Автоматизация производства, повышение требований к качеству выпускаемой продукции, применение автоматизированных систем управления - все это предъявляет достаточно высокие требования к контрольно-измерительным средствам.
Измерение малых линейных перемещений является одной из важнейших задач экспериментальных исследований в различных областях науки и техники. Их контроль является важным элементом правильного функционирования большого числа разнообразных машин, станков. Областью применения данного вида измерений являются контроль деформации, точность механической обработки, контроль деталей с малой поверхностной прочностью, точное позиционирование. В то же время такие величины, как сила, давление, ускорение, температура измеряются с помощью их преобразования в малые перемещения, которые они вызывают в образцах.
Для измерения малых длин (от 1,5 до 100 мкм) существует большое количество методов, основанных на различных физических принципах, например, емкостные, индуктивные, вихретоковые и другие. Однако у данных методов есть существенный недостаток - все они подвержены воздействию электромагнитных помех. Хорошей альтернативой являются оптические методы измерения малых перемещений. Однако применение классических оптических методов затрудняет их сложность и дороговизна.
С появлением оптических кабельных систем связи и лазерных технологий появилась возможность создавать измерительные системы, основанные на применении оптоволокна, фотодетекторов и цифровых технологий. Волоконно-оптические датчики имеют следующие преимущества:
- нечувствительность к внешним электромагнитным полям;
- практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель;
- малая масса и габаритные размеры;
- полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи;
- отсутствие коротких замыканий.
Целью данной работы является создание опытного образца, реализующего измерение малых длин на базе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо и изучение его характеристик.
В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:
- определение структурной схемы устройства;
- выбор источника и приемника оптического излучения, среды распространения света (оптоволокна);
- выбор схемы фотодетектора;
- конструирование образца устройства;
- наладка и испытание образца устройства.
Первая глава данной работы раскрывает понятие длины как физической величины, определяет понятие малых длин, а также описывает преимущества волоконно-оптических датчиков и поясняет принцип действия интерферометра Фабри-Перо.
Вторая глава посвящена описанию компонентов системы, таких как источники оптического излучения, приемники и собственно оптоволокно.
В третьей главе осуществляется составление структурной схемы устройства, ее описание, выбор компонентов устройства и схемы фотодетектора, а также анализ полученных результатов испытаний опытного образца.
Четвертая глава дает технико-экономическое обоснование работы с целью определения и анализа трудовых и денежных затрат, направленных на реализацию проекта.
В пятой главе рассматривается описание рабочей зоны предназначенной для выполнения ВКР: требования к организации рабочих мест, возможным выбросам, а также правовые вопросы обеспечения охраны труда и пожарной безопасности.
В ходе проделанной работы была построена структурная схема устройства, реализующего измерение малых длин на базе волоконнооптического интерферометра Фабри-Перо. Для определения необходимых компонентов был проведен обзор существующих источников и приемников оптического излучения, видов оптического волокна, волоконно-оптических разветвителей, соединителей, коннекторов и видов полировки торца оптоволокна.
В соответствии с поставленной целью, в качестве источника оптического излучения был выбран лазерный источник Grandway FHS1D02, в качестве приемника - германиевый фотодиод ФД-3А. В качестве среды распространения света было выбрано одномодовое волокно и два типа сплавных разветвителя с коэффициентами деления 50/50 и 5/95. Каждая часть волокна оконцована соединителем FC-типа. Чтобы обеспечить возможность изменения конструкции устройства, было сделано разъемное соединение оптоволокна при помощи адаптера D-типа для их быстрого соединения и разъединения между собой. Торец волокна имеет тип полировки UPC. Кроме этого был сделан выбор схемы фотодетектора, которая в дальнейшем была оптимизирована для ее корректной работы. Также была сконструирована механическая часть передвижения зеркала (механической подсистемы), в которой передвижение зеркала происходило посредством поворота винта на определенный градус.
Был собран опытный образец устройства и проведены первичные испытания. В результате были получены зависимости изменения интенсивности излучения от величины смещения зеркала. Установлено, что диапазон измерения составляет от 0 до 0,3 мм. Погрешность измерения 50 мкм. Установлено, что основным влияющим фактором на результат измерения является угловая расходимость света за счет перемещения. Влияние сдвига интерференционных полос на результат измерения фиксируется только как отклонение.
