Талшықты-оптикалық өлшеуіш жүйелерінің өлшеуіш түрлендіргіштері

Мазмұны

 

	Кіріспе	3
1	Талшықты-оптикалық өлшеуіш жүйелерінің өлшеуіш түрлендіргіштері	4
	Қорытынды	10
	Пайдаланылған дереккөздер тізімі	11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

 

Мен, 5В071600-Аспап жасау мамандығының, Асп-401 тобының студенті Игламхан Ханшайым Әскербайқызы, 08.04.2015 ж. – 09.05.2015 ж. күндер аралығында ҚОҒО-да диплом алдыңғы тәжірибені өттім.

08.04.2015 ж. күні Физика және аспап жасау кафедрасында алдын ала дипломдық тәжірибе бойынша бағдар беру конференциясы өтті. Конференцияда алдын ала дипломдық тәжірибеге қойылатын талаптар, тәжірибенің мақсаты, міндеттері және қауіпсіздік техникасының ережелері туралы мәлімет берілді, әрбір студентке күнделік таратылды.

09.04.2015ж. күні тәжірибе орнына келдім. Бірінші күні тәжірибе өтетін орынмен, жұмыс үдерісімен, құрылымымен таныстым.

10.04.2015 ж. – 06.05.2015 ж. күндер аралығында төмендегідей жұмыстар орындалып, тәжірибе жетекшісіне тапсырылды:

- Талшықты-оптикалық өлшеуіш  жүйелерінің өлшеуіш түрлендіргіштері

- Өлшеу түрлендіргіштерінің нақты құрылымдары үшін Фабри-Пероның талшықты-оптикалық интерферометрі

- Бірталшықты екі үлгілі интерферометр негізіндегі өлшеуіштік түрлендіргіштер

- Қабаттың көлденең тербелістері үшін бірталшықты екі үлгілі интерферометр негізіндегі өлшеуіштік түрлендіргіштер

- Сезімталдығы жоғары бірталшықты екі үлгілі интерферометр негізіндегі өлшеуіштік түрлендіргіштер

Тәжірибе кезінде күнделікті атқарылған жұмыстар тәжірибе бойынша күнделікке енгізілді. Орындалған тапсырмалардың материалдары жұмыс бумасына жинақталды.

07.05.2015 ж. күні тәжірибе бойынша есеп беру құжаттарын дайындау жұмыстары жүргізілді.

09.05.2015 ж. күні С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университетінің Физика және аспап жасау кафедрасында алдын ала диломдық тәжірибе бойынша қорытынды конференциясы өтті. Конференцияда алдын ала диломдық тәжірибе бойынша есеп комиссия алдында қорғалды.

Өндірістік тәжірибе бойынша келесідей құжаттар Физика және аспап жасау кафедрасына тапсырылды:

• Өндірістік тәжірибе күнделігі;
• Жеке тапсырмалар.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Талшықты-оптикалық өлшеуіш жүйелерінің өлшеуіш түрлендіргіштері

 

 

Желі түрінде ұзын өлшеу жүйесін құру үшін бәрінен бұрын талшықты оптика элементтері сай келеді. Сонымен қатар ақпаратты өңдеу мен берудің талшықты-оптикалық жүйелері деректерді беру жылдамдығын 10 Гбит/с ұлғайтуға, беретін дабылдардың өткізу жолағын 10 жылға дейін кеңейтуге, каналдау сәуле шығару үшін шығындарды кемдегенде 0,2 дБ/км деңгейге дейін азайтуға, ақпаратты өңдеу мен сақтаудың электронды жүйелеріне деректерді енгізудің барынша жоғары жылдамдығын қамтамасыз етуге көмектеседі. Мұндай элементтер аз габариттерге, жинақылыққа, жоғары кедергілерден қорғаушылыққа ие. Барлық жоғарыда келтірілгендер өлшемдік түрлендіргіштер мен электронды өңдеу жүйелері арасындағы ақпаратты беру каналдарын ұйымдастыру кезінде туындайтын проблемаларды шешуге мүмкіндік берелі.

Берілген параметрлері бар талшықты жарық өткізгіш (ТЖ) жасаудағы табыстар және талшықты оптика компоненттерін әзірлеудегі жетістіктер жарық өткізгіштерді байланыс жүйелерінде ғана емес, өлшеу жүйелерінде де тиімді қолдану мүмкіндігін ашты. Шығынсыз үлкен қашықтыққа ТЖ бойынша сәуле шығаруды беру мүмкіндігі бөлінген талшықты-оптикалық өлшеу түрлендіргішін (ӨТ) жасауға көмектесседі.

Көптеген жағдайларда физикалық құбылыстар мен шамалардың практикалық мониторинг үрдісі кеңістіктің нақты нүктелерінде сол немесе басқа параметр мәндерін өлшеу қажеттілігімен байланысты. Мұндай «нүктелік» өлшеулер датчиктерді кең жинағын қолданумен жүргізілуі мүмкін. Алайда, бұл ақпараттық-өлшеу желісі негізінде жасау жағдайында деректерді берудің ақпараттық каналдарын көп мөлшерде ұйымдастыруды талап етеді.

Талшықты-оптикалық түрлендіргіштердің сезімтал элементі (СЭ) кез келген ұзындықта орындалатындықтан, бұл түрлендіргіштердің өте жаңа түрлері – бөлінгендерді құруға көмектеседі. Бөлінген талшықты-оптикалық түрлендіргіштердің әрекет ету қағидасы өлшеу талшықты жарық өткізгіштің орналасу траекториясы бойымен үздіксіз жүргізілетіндігіне негізделген. Бұл бөлінетін талшықты-оптикалық ӨТ шоғырланғандардан принципиалдық айырмашылығы оларды жасауға жаңа технологиялық тәсілдерді талап етеді. Сонымен қатар бөлінген талшықты-оптикалық түрлендіргіштерде ВС ұзындығы бойынша физикалық өрістердің параметрлерін өлшеу нәтижелерін бөлуді жүргізуге көмектесетін арнайы тіркеуші техника қолданылуы тиіс.

Осылайша, жоғарыда аталған проблемалардың ойдағыдай шешу үшін бөлінген талшықты-оптикалық өлшеу жүйелерінің (БТОӨЖ) құрамына кіретін бөлінген ӨТ сезімтал элементтерін жасаудың физикалық қағидаларды әзірлеу мен эксперименталдық зерттеу өзекті болып табылады.

 Талшықты-оптикалық ӨТ  сезімтал элементтерін жіктеу  негізіне сыртқы физикалық әсер  кезінде ВС сәуле шығарудың  оптикалық параметрлерін моляциялау  әдісіндегі айырмашылықты қою  анағұрлым мақсатқа сай.

Жарық өткізгіш толқынды төрт параметрмен сипаттауға болады: қарқындылықпен, поляризациямен, фаза және толқын ұзындығымен, олар физикалық шаманың ВС әсер етуімен өзгереді. Сондықтан ӨТ шартты түрде төртке бөлуге болады: амплитудалық, фазалық, поляризациялық және спектрлік.

Барлық теріс факторлардың ВС сәуле шығарудың спктрлік құрамының өзгеруіне әсер етуін алып тастау қажеттілігі, оны тіркеудің талап етілген жоғары дәлдігі жиілікті әдістерді қолдануды қиындатады. Спектрлік типтегі ӨТ тіркеу мен өңдеу үшін күрделі және қымбат жабдықты талап етеді, сондықтан қазіргі уақытта сыртқы физикалық әсер етуде оптикалық талшықта жарықтың амплитудалық, фазалық және поляризациялық моляциялауды қолданатын әдістер анағұрлым дамуға ие болды.

ВС сәуле шығарудың амплитудалық модуляциясының қағидаларын қолдану физикалық әсерлерді өлшеу үшін анағұрлым перспективті, өйткені жарық қарқындылығын өзгертуге негізделген детекторлау әдістері іске асыру қарапайымдылығымен ерекшеленеді. Сәуле шығарудың амплитудалық модуляциясы оптикалық дабылды ары қарай өңдеу үшін анағұрлым ыңғайлы. Амплитудалық модуляциясы бар сызбалардың көбісі бір үлгілі ВС пен когеренттік сәуле шығаруды қолдануды талап етпейді, бірақ олардың кейбіреулері поляризациялық жарық өткізгішпен жұмыс істеу кезінде ғана іске асырылады. Амплитудалық модуляция сызбалары сәуле шығару көзіне де, қабылдағышқа да қатал талаптар қоймайды, ал шығу дабылы қосымша өңдеуді қажет етпейді.

Физикалы шамалардың амплитудалық талшықты-оптикалық өлшеу түрлендіргішін жасау үшін келесі себептер қолданылуы мүмкін: ВС-қа детерминделген шығындарды енгізу; жарық өткізгіш шекаралардан толық ішкі сәуле шығару жағдайының бұзылуы.

Сәуле шығару-өткізгіш типті сезімтал элементін қолданушы өлшемдер әдістері сәуле шығару көзі мен қабылдағышы арасындағы каналдың оптикалық өткізудің өзгеруіне негізделген, оптикалық канал түзетін біртекті материалдың қасиеттерінің өзгеруі арқылы ғана емес, оған каналдың көлденең қиығын, сосын оны өткізуді азайтатын басқа текті элементтерді (шторкаларды, диафрагмаларды, торларды) енгізу кезінде қол жеткізіледі. Мұндай ӨТ құрылымдарын сәуле шығарушы және қабылдаушы ВС бүйірлерінің орналасуының әртүрлі конфигурациясы қолданылады. Инерциялық қасиеттер арқылы бір бүйірдің басқасына қатысты орналастыру амплитудалық модуляциясы бар қарапайым ӨТ құруға көмектеседі. Алайда, оптикалық қуатты көп шығындамай ВС арасында ауа тесігі арқылы оптикалық байланысты жасау күрделілігі, сонымен қатар әр кез өлшеулер алдында жұмыс жағдайын орнату қажеттілігі БТОӨЖ-де мұндай ӨТ қолдануды қиындатады.

Ұзын ВС шекараларынан толық ішкі кескіннің бұзылуына негізделген өлшеу әдістері жақсы желілікке ие, көп үлілі жарық өткізгіштерді қолдануға рұқсат береді, бұл көбінесе оларды іске асырудың қарапайымдылығын қамтамасыз етеді. Мысалы, микроиілген модуляциясы бар ӨТ-тесыну көрсеткішінің сатылы өзгеруі бар көп үлгілі ВС қолданылды. Алайда,ВС деформациялау үшін күрделі механикалық жүйелерді қолдану және олардағы иілістің біркелкісіздігі көбінесе жарық өткізгіштің сынуына әкеледі. Бұл БТОӨЖ-де осы құрылғыларды қолдануды шектейді.

Толқын арнасының басқару байланысынқолданатын өлшеу әдістері жоғары сезімталдылыққа ие. Механикалық жүйенің жоқтығы оларды толық ішкі көрініс шарттарын бұзылуын қолданатын әдістерден тиімді ерекшелейді. Алайда, қарастырып отырған әдісті іске асыруға қажетті толқын арналы құрылымдарды дайындау технологиясы өте күрделі. БТОӨЖ тиімді жұмысы үшін қажетті бірдей метрологиялық сипаттамалары бар түрлендіргіштерді алу шарты орындауға қиын.

Осылайша, ВС-та сәуле шығарудың амплтудалық модуляциясын қолданатын физикалық шамалардың өлшеу түрлендіргіштерінің күптүрлілігі, БТОӨЖ-де олардың бірігуі бар кемшіліктер күшінде қиындайды.

Сонымен қатар амплитудалық модуляцияны қолданатын әдіс сезімталдылығы бойынша ВС-та сәуле шығарудың поляризациялық және фазалық модуляциясын қолданатын әдіске жол беретіндігін байқауға болады. Сонымен бірге ВС бойынша өту кезінде бағытталған сәуле шығаруды поляризациялау жағдайы талшықтың меншікті анизотропиясы салдарынан өзгере алады, сондай-ақ физикалық өрістер қатарының әсері нәтижесінде де. ВС-та сәуле шығарудың мұндай индукцияланған поляризациялау модуляциясы жарық өткізгішке сыртқы әсерді тіркеу үшін қолданылуы мүмкін. ВС-та қосымша қос сәуленің сынуы механикалық кернеудің туындауы мен талшықтың геометриялық формасының өзгеруі нәтижесінде деформациялық әсер ету кезінде жеңіл қол жеткізілетіндігі анық. Алайда, бұл әдістер поляризаторлардың әртүрлі түрлері негізінде орындалатын тиісті сызбаларды талап етеді. Бұл элементтер бастапқы ақпаратты алу орнында белгіленуі тиіс, бұл сәуле шығарудың болжалды деполяризациясымен немесе қосымша қос сәуле сынумен байланысты, ол ақпараттық дабылды беру үшін БТОӨЖ-де қолданылатын ұзын жарық өткізгішті енгізуі мүмкін. Жарық сәулесі бойынша тізбектей орналасқан айқастырылған поляризатор мен анализаторды пайдалану тіркеу қуатын екі ретке азайта отыра, өлшеу жүйесінде айтарлықтай шығындар туғызады, ол өз кезегінде поляризациялық әдістердің динамикалық диапазонын азайтуға әкеледі.

ЧЭ ретінде ВС пайдаланумен физикалық шамаларды қолданудың анағұрлым сезімтал әдістері ВС бойынша таралатын электромагниттік толқын фазасының өзгеруін тіркеуге негізделген әдіс болып табылады. Жалпы жағдайда фазасы бойынша үлгіленген жарық өткізгіштегі оптикалық дабылды қалыптастыру сынудың тиімді көрсеткішінің өзгерімен және ВС ұзындығымен шарттасады. Өз кезегінде сынудың тиімді көрсеткішінің мәні өзегі мен сыртының сыну көрсеткіштерінің айырмашылығына тәуелді. ВС соңғы екі параметрлерінің өзгеруі механикалық кернеулердің туындауы мен талшықтың геометриялық формасының өзгеруі салдарынан жарық өткізгішті деформациялау кезінде байқалады.

Оптикалық интерферометрияның қазіргі техникасы 1(Т8 рад дейін ауытқулар фазасының өзгеруін тіркеуге көмектеседі. Өйткені микрометр толқын ұзындығы бар оптикалық дабылдар қолданылады, ол ВС-та сәуле шығару жолының оптикалық ұзындығының сәл өзгеруін тіркеуге көмектеседі. Сондықтан көптеген жағдайларда ВС-та сәуле шығарулың фазалық модуляциясын қолданатын әдістер аз әсер етулерді тіркеу үшін, мысалы, гидростатикалық және акустикалық қысымның өзгеруі міндеттерінде қолданылады. Талшықты-оптикалық интерферометрлер негізінде пацдалану шарттарына және тіркелген әсер етуге қойылатын ең түрлі талаптарына жауап беретін жоғары сезімтал ӨТ жасауға болады. Сонымен қатар температура, қысым сияқты сыртқы шарттардың өзгеруі жарық сәуле өткізгіш фазасының айтарлықтай өзгеруіне әкелуі мүмкін екендігін есте сақтау қажет, бұл дабылды тұрақтандыру проблемаларын шешуді талап етеді.

Вс-та фазалық өзгерістерді тіркеу үшін белгілі интерферометриялық сызбалардың бірін қолданады: Маха-Цендер, Майкельсон, Фабри-Перо, Саньяк және басқаларының.

Маха-Цендердің талшықты интерферометр екі жарық иінін білдіреді, олардың біреуі тіректі, ал басқасы — сыртқы әсерге ұшырайтын дабылдық. Интерферометриялық өзгерістер үшін дабылдық талшықтан сәуле шығару әсер етуден оқшауланған тіректі талшық арқылы өткен жарық сәулесімен салыстырылады. Жұмыста ұсынылған өлшеу түрлендіргішінің ЧЭ құрылымы екі талшық арасында ілінген жүк немесе бір талшыққа ілінген жүктен тұратын қарапайым осциллятор түрінде орындалған.

ӨТ анағұрлым жоғары сезімталдылығы катушкалы типті құрылымды пайдалану кезінде қол жеткізідеді, әсер етуімен туындаған серіппелі резеңке цилиндрдің геометриялық өлшемдерінің өзгеруі оған көзделген интерферометрге беріледі. Алайда, Маха-Цендердің интерферометриялық сызбаны қолданатын сыртқы физикалық әсерлерді тіркеу әдістері қоршаған ортаның қажетсіз әсеріне жоғары паразиттік сезімталдылықты жою үшін тіректі каналдың жақсы изоляциясын талап ететін оптикалық сызба құрылымының күрделілігі салдарынан іске асыруға өте қиын.

Интерферометриялық ӨТ сызбасы екі талшықты иіннен тұруы міндетті емес, олардың әрқайсысы бойынша бір үлгі таралады. Интерферометр Фабри-Пероның талшықты-оптикалық интерферометрі (ФПТОИ) негізінде құрылуы мүмкін. Бұл интерферометр жоғарыда аталған сызбалар сияқты жоғары сезімталдылыққа ие, бірақ құрылымдық тұрғысынан қарапайым, фазалық модуляция дабылы оның шығуында амплитуда бойымен оптикалық дабылды тікелей түрлендіреді, ол қосымша өңдеу мен фильтрацияны талап етпейді. ФПТОИ шығыс дабылдарының спектрлік мультепликсирлеуді жүзеге асыруға көмектеседі, бұл бір оптикалық канал бойынша бірнеше ӨТ-ден ақпаратты бір мезгілде беруге көмектеседі. ФПТОИ құрылымдық тұрғысынан жеке оптикалық бөлшектерден құруға болатындығын, тіпті жарық толқынының дифракциясын төмендету үшін жартылай ашық айна жабынының белгілі қисықтығын беруге болатындығын атап өткен жөн. Алайда, бұл әдіс құрылымның күрделілігінде БТОӨЖ жасауға келмейді. Сондықтан ФПТОИ көріністің жоғары коэффициенті бар жартылай ашық айна жабынының бір үлгілі ВС тікелей тозаңдату өлшеу жүйелерін жасау үшін анағұрлым технологиялы және ыңғайды болады. Қазіргі уақытта айналарды тозаңдау технологиясы негізінде лазердің жиілігін тұрақтандыру үшін жүйелер,  оптикалық приборлар спектрінің анализаторлары т.б. жасалды. Жұмыста Фабри-Перо интерферометрін ӨТ температурасы және қысымы ретінде пайдалану мүмкіндігі қарастырылған.