Оптикалық датчик

1.Кіріспе

    Өндірістік қызметтің сенсоризациясы, яғни адамның сезім мүшелерін датчикке ауыстыру үшінші өндірістік революцияға жатады.Оның біріншісі – машина-энергетикалық, ал екіншісі – ақпаратты-компьютерлі революция. Датчикке деген қажеттілік күннен-күнге артып келеді.Бұл бақылау мен басқарудың автоматтанған жүйеге көшуіне, жаңа технологиялық процестің енуіне, жалпы өндірісті автоматтандыруға байланысты. Жоғары метрологиялық мінездемелерінен басқа датчиктер жоғары сенімділігімен, ұзақ уақытқа жарамдылығымен, тұрақтылығымен, аз габариттілігімен, аз энергия тұтылуымен сипатталады.Бұндай талаптарға талшықты-оптикалық датчиктер толықтай жауап береді. Бұл датчиктер оптикалық сәулеленуді электрлік сигналға түрлендіруге негізделген. Қабылданатын оптикалық сәулеленудің интенсивтілігіне және толқын ұзындығына байланысты бұл датчиктердің көмегімен жарықтың жарықтылығын, заттардың температурасын, оптикалық сәулеленудің спектрлік құрылымын және т.б. шамаларды тіркеуге болады.                          
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Талшықты-оптикалық  датчиктердің пайда болу тарихы

    Талшықты-оптика негізіндегі датчиктерді жасауда алғашқы талпыныстар 1970 жылдан басталады.Бірақ бұл датчиктердің техникалық бағытта қалыптасуы 1980 жылдан басталады.Сондықтан «талшықты-оптикалық датчик» термині осы уақытта ғылымға енгізілді. Яғни талшықты-оптикалық датчик техниканың жаңа ,қарқынды дамып келе жатқан саласы.

1950 жылдардағы электронды өлшеулермен  1980 жылдардағы электронды айырмашылығы  өте зор. Бұнын себебі көптеген  өлшеу құралдарындарында  сандық  техникалар ендірілген. Қарапайым  өлшеу құралдарында датчик электр  шаманы (ток және кернеу) өлшеу  кезінде маңызды рөлге ие болмайды, себебі мұндай өлшеуіш құралдарда  шығу құрылғысы ретінде индикатор  алынады. Сонымен қатар осындай  құралдарды кез-келген өлшеу жүйесінде  пайдаланғанда шыққан сигналды  әртүрлі электронды схемамен  өңдеу қажеттілігі туады. Ал  өлшеу техникасында  сандық сигнал  датчиктің  сезімтал элементіне  түседі.

    Деректерді өңдеу процесінде сандық техниканы қолданудың негізгі артықшылығы – өлшеуді жоғары деңгейде өткізу. Мұндай операцияларға шуды жою, ортақ шамалау, сызықты емес өңдеу, интегралды өрнектеу және т.с.с. жатады.

Сонымен қатар датчиктің сезімтал элементіндегі  функционалды  жүктеме азаяды және элемент сипаттамасына қойылатын  талаптар төмендейді. Бұдан басқа  сандық өңдеудің арқасында өте аз шамаларды өлшеуге мүмкіндік  береді. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Оптоэлектрониканың  қалыптасуы 

    Оптоэлектроника – бұл оптика мен электроника түйісіндегі ғылым мен техниканың жаңа бағыты. Оптоэлектрониканың қалыптасуы 1955 жылдан басталады.Бұл кезде Е.Лоебнер әртүрлі оптоэлектронды құрылғылардың потенциалды параметрлерін сипаттады, яғни оптикалық және электронды құрылғылардың  сипатттамаларын оптрондарды сипаттады.

1960 жылдардың басында лазердің пайда  болуы оптоэлектрониканың одан  әрі дамуына ықпал етті. Бұл  лазер газ қоспасы ретінде  жасалған, яғни гелии мен неонның  қоспасы.

Оптоэлектрониканың  дамуындағы маңызды кезең оптикалық  талшықтың пайда болуы.

1-суретте  әртүрлі оптикалық талшықтардың  жылдар аралығында берiлудiң ең  төменгi жоғалтуларын төмендету  кестесі  көрсетiлген.

1-сурет  Оптикалық талшықтардың әр түрлi түрлерi үшiн берiлудiң ең төменгi жоғалтуларын төмендету 
 
 

4.Оптикалық  талшықтар

    Оптикалық талшықтар екі типті болуы мүмкін: бір модалы – бір мод таралады (берілген электромагниттік өрістің таралу типі), көп модалы – көптеген  (бірнеше жүз)  моданың таралуы. Құрылысы жағынан бұл талшықтар сәйкес бөліктегі өзекшенің диаметрімен ерекшеленеді. Ал бөлік ішіндегі сыну коеффициенті қабықшаға қарағанда біршама көп болады (2 сурет).

2 сурет  Бір модалы (а) және  көп модалы (б) оптикалық талшықтар 

    Техникада бір модалы және көп модалы оптикалық талшықтар қолданады. Көп модалы талшықтар үлкен диаметрге (50мкм) ие, бұл олардың бір-бірімен жақсы жалғануын қамтамасыз етеді. Әрбір модада топтық жарық жылдамдығы әр түрлі болғандықтан, жіңішке жарық импульсін жібергенде оның дисперсиясы ұлғаяды.Ал бір модалы талшықтарда артықшылығы мен кемшілігі алмасып отырады: дисперсия төмендегенімен өзекше диаметрі кіші болады (5....10 мкм).

Осынын  салдарынан бір модалы оптикалық  талшықтар ақпаратты жоғары жылдамдықпен тасымалдайтын байланыс жүйелерінде  қолданылады. Көп  модалы оптикалық  талшықтар ақпаратты салыстырмалы түрде төменгі жылдамдықпен тасымалдайтын  байланыс жүйелерінде қолданады.Когерентті талшықты-оптикалық байланыс жүйесінде  тек қана бір модалы талшықтар  қолданылады. 
 
 
 
 
 

Датчиктердің  құрылым элементі ретінде оптикалық  талшықтардың қасиеттері:

• Жуанжолақты (бірнеше терагерц)
• Аз шығын (min 0,154 дБ/км)
• Минималды  диаметр (125мкм)
• Минималды масса (30 г)
• Иілгіштігі (радиустың min иілгіштігі 2ММ)
• Механикмлық беріктілігі (7 кг жүктемеге шыдайды)
• Өзара интерференцияның жоқтығы
• Индукциясыз
• Жарылуға қарсы
• Жоғары электроизоляциялық беріктілік
• Коррозияға төзімділік,  әсіресе химиялық еріткіштерде,майда,суда

5.Талшықты-оптикалық  датчиктің классификациясы  және оларды қолдану  аймағы

    Соңғы үлгідегі талшықты-оптикалық датчиктер барлығын өлшеуге мүмкіндік береді.Мысала, қысым, температура,ара қашықтықты, кеңістіктегі орнын, айналу жылдамдығын, сызықтық орын ауыстырудың жылдамдығын, үдеуді, тербелісті, массаны, көлемді, деформацияны, сыну көрсеткішін, электрлік өрісті, магнит өрісін, газдың концентрациясын, радиациялық сәулеленудің көлемін.

Талшықты-оптикалық  датчикте оптикалық талшықты қолдануға  байланысты екіге бөлуге болады:

1. Оптикалық талшықтар-жіберу желісі ретінде
2. Оптикалық талшықтар- датчикте сезгіш элнмент ретінде

Байланыс  жүйесіндегі датчиктерде  бір  модалы оптикалық талшықтар қолданылады, ал сенсорлы датчиктерде көп модалы оптикалық датчиктер қолданылады.      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Жіберу  желісі ретінде талшықты-оптикалық датчиктер

Фарадей эффектісі

    Көлденең магнитооптикалық эффект жарық сәулесінің поляризация жазықтығында айналуына негізделген.Бұл эффект 1846 жылы ашылды.Көптеген жылдар бойы магнитооптикалық эффект фихикалық аспект ретінде қарастырылса, қазіргі таңда ол тәжірибиеде де оң нәтижелерді беріп жүр. Магнитооптикалық эффектілердің түрлері өте көп. Солардың ішінде физикада, оптикада, электроникада кеңінен қолданатыны Фарадей эффектісі.Фарадей эффектісі арқылы:

• Заряд тасушылардың эффективті массасын немесе жартылай өткізгіш ішіндегі тығыздығын анықтауға болады
• Оптикалық байланыс жүйесіне арналған лазерлі сәулеленудің амплитудалық модуляциясы және заряд тасушылардың жартылай өткізгіш ішінде өмір сүру уақытын
• Өзара байланыспаған оптикалық элементтерді даярлау
• Ферромагниттi  қабыршақтардағы домендерді көру
• Магнитооптикалық жазу

Сұлба жарық көзінен, поляризатордан, анализатордан  және фотоқабылдағыштан тұрады.Поляризатор  мен анализатор арасына зерттелетін  зат орналастырылады.  Поляризация  жазықтығының бұрылу бұрышы магниттiк  өрiс қосылған күйiнде жарықтың толық  сөндiруiн қалпына келтiруге дейiн  анализатордың бұрылу бұрышы бойынша  санайды.

Өткен шоғырдың интенсивтілігі Малюс заңы бойынша анықталады. 

Жарық шоғырының модуляциясына арналған Фарадей эффектісі осыған негізделген.Поляризация  жазықтығының бұрылу бұрышының өзгеруінен шығатын негізгі заң 

Мұндағы -магнит өрісінің кернеулігі, - заттың ұзындығы, -Верде тұрақтысы,ол заттың қасиеті туралы ақпаратты беруі мүмкін және ортаның микроскопиялық параметрлері арқылы көрсетілуі  мүмкін.

Магнитооптикалық  Фарадей эффектісінің негізгі ерекшелігі оның өзара әрекеттеспуінде, яғни жарық  шоғырының қайтымдылық принципінің  бұзылуы.Тәжірибие көрсеткендей жарық  шоғырының кері өзгеру бағыты алдына қарай бұрылу бағытымен сәйкес келетінін  көрсетеді. Сондықтан шоғыр поляризатор  мен анализатор арасынан бірнеше  рет өткенде эффект жинақталады. Магнит өрісінің қарама-қарсы бағытталуы, айналу бағытын кері өзгертеді.Осындай  қасиеттер «гиротропты орта»  түсінігіне біріктіріледі. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Поккельс  эффектісі 

    Кернеуді Керра және Поккельс электрооптикалық эффектісімен өлшеу жарық поляризациясының екі сәулелі сынуына негізделген.Және  ол электр өрісінде таралып,өлшенетін кернеумен пайда болады.

Сызықтық  электрооптикалық  Поккельс эффектісі  электр өрісінде орналасқан пьезоэлектрлік кристалдарда байқалады.Электр өрісінің  кернеулік векторының бағытына байланысты көлденең және бойлық Поккельс эффектісі пайда болады.Бойлық эффект көбінесе аммонидің дигидрофосфатының кристалында  NH₄H₂PO₄ немесе калий гидрофосфатында KH₂PO₄ айқын байқалады.Ал көлденең эффект литий ниобат кристалында LiNbO₃ айқын байқалады және ол электрооптикалық жарық модуляторларында қолданылады.

Поккельс  түрлендіргішінің шығысындағы жарық  интенсивтілігі келесі формуламен анықталады. 

Мұндағы, - кристалдың электрооптикалық коэффициенті; - электр өрісі болмаған жағдайдағы сыну көрсеткіші; - толқын ұзындығы; Е – электр өрісінің кернеулігі; - Поккельс түрлендіргішінің эффективті диаметрі. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Талшықты  – оптикалық датчиктердің сұлбасы 
 

Өтетін  типті талшықты – оптикалық датчик 
 

Антена  типті талшықты – оптикалық датчик 

Шағылыстыратын  типті талшықты – оптикалық датчик  

Сезгіш  элемент ретінде талшықты – оптикалық  датчиктер

Саньяк  эффектісі

    Оптикалық гироскоптың жұмыс істеу принціпі Саньяк эффектісіне негізделген. 4 Суретте көрсетілгендей дөңгелек оптикалық жол арқылы ыдырату сулесінің әсерінен жарық қарама-қарсы бағытта таралады.Егер жүйе инерциялық кеңістікке қатысты тыныштықта тұрса, жарық сәулесі бірдей ұзындықтағы оптикалық жолмен қарама – қарасы бағытта таралады. Сондықтан ыдыратушыда сәулелерді қосқанда, жолдың аяқталғанына қарамастан фазалық бұрылу болмайды. Алайда оптикалық жүйе инерциялық кеңістікте  W  жылдамдықпен айналса, жарық толқындарының арасында фазалар айырымы байқалады.Осы құбылысты Саньяк эффектісі деп атайды. 

4 Сурет  Саньяк эффектісінің пайда болу принціпі 

Доплер  Эффектісі

    Доплер эффектісі  сәуле таратқыштың  жиілік тербелісінің өзгеруіне негізделген.Ол қабылдағышта қабылданып жиілік қозғалысының жылдамдығына тәуелді болады.Жиіліктің өзгерісі Доплер ығысуы деп аталады.Доплер эффектісі кез келген толқын үшін байқалады. Мысалы, акустикалық, электромагниттік және т.с.с. Электромагниттік толқын үшін Доплер эффектісі арқылы тербеліс көзінің жиілігін анықтауға болады. Доплер эффектісі көмегімен көптеген құбылыстарды түсіндіруге болады. Солардың ішінде аспан денелерінің айналуын, жердегі әртүрлі объектердің жылдамдығын өлшеу, лазерлі және радиолокациялық өлшеу әдістері.   

Магнитострикция

    Магнитострикция (лат. – сығылу) – магниттелу кезінде заттың формасы мен өлшемін өзгерту.Бұл құбылыс күшті магниттелетін ферромагнетиктерге және аз магниттелетін парамагнетиктер мен диамагнетиктерге тән. Магнитострикция магнитті материалдарды магнит өрісіне енгізген уақыттта оның сызықты өлшемдерінің өзгеру қасиеті және магнит денелерінің өзара әрекеттесуі. Яғни магнитострикцияны зерттеу өзара әрекеттесудің табиғатын түсіндіруге негізделген.Магнитті материалдарды қолданғанда ерекше қасиеттердің бірі магнитострикция қасиеті. Ферромагнитті материалдарға сырттан магнит өрісі туғызғанда сызықты өлшемдерінің өзгеруі байқалады.Магнит өрісіндегі магнитті материалдардың сызықтық өлшемдерінің өзгерісін оларды сыртқы күштердің әсерінен болатын механикалық деформациямен салыстыруға болады.Механикалық деформация кезінде атомдардың арақашықтығы өзгереді, қорытындысында атомдардың электрондық қабаттары бір-бірін жабады. Бұл магниттік анизотропия энергиясының өзгерісіне әкеліп соғады.Сондықтан магнитті материалдардың мгниттелу бағытын өзгертетін болсақ, онда сол оның кристалдық торын деформацияға ұшыратады. 

Егер  алмасу энергиясы изотропты болса, кристалдың магниттелуі кристолографиялық  осіне тәуелсіз болса, онда пайда  болған магнитострикция да изотропты  болады. Бұл магнитострикцияны алмасу немесе паропроцестің магнитострикциясы  деп атайды. Магнитті материалдарда  кездесетін алмасу магнитострикциясының шамасы үлкен мәнге ие болмайды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6.Қорытынды    

    Қорыта айтқанда, талшықты – оптикалық датчиктердің негізгі элементтеріне: оптикалық талшықтар, жарық шығаратын және жарықты қабылдайтын құрылғылар, оптикалық сезгіш элементтер жатады. Сонымен қатар арнайы жолақтар осы элементтерді жалғау үшін, өлшеу жүйесінін датчикпен біріктіру үшін қажет.

Талшықты  – оптикалық датчиктер техникада, медицинада, өнеркәсіпе кеңінен қолданылады. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7.Қолданылған әдебиет тізімі  

1) Г.Виглеб, Датчики,Москва 1989

2) Т.Окоси, Волоконно-оптические датчики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Мазмұны

1. Кіріспе........................................................................................................1
2. Талшықты-оптикалық  датчиктердің пайда болу тарихы                      2
3. Оптоэлектрониканың қалыптасуы...........................................................3
4. Оптикалық талшықтар..............................................................................4
5. Талшықты-оптикалық датчиктің классификациясы және оларды қолдану аймағы..........................................................................................6
6. .Қорытынды..............................................................................................17

Қолданылған әдебиет тізімі....................................................................