Датчиктердің түрлері, құрылысы, қолдану аясы

Жоспар

1. Кіріспе

2. Талшықты-оптикалық датчиктердің пайда болу тарихы

3. Оптоэлектрониканың қалыптасуы

4. Оптикалық талшықтар

5. Талшықты-оптикалық датчиктің классификациясы және оларды қолдану аймағы

Фарадей эффектісі

Поккельс эффектісі

Саньяк эффектісі

Магнитострикция

6. Қорытынды

7. Қолданылған әдебиет тізімі

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.

$$I = I\cos\alpha$$

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

$$\alpha = vHl$$

Мұндағы $H$ -магнит өрісінің кернеулігі, $l$ - заттың ұзындығы, $v$ -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 NH ₄ H ₂ PO ₄ немесе калий гидрофосфатында KH ₂ PO ₄ айқын байқалады. Ал көлденең эффект литий ниобат кристалында LiNbO ₃ айқын байқалады және ол электрооптикалық жарық модуляторларында қолданылады.

Поккельс түрлендіргішінің шығысындағы жарық интенсивтілігі келесі формуламен анықталады.

$J = J\sin{}(\frac{\pi r\ n\ l\ E}{\tau}) = J\sin{}(\frac{\pi r\ n\ U}{\tau})$

Мұндағы, $r$ - кристалдың электрооптикалық коэффициенті; $\pi$ - электр өрісі болмаған жағдайдағы сыну көрсеткіші; $\tau$ - толқын ұзындығы; Е - электр өрісінің кернеулігі; $l$ - 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

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс