照度仪光电探测器光学保护罩的研究

　　工控照度仪是用于现代高速公路隧道照明检测与控制的光度检测仪器, 在现代公路自动化控制中起着重要作用。其原理与照度计一致, 但为了适应野外恶劣的工作环境, 工控照度仪必须进行完全的密封[ 1] 。通过在照度仪光电探头处设置以光学PMMA 塑料为材料的球形保护罩, 我们不仅成功实现了密封, 而且在几乎没有引入误差的前提下, 实现了对外界光能量的探测, 开发出一套可应用于现场检测的工控照度仪系统。图1 是照度仪实物照片。本文简单介绍工控照度仪的工作原理, 重点讨论保护罩的设计与数学建模, 并在此基础上给出保护罩造成的方向性误差的仿真和实验结果。

　　1 工控照度仪的工作原理

　　工控照度仪是照度测量仪器。它通过光电探测器将环境的光能量转换成电信号, 电信号再经后续电路的处理, 最终输出与环境照度值成正比的4~20mA 电流信号。其工作原理及结构框图如图2 所示。光电探测器和电路处理部分完全的密封在机壳之内, 被测量) ) ) 光信号, 经与机壳一体的光学保护罩入射进光电探测器, 实现照度仪光能量的接收。因此保护罩扮演着照度仪检测外界光信号的窗口的重要角色, 保护罩的设计与开发是照度仪开发的重要部分。本文将详细讨论保护罩的设计问题。

　　2 保护罩的设计

　　工控照度仪保护罩是照度仪检测外界光能的窗口, 兼起密封保护和透光的作用, 所以它必须满足以下两个基本要求: ① 光学要求: 对波长为380 nm~780 nm 的可见光有均匀的透过率和很好的透光性能等; ② 其他要求: 具有优良的耐酸性、耐碱性、耐有机溶剂性、耐候性、机械强度和温度稳定性等。一般器件的设计包括两部分, 第一是材料的选择; 第二是结构的设计, 保护罩也不例外。其中保护罩材料的选择几乎完全决定了保护罩是否能满足密封和透光的要求, 因此我们反复论证了各种光学材料的性能与特点, 经过比对和实验, 最终决定选择PMMA 光学塑料作为保护罩的材料。该材料不仅可以非常好的满足光学要求, 在可见光范围内有高达96% 的透过率, 光谱吸收曲线非常平坦, 而且除光学性能之外的其他综合性能也非常优良, 特别是耐候性尤其优异[ 2] 。在现场使用中, 它也确实表现出了优良的性能。

　　选定了材料, 须确定结构。结构设计的第一准则是保护罩不能对照度仪光电探头的余弦校正造成影响。考虑了众多结构后, 我们选择空心半球形。该结构具有对方向性误差影响小, 可加工性好、机械强度高和美观等优点, 因此比较符合要求。为了明确知道这种结构对照度测量的方向性误差造成的影响大小, 我们详细分析了保护罩对光路的影响, 建立数学模型后进行仿真, 并通过具体实验验证了理论分析的结果。这就是本文下节的重点。