Разработка модуля термостабилизации лазерного блока | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №48 (443) декабрь 2022 г.

Дата публикации: 04.12.2022

Статья просмотрена: 51 раз

Библиографическое описание:

Фарзиев, И. И. Разработка модуля термостабилизации лазерного блока / И. И. Фарзиев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 48 (443). — С. 46-49. — URL: https://moluch.ru/archive/443/97175/ (дата обращения: 16.12.2024).



В статье рассмотрена актуальность разработки модуля термостабилизации лазерного блока. В современном мире актуальной проблемой является разработка новых современных лазерных источников для дистанционного обнаружения и измерения концентрации различных газов в атмосфере. Для обеспечения стабильной работы лазерного излучателя необходимо поддерживать температуру оптических каналов в заданном диапазоне. Для данных целей используется блок термостабилизации.

Ключевые слова: термоэлектрический модуль, лазерный блок, контроллер, датчик температуры, падение напряжения.

В результате развития промышленных технологий огромные массы воздуха с различными загрязняющими веществами поступают в атмосферу. В этой ситуации для контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района, наиболее перспективными сегодня представляются методы лазерного дистанционного зондирования, поскольку применение стандартных методов измерений параметров таких загрязняющих веществ на больших расстояниях оперативно и одновременно является проблематичным.

Наиболее информативным для зондирования атмосферы является спектральный диапазон 3–5 мкм. Это обусловлено тем, что в этом диапазоне поглощают излучение большое количество загрязняющих атмосферу веществ, таких как аммиак, сероводород, углеводороды и др. С точки зрения эксплуатации более разумно применять в лидаре твердотельные лазеры.

Одной из неотъемлемых частей системы контроля и управления является блок термостабилизации оптических каналов лазерного блока. Мощность излучения гольмиевого лазера существенным образом зависит от температуры кристалла Ho:YAG — она снижается при его нагреве. Для поддержания оптимальной температуры, кристалл устанавливается на термоэлектрический модуль (ТЭМ) с обратной связью через датчики температуры, встроенные в теплоотвод кристалла. Обработка сигнала с датчика температуры и управление работой термоэлектрического модуля (рис. 1) осуществляется программным обеспечением системы контроля и управления в соответствии с заданным алгоритмом.

Термоэлектрический модуль компании КРИОТЕРМ

Рис. 1. Термоэлектрический модуль компании КРИОТЕРМ

В блоке лазерном установлено 5 оптических каналов (кристаллов), температуру которых необходимо поддерживать: кристалл гольмия (+14…+16°С), акустооптический модулятор (+10…+50°С), акустооптический фильтр (+38…+42°С), два параметрических генератор света (+34…+42°С).

В настоящее время на рынке представлен огромный выбор устройств, предназначенных для реализации термостабилизации различных устройств. Каждое устройство имеет возможность обеспечить широкий температурный диапазон регулировки. Одним из главных недостатков подобных терморегуляторов являются их габариты. В лазерном блоке установлено 5 термоэлектрических модулей, управление которыми необходимо обеспечить. Использование такого количества готовых устройств сильно увеличивает габариты разрабатываемого лазерного комплекса зондирования. Также одним из условий разработки комплекса зондирования атмосферы является использование отечественной элементной базы.

Таким образом, функциональное обеспечение данной системы термостабилизации должно удовлетворить следующим требованиям: возможность подключения датчиков температуры и обработки выходных сигналов с них; возможность управления термопреобразователями Криотерм как в режиме нагрев, так и охлаждение; система должна быть разработана на базе отечественных элементов; наличие интерфейса приема/передачи данных; возможность дистанционного управления системой.

Вышеперечисленным требованиям не способны удовлетворить готовые блоки термостабилизации, поэтому актуальной является проектирование собственного модуля термостабилизации лазерного блока.

Проектирование модуля начали с подбора основного элемента, который должен выполнять контроль датчиков температуры и формировать сигналы управления термоэлектрическими модулями. Проведя анализ контроллеров, представленных на рынке, было решено использовать микросхему 1986ВЕ4У компании Миландр (рис. 2).

Микроконтроллер 1986ВЕ4У

Рис. 2. Микроконтроллер 1986ВЕ4У

Одним из преимуществ данного устройства является наличие встроенного высокоскоростного 24-х разрядного аналого-цифрового преобразователя ∑∆ АЦП [1]. Проводниковые терморезисторы часто называют термометрами сопротивления, термопреобразователями сопротивления и резистивными детекторами температуры. В данном лазерном блоке и установлены датчики температуры из платины с номинальным значением электрического сопротивления 100 Ом при температуре 0℃ [2]. Подключение терморезисторов к выводам контроллера осуществляется напрямую, не требуя дополнительных усилителей сигнала, что значительно упрощает разрабатываемую схемы модуля термостабилизации. В данном случае цифровая схема контроля выходных сигналов с датчиков представляет собой цепочку из последовательно включенных 5 термопреобразователей.

Протекающий через терморезисторы ток, в соответствии с законом Ома создает на каждом из них падение напряжения, пропорциональное текущему значению сопротивления каждого термодатчика. Так как сопротивление термопреобразователей пропорционально их температуре то и падение напряжения на каждом из термопреобразователей является функцией температуры. Таким образом, измеряя падение напряжения на каждом терморезисторе, микроконтроллер вычисляет текущее значение температуры каждого элемента.

Измеренное значение температуры сравнивается микроконтроллером с пороговыми значениями, хранящимися во внутренней энергонезависимой памяти и по результатам сравнения микроконтроллер, формирует сигналы на включение соответствующих термомодулей в режим нагрева, в режим охлаждения или их отключения.

Расчет текущего значения температуры в зависимости от значения электрического сопротивления термопреобразователей осуществляется по формуле: RT=R0(1+AT+BT2–100CT3+CT4), где RТ — текущее значение сопротивления, R0=100Ом — значение сопротивления при Т=0°С, коэффициенты А=3,908*10–3 (°С–1), В=–5,775*10–7 (°С–2), С=–4,183*10–12 (°С–4).

В ходе выполнения работы была разработана принципиальная электрическая схема модуля термостабилизации блока лазерного на базе отечественного контроллера (рис. 3).

Модуль термостабилизации блока лазерного

Рис. 3. Модуль термостабилизации блока лазерного

С помощью платы имеется возможность подключить 5 датчиков температуры к выводам аналого-цифрового преобразователя и 5 термоэлектрических модулей через промежуточную схему управления. Итоговый вариант платы был установлен в комплекс авиационного дистанционного зондирования атмосферы, который обеспечивал температуру оптических каналов в требуемых диапазонах. Также, с помощью микросхемы приёмопередатчика, была организована возможность обмена данных с компьютером оператора, что позволяет вести дистанционный контроль текущей температуры кристаллов и управлять термоэлектрическими модулями.

Литература:

  1. Микроконтроллер 1986ВЕ4У. Спецификация ТСКЯ.431296.009СП.
  2. HEL-700 Series. Sensing and Control Honeywell Datasheet.
Основные термины (генерируются автоматически): лазерный блок, датчик температуры, падение напряжения, термоэлектрический модуль, блок термостабилизации, модуль термостабилизации блока, текущее значение сопротивления, текущее значение температуры, температура.


Ключевые слова

датчик температуры, контроллер, термоэлектрический модуль, лазерный блок, падение напряжения

Похожие статьи

Модель бесконтактного магниторезонансного контроля параметров жидкостей

В настоящей статье рассматривается проблематика определения и анализа изменений значений параметров жидких материалов при их течении по трубопроводам в том числе и в условиях высокой турбулентности. Предложена модель устройства бесконтактного измерен...

Определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя для ультразвукового неразрушающего контроля бериллиевых слитков

При ультразвуковом неразрушающем контроле металлов необходимо руководствоваться заранее написанной методикой контроля, частью которой является определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя. Для нахождения данных парам...

Разработка автоматизированного стенда паспортизации пьезоэлектрических преобразователей

Данная статья посвящена перспективному направлению использования роботов манипуляторов для автоматизации процесса паспортизации ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Основное внимание уделено возможности использования робота-манипулятор...

Применение метода устранения шумов изображений, полученных с использованием тепловизора

Одной из проблем является зашумления полезного сигнала при работе матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Поэтому для решения данной проблемы представлены возможности подавления геометрических шумов, как на аппаратном, так и на программном уровне. А...

Управление технологическими процессами с помощью магнитных систем и способы их расчета в ионно-плазменных устройствах напыления материалов

В данной работе рассматриваются основные моменты, связанные с управлением потоков движения заряженных частиц в ионно-плазменных технологических устройствах. Для увеличения эффективности нанесения материалов на заготовки различной формы и размеров нео...

Разработка системы измерения сопротивления

В данной статье рассматривается МП-система измерения сопротивления. Данная система способна проводить измерение сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 1 кОм с точностью 1 %. Основой системы является 8-разрядный АЦП К1107ПВ2.

Разработка стандартного образца предприятия для ультразвукового контроля металлов

Для настройки длительности развертки и проверки предельной чувствительности дефектоскопа используются стандартные образцы предприятия, изготовленные из бездефектных частей заготовок того же самого материала, который будет контролироваться, с предвари...

Программа для расчёта электрического сопротивления терморезисторов NTC-типа

В статье рассматривается проблема расчета сопротивлений терморезисторов NTC-типа при различных температурах. Представлена программа для расчетов сопротивлений терморезисторов, а также эксперимент по проверке точности расчетов этой программы.

Разработка автоматизированной системы позиционирования измерительного элемента для средств контроля и диагностики бортовой радиоэлектронной аппаратуры

В статье рассмотрен вопрос автоматизации системы позиционирования измерительного элемента для средств контроля и диагностики бортовой радиоэлектронной аппаратуры. В качестве измерительного элемента предложено использование вибродатчика индукционного ...

Измерение диапазонов температур наноспутника с помощью волоконно-брэгговской решетки

В данной статье основное внимание уделяется разработке датчика температуры для использования в наноспутнике. В системе используется источник света, длина волны которого может регулироваться в умеренном диапазоне, и волоконная брэгговская решетка. Сис...

Похожие статьи

Модель бесконтактного магниторезонансного контроля параметров жидкостей

В настоящей статье рассматривается проблематика определения и анализа изменений значений параметров жидких материалов при их течении по трубопроводам в том числе и в условиях высокой турбулентности. Предложена модель устройства бесконтактного измерен...

Определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя для ультразвукового неразрушающего контроля бериллиевых слитков

При ультразвуковом неразрушающем контроле металлов необходимо руководствоваться заранее написанной методикой контроля, частью которой является определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя. Для нахождения данных парам...

Разработка автоматизированного стенда паспортизации пьезоэлектрических преобразователей

Данная статья посвящена перспективному направлению использования роботов манипуляторов для автоматизации процесса паспортизации ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей. Основное внимание уделено возможности использования робота-манипулятор...

Применение метода устранения шумов изображений, полученных с использованием тепловизора

Одной из проблем является зашумления полезного сигнала при работе матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Поэтому для решения данной проблемы представлены возможности подавления геометрических шумов, как на аппаратном, так и на программном уровне. А...

Управление технологическими процессами с помощью магнитных систем и способы их расчета в ионно-плазменных устройствах напыления материалов

В данной работе рассматриваются основные моменты, связанные с управлением потоков движения заряженных частиц в ионно-плазменных технологических устройствах. Для увеличения эффективности нанесения материалов на заготовки различной формы и размеров нео...

Разработка системы измерения сопротивления

В данной статье рассматривается МП-система измерения сопротивления. Данная система способна проводить измерение сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 1 кОм с точностью 1 %. Основой системы является 8-разрядный АЦП К1107ПВ2.

Разработка стандартного образца предприятия для ультразвукового контроля металлов

Для настройки длительности развертки и проверки предельной чувствительности дефектоскопа используются стандартные образцы предприятия, изготовленные из бездефектных частей заготовок того же самого материала, который будет контролироваться, с предвари...

Программа для расчёта электрического сопротивления терморезисторов NTC-типа

В статье рассматривается проблема расчета сопротивлений терморезисторов NTC-типа при различных температурах. Представлена программа для расчетов сопротивлений терморезисторов, а также эксперимент по проверке точности расчетов этой программы.

Разработка автоматизированной системы позиционирования измерительного элемента для средств контроля и диагностики бортовой радиоэлектронной аппаратуры

В статье рассмотрен вопрос автоматизации системы позиционирования измерительного элемента для средств контроля и диагностики бортовой радиоэлектронной аппаратуры. В качестве измерительного элемента предложено использование вибродатчика индукционного ...

Измерение диапазонов температур наноспутника с помощью волоконно-брэгговской решетки

В данной статье основное внимание уделяется разработке датчика температуры для использования в наноспутнике. В системе используется источник света, длина волны которого может регулироваться в умеренном диапазоне, и волоконная брэгговская решетка. Сис...

Задать вопрос