1 АНАЛИЗ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Анализ требования технического задания
В техническом задании (ТЗ) на дипломное проектирование поставлена задача спроектировать модуль микропроцессора для устройства автоматического контроля параметров деталей соединителей.
Климатическое исполнение прибора УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, группа жесткости 1 по ГОСТ 16962-72 - для районов с умеренным и холодным климатом при среднегодовом минимуме температуры ниже минус 45 °С:
- диапазон рабочих температур от плюс 10 до плюс 35 °С;
- среднее значение температур плюс 20 °С;
- предельные значения температуры от плюс 1 до плюс 40 °С;
- теплоустойчивость:
- пониженное атмосферное давление 70 кПа;
- холодоустойчивость: предельная температура минус 40 °С;
- влагоустойчивость: влажность 93% при температуре 25°С.
Прибор предназначен для эксплуатации в помещениях с искусственным климатом (в отапливаемых помещениях).
Прибор должен выдерживать следующие механические воздействия группы 1 согласно ГОСТ 16962 - 72:
- прочность при транспортировании (в упакованном виде):
а) ускорение 15 g;
б) длительность ударного импульса 11 мс;
в) число ударов не менее 1000.
Так как это сравнительно легкие условия эксплуатации прибора, то при изготовлении и эксплуатации прибора, отвечающего данному варианту климатического исполнения нет особых требований к элементной базе, материалам и защитным покрытиям, а также к конструкции системы.
Нормативные воздействия первой группы (ГОСТ 16962-72) не требуют специальных мер виброзащиты, так как в процессе эксплуатации механических воздействий прибор испытывать не будет. Механические воздействия при транспортировке устраняются соответствующим выбором тары и соблюдением правил обращения при перевозке.
Наработка на отказ не менее 50000 часов достигается правильным подбором элементной базы, то есть прибор должен работать безотказно не менее пяти лет.
Ремонтопригодность прибора должна обеспечиваться заменой отдельных электрорадиоэлементов (ЭРЭ).
При отработке изделия на эргономичность необходимо обеспечить удобство взаимодействия человека-оператора с прибором.
На приборе должно быть нанесено четкое и не стираемое условное обозначения поясняющая назначение органа управления. Условные функциональные обозначения должны соответствовать ГОСТ 25874 - 83.
Годовая программа выпуска 1000 штук в год, что соответствует мелкосерийному производству.
Методы контроля параметров
1.2.1 Измерение поперечных геометрических параметров ОВ и ППП
Наибольше эффективные и чаще используемые оптические бесконтактные методы контроля геометрических и оптических параметров Они характеризуются высоким разнообразием и сравнительно простоя реализацией.
Оптические методы можно поделить на две большие группы:
- методы разрушающего контроля, которые требуют специальной подготовки отрезка волокна что измеряется, для ввода излучения через торец или через боковую поверхность;
- методы неразрушающего контроля.
Наиболее удобными являются методы неразрушающего контроля. Процесс неразрушающего измерения геометрических характеристик состоит из трех стадий:
- формирование осветленного пучка;
- взаимодействия пучка с объектом измерение;
- формирование зоны регистрации информационного сигнала.
В связи с этой структурой выделяют такую классификацию методов контроля:
1) по типу осветленного пучка:
- узкий пучок (сравнительно с геометрическими размерами объекта);
- широкий пучок (размер на порядок выше того, что контролируется),
2) по области регистрации сигнала:
- ближняя зона;
- дальняя зона.
3) по направлению действия осветленного пучка:
- методы продольного зондирования;
- методы поперечного зондирования.
После изготовления оптических кабелей наиболее удобные методы продольного зондирования, так как 0В помещено в защитную оболочку, которая помешает боковому действию осветленного пятна.
Наиболее удобные методы те, которые базируются на сканировании распределения интенсивности в дальнем и ближнем полях.
Вообще сканирование поля может быть прямое или косвенное.
Прямое сканирование можно осуществить:
- оптически - при использовании точечных фотодетекторов или волокон которые объединены с фотодиодами;
- электронно - при использовании видиконов или ПЗС - датчиков.
Косвенное сканирование дает возможность определите характер изменений" соответствующих функций связанных с распределением поля. Оно базируется на использовании разных сканирующих приборов которые реализуют метод сменной диафрагмы, метод края лезвия, щелевой метод. Кроме того существуют методы основанные на других подходах:
- метод поперечного сдвига;
- масочный метод;
- метод выделения гармоник.
Косвенные методы сканирования базируются на интегральном измерении световой мощности в далеком поле. В некоторых случаях, они разрешают измерять только характеристики круглосиметричных волокон, тогда как методы прямого зондирования могут определять характеристики по разным направлениям.
С другой точки зрения, интегральные методы являются привлекательными потому, что не нуждаются в источников света высокой мощности и могут использовать некогерентные широкополосные источники.
1.2.2 Метод ближнего поля
Основанный на измерении распределения интенсивности в ближнем поле на исходном конце волокна. В типичном устройстве (рисунок 1.2), источник освещения (лазерный диод, светоизлучающий диод) инжектирует оптическую мощность в волокно, которое тестируется. При этом используется линзовая система с необходимыми параметрами, которое увеличивает торец волокна, изображение которого сканируется вдоль диаметра с использованием оптического волокна, которое объединено с фотодиодом и установленно на основе, которая перемещается шаговым двигателем (оптико-механическое сканирование), или телекамер на основе видиконов или многоэлементных фотоприемников с зарядовой связью (оптико-электронное сканирование).
Рисунок 1.2 - Схема метода ближнего поля
Точность измерения обусловлена:
- прецизионной калибровкой и совмещением оптической системы;
- точностью перемещения основы с фотодатчиком или точностью многоэлементного фотоприемника;
- погрешностью определения увеличение оптической системы;
1.2.3 Отбивной метод
Основанный на измерении интенсивности светового потока, который отбивается торцом волокна, при падении на него колированного светового пучка параллельно оптической оси волокна. Дальний конец волокна помещается в иммерсионную жидкость для предотвращения отражения от него светового потока лучей лазера, фокусируется на торец волокна к размеру пятна 0,5 мкм.
Недостатками этого метода есть то, что маленькая разность требует очень точного измерения отраженной мощности, а также на величину последней, значительно влияет состояние торцевой поверхности. В связи с этим практическое использование данного метода трудное и он не нашел широкого использования.
1.2.4 Метод дальней зоны
В основу метода положена связь между распределением поля по торцу 0В в дальнем поле. Дальнее поле определяется областью дифракции Фраунгофера и отдаленно на расстояние нескольких миллиметров от торца волокна, поэтому необходим для проведения контроля высокоинтенсивный источник света, которым есть лазерный диод. Данный метод легко реализуется, потому что нужен только источник света и детектор, который установлен на основе, которая оборачивается шаговым двигателем для выполнения углового сканирования изображения излучение волокна Сектор, который сканируется, должен быть достаточно широкой, приблизительно ± 20° 25°, полностью перекрывать главный лепесток дифракционной картины (рисунок 1.3).
1.2.5 Метод поперечного сдвига
Основанный на измерении мощности, которая передается между двумя образцами одинаковых волокон при их поперечном смещении одно относительно другого.
Измерение ДМП методом поперечного смещения требует прецизионного определения центра за кривой сигнала, который передан, и численного дифференцирования второго порядка экспериментальных данных. Это требует разработки специальных цифровых процедур обработки результатов измерение Типичная установка вмещает источник света (как правило галогенную лампу с монохроматическим фильтром), и высокопрецизионное устройство перемещения для субмикрометровых шагов (рисунок 1.4). Существенным при реализации данного метода есть качество торцов волокон, которые объединяются. Могут также возникать проблемы в процессе смещения волокон одно относительно другого дифракционные эффекты могут привести к "смазыванию" оптических полей, которое ведет к систематическому повышению результатов определения ДМП. Точное измерение методом поперечного смещения нуждается в объединение образцов волокон вплотную. Фактически это невозможно и волокна оказываются разъединенными на маленькое расстояние.
Основной недостаток установок, которые реализуют этот метод, состоит в сложности совмещения осей волокон. Погрешности данного метода лежат в границах ±0,2-0,3 мкм.
1.2.6 Методы пространственной фильтрации
Основанные на измерении в дальним поле световой мощности излучения оптического волокна, которая прошла через пространственный фильтр. Существует несколько способов реализации данного подхода:
- метод сканирования "краем лезвия";
- метод сменной диафрагмы;
- масочные методы.
В методе сканирования "краем лезвия" геометрические параметры 0В определяются измерением общей световой мощности, которая не задерживается непрозрачной полуплоскостью (лезвием, которое частично перекрывает поток излучения сердцевины волокна) дальней зоне излучение (рисунок 1.5).
Экспериментальная установка содержит галогенную лампу с монохроматическим фильтром, сферические линзы (апертуры которых обуславливают NА всей установки), которые собирают мощность на детекторе. Типичная величина расстояния от полуплоскости к торцу волокна составляет около 1-3 см. Большее расстояние требует оптики с большей числовой апертурой NА.
Рисунок 1.5 - Схема метода "края лезвия"
Метод сменной диафрагмы основанный на измерении оптической мощности ОМ, которая излучается ОВ и проходит через кодовую диафрагму, которая размещена в дальней зоне на расстоянии О от торца волокна и которая имеет радиус а, что последовательно изменяется (рисунок 1.6) Мощность, которая проход через диафрагму, собирается оптической системой и детектируется фотодиодом.
Рисунок 1.6 - Схема метода сменной диафрагмы
Фильтр может быть изготовлен дежурством уровней яркости (прозрачных и непрозрачных сегментов), или в виде непрозрачной центральной области, которая разделена сегментами спиралей Ферма.
Потому, что радиальный размер масочных фильтров ограниченный, это вызывает наличие систематической погрешности.
Основные источники погрешностей в методах пространственной фильтрации:
- точность совмещения фильтра и волокна;
- дифракционные эффекты на границах пространственных фильтров;
- ограничение в связи с конечным значением апертуры МА оптики;
- наклон волокна относительно к пространственному фильтру.
Потому что метод сменной диафрагмы использует установку с круговой симметрией, в результате измерения получаем не непосредственно диаметр, модового поля, а значение, которое не зависит от возможной маленькой эллиптичности поля моды. Этот метод также не может быть применен для контроля одномодовых поляризованных волокон.
1.2.7 Метод фокусирования
Основанный на фокусирующих свойствах сердцевины волокна, которая есть цилиндрической линзой, при поперечном освещении.
Метод состоит в измерении с помощью микроскопа фокусного расстояния цилиндрической волоконной линзы, которая помещена в иммерсионную жидкость с показателем преломления, которое .равняется показателю преломления оболочки (рисунок 1.7). Изменяя иммерсионную жидкость, можно определить профиль показателя преломления волокна и диаметр сердцевины и оболочки.
Рисунок 1.7 - Схема метода фокусирования
1.2.8 Метод рассеивания на неоднородностях.
Основанный на эффекте увеличения рассеивания излучения в местах неоднородности (приблизительно2-3о) физических или геометрических параметров, по длине ОВ, то есть в местах повреждений. Если использовать видимое излучение тогда в местах повреждений наблюдается свечение. Для этого используют гелий неоновый лазер.
Протягивают волокно в измерительной камере через зазор между зеркалом и плотно прилепим фотоприемником и измеряют характер распределения интенсивности излучение вдоль ОВ за которым можно строить заключения о наличии дефектов (рисунок 1.8). Метод используется при производстве и исследованиях, но не на кабеле с защитной оболочкой.
Рисунок 1.8 – Схема метода рассеивания
1.2.9 Метод обратного рассеяния
В основе состоит эффект релеевского рассеивания на флуктуациях плотности материала и концентрациях легирующих примесей, характерные размеры которых не преувеличивают длины волны излучение. Часть рассеянного излучения распространяется по 0В у обратному направлению и содержит в себе информацию о значении и стабильности параметров 0В за его длиной, в частности о колебании диаметру. В настоящее время в отечественном приборостроении не нашел распространения. За границей вырабатываются приборы, которые реализуют этот метод и которые имеют название рефлектометров. Погрешность измерения составляет 1-2м при длине кабеля 1000м.
