементов турбоагрегатов

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ Э.Д. Панков, А. В. Прокофьев, А. Н. Тимофеев

В работе рассматриваются особенности построения автоколлимационных оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной с учетом аберраций, вносимых объективами передающей и приемной части. Предложена методика энергетического расчета оптической системы. Приводятся графики зависимости габаритов указанных объективов от их аберраций.

Обеспечение высокой точности пространственного расположения составляющих элементов технологического и научного оборудования относительно систем прямолинейных осей [1] необходимо для надежного функционирования оборудования. Для решения этой задачи требуется оперативный пространственный контроль, который обеспечивается с помощью оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), в том числе и с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) [2]. Коллимационные ОЭИС с ОРСЗ в силу таких преимуществ, как большой диапазон измеряемых смещений на различных дистанциях до объекта контроля и малое энергопотребление, хорошо изучены [3]. Автоколлимационные оптико-электронные измерительные системы (АОЭИС) с ОРСЗ к тому же не требуют электрической энергии в точке контроля, и потому изучение особенностей их построения актуально.

К наиболее перспективным относятся системы на основе АОЭИС с ОРСЗ для контроля соосности элементов турбоагрегатов, устанавливаемых на атомных электростанциях. Подобного рода АОЭИС должны обладать следующими параметрами:

• диапазон контроля ±10 мм;

• СКО измерений не более 0,05 мм;

• диапазон изменения дистанций от 0,5 до 40 м;

• условия эксплуатации - цеховые.

Оптическую схему автоколлиматора (см. рис. 1) предложено реализовывать в виде прожектора, в котором с помощью излучателей 1, конденсоров 2, отражательных призм 3 за разделительной призмой 4 формируется ОРСЗ при помощи светоделительной призмы 5, отражательных призм 6 и 7 и объектива 8. Далее созданная ОРСЗ проецируется через плоскопараллельную пластину 9 во входной зрачок контрольного элемента (КЭ) - зеркально-линзового отражателя (ЗЛО), состоящего из объектива 10 и отражательного зеркала 11. Объектив приемной части 12 собирает на фотоприемнике 13 оптическое излучение, возвращенное КЭ.

Рассмотрим особенности методики энергетического расчета АОЭИС. Основным техническим критерием качества работы ОЭИС с ОРСЗ является погрешность измерений а8 [4]. Поэтому в качестве исходной величины для энергетического расчета предлагается использовать дисперсию шумовой погрешности измерений аШ, которая определяется как доля от дисперсии требуемой погрешности измерений: аШ = / д/ц ,

где д - коэффициент запаса, учитывающий количество сильно влияющих погрешностей [3].

Поток оптического излучения йФпои, попадающего на приемник оптического излучения (ПОИ) 13 (рис. 2), при минимальном регистрируемом смещении КЭ должен быть равен

^Фпом = Т2^Фвх.зр.

где т2 - коэффициент пропускания приемного объектива, а ^Фвх.зр - поток оптического сигнала, попадающий во входной зрачок объектива приемной части АОЭИС.

Рис. 1. Обобщенная оптическая схема АОЭИС

Для рассматриваемых АОЭИС с учетом линейного участка переходной зоны в ОРСЗ и источников оптического излучения, например, светодиодов с диаметром излучающей площадки ёии и мощностью излучения Ре, которая распределена равномерно в пределах апертурного угла и, получаем:

^Фпои = т-

nPeKz0 а Ш

А2( D2 - Dt):

4dLz2 sin2 u[M.zz0 + D1 (z0 - z)] ] ^ ^ " (22

где т = т2тс - интегральный коэффициент пропускания оптического и воздушного трактов, К - коррекционный множитель, учитывающий форму индикатрисы излучения светодиода; z0 - дистанция от выходного зрачка до передней фокальной плоскости объектива ЗЛО; z - расстояние от выходного зрачка прожектора до зеркала ЗЛО; k1 -коэффициент, зависящий от формы распределения аберраций объектива прожектора; 5ф8 - угловая величина суммарной аберрации прожектора; D1 - диаметр объектива прожектора; D2 - наружный диаметр объектива приемника.

В конечном счете энергетический расчет сводится к определению величин D1 и D2, при которых выполняется условие [3]:

^Фпои = МРФпор.ПОИ,

где ФпорПОИ - пороговый поток ПОИ; р - коэффициент отношения сигнал/шум.

ПР Kz а

Подставляя теперь выражение (2) в (3) и вводя коэффициент W = т—2e 2 0 ™—,

4d„„ z sin u

получаем:

WDf

П м

[[5ф^ + Д ( - г)]

где ФП - пороговый световой поток ПОИ по рабочему источнику. Группируя члены, получим первое уравнение энергетического расчета:

С1 = д[дф22 - А2) - 000],

где 0 = дрФп(^о - г) / Ж и С1 = дрФпМф^о / Ж.

Второе уравнение для энергетического расчета предлагается выводить, исходя из следующих геометрических соображений. Чтобы пучком, отраженным КЭ, равномерно засвечивался весь входной зрачок приемной оптической системы, необходимо, чтобы диаметр отражателя был равен половине суммы диаметров D, и D2. Кроме этого, для обеспечения необходимого диапазона измерений на минимальном расстоянии до КЭ нужно, чтобы угол расходимости пучка прожектора соответствовал условию tg ß = Dal2 + DJ2 + Amax ,

где в - угол расходимости пучка; Атах - максимальное измеряемое смещение КЭ; т' -минимальное расстояние до КЭ.

В то же время угол расходимости пучка прожектора определяется как в = ^ии 8т(и) / Д.

Таким образом, исходя из вышеприведенных выражений, получаем второе уравнение для энергетического расчета:

ЗА2 + С2А + АА - Сз = 0,

где С2 = 4 Атах; Сз = 5г'^и.и вт(и).

Каждое из энергетических уравнений (4) и (5) представляет собой, при заданных параметрах С1, С2, С3, функциональную зависимость вида Б2 = ДА). Решая указанные два уравнения относительно П2 и приравнивая полученные выражения друг другу, получим следующее равенство:

С3 - 3D,2 - С2D, C1 + А4 + DQ

D,

D,

Решение уравнения (6) позволяет находить диаметры зрачков объективов прожектора и приемной части.

Выбор габаритов приемной и передающей оптики во многом определяется величиной аберрации оптической системы прожектора. Для практического исследования схемы в качестве исходных элементов АОЭИС с ОРСЗ были выбраны светодиоды типа АЛ119Б, фотоприемник - фотодиод типа ФД 11К; а также следующие значения параметров: аШ = 0,02236 мм; т0 = 80000 мм; т = 40000 мм; р = 2; т = 0,1; Атах = 10 мм; К = 0,73; кх = 1,6.

На основании приведенных выше уравнений (4)-(6) построены графики зависимости диаметра выходного зрачка объектива прожектора и входного зрачка объектива приемной части АОЭИС с ОРСЗ от аберрации оптической системы (ОС) прожектора при указанных параметрах (см. рис. 2).

Б1, Б2, мм

35 30 25 20 15 10 5 0

D,

D,

0

10

20

30

40

5ф, угл. сек.

I I

50 60

Рис. 2. Графики зависимости диаметра выходного зрачка объектива прожектора (й^ и входного зрачка объектива приемной части (й2) АОЭИС с ОРСЗ от величины аберрации ОС прожектора (5ф5) при рабочей дистанции 40 м

z

Из приведенных графиков (рис. 2) следует, что габариты всей ОС минимальны при отсутствии аберрации ОС прожектора, что практически нереализуемо. Также видно, что при увеличении аберрации ОС прожектора диаметр входного зрачка приемной части уменьшается, а выходного зрачка объектива прожектора -увеличивается.

Расчеты показывают, что при повышении значения сферической аберрации объектива прожектора в два раза для приведенных выше значений параметров величина диаметра выходного зрачка ОС прожектора уменьшится на 6 %, а величина диаметра входного зрачка объектива приемной части увеличится на 32 %, т.е. площадь входного зрачка приемной части изменяется в процентном соотношении на большую величину.

В свою очередь, при повышении мощности источника оптического излучения или коэффициента пропускания в два раза диаметр входного зрачка объектива приемной части уменьшится на 38 %, а диаметр выходного зрачка прожектора увеличится на 18 %; в то время как при повышении значения порогового потока ПОИ в два раза уже величина диаметра выходного зрачка ОС прожектора уменьшится на 18 %, а величина диаметра входного зрачка объектива приемной части увеличится на 38 %. Следовательно, влияние изменений мощности излучения светодиода на размеры зрачков характеризуется обратной зависимостью от воздействия изменений порогового потока ПОИ.

Таким образом, подбирая поток излучения светодиода и пороговый поток ПОИ, можно выбирать оптимальные габариты ОС.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод об особенностях реализации АОИЭС с ОРСЗ с оптимизацией габаритных размеров объективов ОС прожектора и приемной части в зависимости от параметров ОС. Установлено, что при увеличении сферической аберрации объектива прожектора размер выходного зрачка ОС прожектора уменьшается, а входной зрачок объектива приемной части увеличивается; при увеличении мощности излучения светодиода или пропускания ОС размер входного зрачка объектива приемной части уменьшается, а выходного зрачка ОС прожектора, наоборот, увеличивается; при повышении значения порогового потока ПОИ размер выходного зрачка ОС прожектора уменьшается, а входного зрачка объектива приемной части увеличивается.

По полученным формулам можно оценить влияние дистанции контроля на габариты ОС. В дальнейшем планируется исследовать влияние турбулентности атмосферного тракта и контрольных элементов (типа триэдр и ЗЛО) на работу ОС АОЭИС.

В соответствии с рассмотренной оптической схемой осуществляется разработка автоколлимационной измерительной системы для контроля положения элементов турбоагрегатов атомных станций в период их ремонта и эксплуатации.

Литература

1. Вагнер Е.Т. Лазеры в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1982. 184 с.

2. Цуккерман С.Т. Гридин А.С. Приборы управления при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 204 с.

3. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под общей редакцией Э.Д. Панкова. СПБ.: ИТМО, 1998. 238 с.

4. Кутько В.В., Тимофеев А.Н. Особенности энергетического расчета автоколлиматоров с оптической равносигнальной зоной // Оптико-электронные приборы и системы: Сб. науч. статей. Вып. 99 / Под ред. Э.Д. Панкова. СПб: ИТМО, 1999. С. 30-34.