Көшкінбаев сәулетбек жолдықараұлы технологиялық процестерді бақылауға арналған талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің функционалдығын зерттеу және модельдеу
ОПТИКАЛЫҚ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ДАТЧИКТІҢ ЭЛЕМЕНТТЕРІ МЕН ҚҰРЫЛЫМДАРЫНЫҢ МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬДЕРІН ЖАСАУ
жүктеу/скачать 6,91 Mb.
|
koshkynbaev-s-zh-phd-s-sp
| 4 ОПТИКАЛЫҚ КӨПФУНКЦИОНАЛДЫ ДАТЧИКТІҢ ЭЛЕМЕНТТЕРІ МЕН ҚҰРЫЛЫМДАРЫНЫҢ МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬДЕРІН ЖАСАУ
4.1 Брэгг талшықты-оптикалық торларын импульстік механикалық әсер ету датчигі ретінде қолдану Талшықты-оптикалық Брэгг торлары (ТБТ) байланыс жүйелерінде де, температура датчиктері мен нысандардың деформациясы ретінде де кеңінен қолданылады. Сондықтан көптеген ғылыми жұмыстар ТБТ-ның қасиеттерін зерттеуге арналған. ТБТ жұмысының негізгі принциптері, атап айтқанда, әдебиеттерге шолуларда [1-3], мүмкін қолдану салалары [2-7], өндіріс технологиясы [1-4] әдебиеттерде жалпыланған. Чирпирленген ТБТ қасиеттері және оларды қолдану бойынша жұмыстарға шолу [8] әдебиетте қарастырылған. ТБТ созылу кезінде сәулелену шағылысының λB резонанстық толқын ұзындығының ұлғаятыны белгілі, бұл ТБТ периодының, сыну көрсеткішінің және жарық өткізгіш өзегінің диаметрінің өзгеруіне байланысты болып келеді. Стандартты талшықты жарық өткізгіште (9/125 мкм, G 652 стандарты) жасалған ТБТ үшін тұрақты температурада 1550 нм сәулеленудің толқын ұзындығына жақын [1]: (4.1) мұндағы ΔλB – ТБТ-ның созылуы кезінде шағылысқан сәулеленудің спектрлік тығыздығының максимумының толқын ұзындығының өзгеруі, ε – ТБТ салыстырмалы ұзаруы, kBE – пропорционалдылық коэффициенті шамамен 1,21·103 нм шамаға тең (12,1 нм/% немесе 1,21·10-3 нм/µε) қорғаныс қабығы жоқ ТБТ-сы бар жарық өткізгіш үшін [1]. ΔλB шамасының өзгеруімен оның салыстырмалы ұзартуды өлшеу мүмкіндігі ТБТ-ны ұзарту және механикалық кернеу сенсоры ретінде пайдалануға мүмкіндік береді [1-4]. Алайда, осы типтегі барлық өлшемдерді стационарлық созылу немесе ТБТ-ны қысу кезіндегі өлшемдер ретінде қарастыруға болады: өлшеу кезінде ТБТ параметрлері өзгермейді, бірақ ТБТ өзі бүкіл ұзындығы бойынша біркелкі деформацияланады (созылады). Әсер ету орнынан белгілі бір қашықтықта орналасқан ТБТ-сы бар талшықты жарық өткізгіштің импульстік созылуымен тікелей ТБТ созылуы кідіріспен жүреді, ал қысқа созылу немесе қысу импульсімен, сонымен қатар, ТБТ құрылымын кеңістіктік біртекті деп санауға болмайды. Әдебиетте импульстік механикалық әсер ету кезінде ТБТ негізіндегі датчиктердің жұмысы іс жүзінде қарастырылмаған. Бұл тараудағы жұмыс ТБТ қасиеттерін зерттеуге және оларды импульстік механикалық әсер ету жағдайында қолдануға арналған. Жалпы принциптер ТБТ параметрлерінің баяу өзгеруімен толқын ұзындығының өзгеруі әдетте толқын ұзындығы өзгеретін көзді λ және спектрлік сезімтал емес фотоқабылдағышты қолдану арқылы немесе сәулеленудің кең спектрі бар көзді және шағылысқан сәулеленудің спектрлік тығыздығын өлшейтін спектрометрді (интеррогатор) қолдану арқылы жазылады. ТБТ параметрлерінің жылдам өзгеруін тіркеу үшін (микросекундтар мен микросекундтардың үлестерінде орын алатын) интеррогаторды қолдану резонанстық ұзындықтың уақытқа тәуелділігін анықтаудың жақсы дәлдігін қамтамасыз ете алмайды және оптикалық талшықтың созылуын анықтау үшін өлшенетін шама ретінде қуат көзінің тұрақты толқын ұзындығында ТБТ-ның шағылысқан сәулелену қуатын пайдалану қажет болады. Мұндай өлшемдердің динамикалық диапазоны интеррогаторды қолданғанға қарағанда айтарлықтай аз, бірақ жиілік диапазоны айтарлықтай үлкен. Импульстік тәуелділікті өлшеу ТБТ-ға механикалық әсер ету жағдайлары үшін өте маңызды, өйткені ТБТ температурасының өзгеруі салыстырмалы түрде баяу процесс болып табылады. Негізгі заңдылықтарды зерттеу үшін төменде келтірілген қарапайым модельді қарастырайық. Лазерлік сәулелену қуатының спектрлік тығыздығы ( pLD) және шағылысқан ТБТ-ның сәулеленуі ( pFBG) Гаусс функцияларымен сипатталсын: ) (4.2) (4.3) мұндағы және – нормаланған көбейткіштер, және – ТБТ шағылысу спектрінің және лазерлік сәулеленудің орталық толқын ұзындығы, және – ТБТ шағылысу спектрінің және лазердің сәулесінің жарты ені. Гаусс аппроксимациясын қолданылған кезде: , , мұндағы – жарық өткізгіштегі лазерлік сәулелену қуаты, – ТБТ-ның максималды шағылысу коэффициенті, – ТБТ кірісіндегі сәулелену қуаты. Қолданылған талшықты жарық өткізгіш сегментіндегі сөнуді елеусіз, фотоқабылдағыш құрылғының спектрлік сезімталдығы λ өзгерісі шегінде тұрақты деп санай отырып, толқын ұзындығы бойынша интеграциялауды жүзеге асыра отырып, фотоқабылдағыш көмегімен тіркелетін шағылысқан лазерлік сәулеленудің PP қуатының шамасы үшін аналитикалық шешім алуға болады: (4.4) Тордан шағылысқан лазердің максималды қуаты λ0, FBG және λ0,LD орталық толқын ұзындықтары тең болған кезде қол жеткізілетіні анық. жоғарылағанда немесе төмендегенде Pp мәні төмендейді. (4.1) формулаға сәйкес, онда: (4.5) мұндағы – нөлдік салыстырмалы ұзару кезінде ТБТ-дан шағылысқан сәулеленуінің спектрлік тығыздығының орталық толқын ұзындығы, онда (4) негізінде аналитикалық Pp(ε) тәуелділікті алуға болады. (4.4) формуласына сәйкес PP(ε) тәуелділігі де Гаусстық болып табылады. ТБТ-ның (ε>0) ұзару кезінде PP(ε) өзгеру сипаты λLD-ге қатысты бастапқы жұмыс нүктесінің λ0,FBG орналасуына байланысты болады. Егер λ0,FBG<λLD орын алса, онда ТБТ ұзартылған кезде PP(ε) қуаты λFBG=λLD теңдігіне жеткенше артады, ал λ0,FBG>λLD жағдайында азаяды. Мәселен, мысалы, синусоидалы ұзарту кезінде бірінші жағдайда шығыс сигналы (PP қуаты) ұзартуға қатысты жалпы синусоидалы фазада болады, ал екіншісінде ол фазаға қарсы болады. Белгілеуді енгізейік: (4.6) Содан кейін, егер болатын шағын салыстырмалы ұзаруларды қарастыратын болсақ, онда PP тәуелділігі ε-ге қатысты сызықтық функция деп санауға болады, оның пропорционалдылық коэффициенті бастапқы нүктенің орналасуына байланысты (ε=0). ε өзгеруіне минималды (теориялық – нөлдік) сезімталдық экстремум нүктесінде болады (λFBG=λLD). ретінде анықтауға болатын ε өзгеруіне қатысты сезімталдықтың теориялық тәуелділігі келесідей: (4.7) Сезімталдықтың максималды мәніне келесі нүктеде қол жеткізіледі , (немесе ±σ_s/√2), оны (4.4) мәнінің екінші туындысын нөлге теңестіру арқылы алуға болады, (4.5) есепке алу арқылы: (4.8) және ε→0 жағдайының шегін қарастыру қажет. және σLD типтік мәндері үшін (DFB құрылымы бар лазер үшін), ∆λms шамасы шамамен 0.01% (немесе 104 με) құрайды. Егер ұзартқыш әсер жарық өткізгіштің кіріс ұшына қолданылса, онда ТБТ кіріс ұшынан Lb қашықтықта орналасқан болса, онда ТБТ шағылыстыратын қасиеттерінің өзгеруі төменде көрсетілген шамаға кідіріспен жүреді: ΔτSF=Lb/vs, (4.9) мұндағы vs – жарық өткізгіштегі созылу толқынының таралу жылдамдығы. LFBG ұзындығы бар ТБТ арқылы толқын фронтының ΔτFBG өту ұзақтығы LFBG/vs болып табылады. Егер: (4.10) мұндағы Δτl – механикалық кернеудің өзгеруіне тән уақыт, мұндай әсерді квазистационарлық деп санауға болады. Бұл жағдайда тордың шағылысатын қасиеттерінің өзгеруінің кідірісін (4.9) формула бойынша есептеуге болады, ал осы әсерде ТБТ-ның біртекті еместігі ескерілмейді. Егер ΔτFBG және Δτl шамалары шамамен бірдей болса, одан да көп болса: (4.11) содан кейін мұндай әсер ету кезінде ТБТ ұзындығы бойынша біртекті болмайды, яғни қысқа механикалық импульс үшін ТБТ чирпирленген деп саналуы керек. Осындай қысқа әсер ету кезінде шағылысқан сәулелену қуатының шамасының өзгеруі квазистационарлыққа қарағанда аз болады. Айта кету керек, оптикалық талшықтағы vs акустикалық толқынының таралу жылдамдығы қатты ортаға қарағанда айтарлықтай аз. Сондай-ақ, акустикалық толқын негізінен жарық өткізгіштің қорғаныш қабығында таралады деп болжауға болады, сонымен қатар акустикалық импульстің талшыққа таралуы кезінде айтарлықтай дисперсия болады. Төменде көрсетілгендей, эксперименталды түрде өлшенген vs мәні оптикалық талшықтың керілуіне, жарық өткізгіш қабығының температурасына, иілудің болуына және т. б. байланысты 2.5-тен 3.5 км/с аралығында болады. LFBG=10-2 м кезінде ΔτFBG бағалау мәні 3 мкс құрайды. жүктеу/скачать 6,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|