بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به سیاستهاسی کلی ایجاد تحول در نظام آموزشی و به روز کردن محتواي آموزشی بر اساس نیاز بازارکشور و توسعه فنآوري نانو در زمینههاي مختلف لازم است دانشجویان و هنرجویان کشور به فنآوري اندازه گیري در مقیاس نانوآشنا باشند. در این مقاله ابتدا مقدمهاي بر نیاز و کاربرد اندازهگیري نانوجابهجایی و نانومقیاس، نور لیزر و پدیده تداخل گفته میشود. سپس فنآوري هاي اندازهگیري نانوجابهجایی و ساختارآنها شرح داده و مقایسه خواهد شد. به منابع عدم قطعیت در حسگرهاي مطرح شده اشاره میشود . در پایان دروس پیشنیازي و سرفصلهاي پیشرفته لازم براي آموزش بحث فوق ارائه شده است.
کلمات کلیدي:آموزش، نانوجابهجایی، حسگر
.1 مقدمه
براي تحقق سند چشمانداز بیستساله جمهوري اسلامی ایران، یکی از سیاستهاي کلی ایجاد تحول در نظام آموزش و پرورش کشور به روز کردن محتواي تعلیم و تربیت و تدوین برنامه درس ملی مبتنی بر نیازهاي کشور و انطباق محتوي با پیشرفتهاي علمی و فنآوري است.[1] یکی از فنآوريهاي موثر و با رشد سریع فنآوري نانو است. جمهوري اسلامی ایران با ایجاد ستاد نانو زیر نظر نهاد ریاست جمهوري با حمایت دانشگاهها و شرکتهاي دانشبنیان توجه خوبی به آن کرده است به طوري که جایگاه خوبی را در دنیا به خود اختصاص داده است. در بحث فنآوري نانو اندازهگیري در مقیاس نانو از ضروريترین عنصر پییشرفت است به طوري که براي فیدبک و کنترل پارامترها باید توانایی اندازهگیري برخط داشت. با پیشرفت سریع نانوفنآوري و افزایش تقاضاي بازار براي فنآوريهاي بسیار دقیق، فن آوري اندازهگیري جابهجایی با چند درجه آزادي بسار دقیق با تفکیکپذیري زیر نانومتر و با اعتبار داز مدت براي کاربردهایی نظیر ساخت و بازرسی و کنترل بسار مهم شده است.
زیرا کمیتهاي فیزیکی جابهجایی زاویهاي و خطی پارامترهاي کلیدي براي ثابت نگهداشتن و بهبود کنترل کیفیت یک سیستم تولید هستند. این فنآوري معمولا براي ابزارهاي اندازهگیري براي ماشینابزارها، ماشینهاي چیدن و قرار دادن، ماشینهاي اندازه گیري مختصات و تجهیزات ساخت نیمههاديها به کار میروند. براي هر پایه خطی دو نوع جابهجایی اعم از خطی و زاویهاي وجود دارد. جابهجایی خطی میتواند در راستاي محورهاي x، y وz به نام ∆ ، ∆ و ∆ اتفاق افتد و مطابق شکل 1جابهجایی زاویهاي تحت عنوان پیچ، یاو و رول حول همان محورها اتفاق میافتد. بر حسب اینکه حسگر بتواند چند تا از این جابهجاییها را اندازه بگیرد، درجه آزادي حسگر مشخص میشود. نور لیزر به عنوان یک منبع نور همدوس است که میزان واگرایی آن نسبت به نورهاي دیگر بسیار کمتر است. میزان خلوص یا تکرنگی آن بیشتر از نورهاي دیگر مانند نور LED است. اما با توجه به پهناي طیفی نور لیزر ممکن است علاوه بر مد اصلی مدهاي دیگر نیز منتشرشوند. هرچه تعداد مدهاي انتشاري در پهناي طیفی کمتر باشد، نور لیزر تکرنگ و خلوص آن بیشتر است.
اگر یک موج صفحهاي نور لیزر با طول موج بر روي یک ماسک حاوي دو روزنه کوچک تابش کند در بعضی از نقاط فضا میدان الکتریکی پرتوهاي خروجی از دو روزنه با هم جمع میشوند و میدان بزرگتري را تولید میکنند و باعث ایجاد یک نقطه نورانی در آن نقاط میشوند. به این پدیده تداخل سازنده میگویند. در نقاط دیگري از فضا میدانها همدیگر را خنثی میکنند و باعث ایجاد نقاط تاریک در آنجا میشوند که به آن تداخل مخرب میگویند. پدیده تداخل اساس کار حسگرهاي نوري است. لذا در پایین نحوه استفاده از پدیده تداخل براي اندازهگیري نانوجابهجایی خطی و زاویهاي بررسی میشود. در این مقاله آموزش فنآوري سنسورهاي اساسی اعم از نوري و غیر نوري با اشارهاي به کاربرد و عدم قطعیت آنها شرح داده میشود.
.2 آموزش فنآوري حسگرهاي اساسی
1-2 حسگرهاي نوري
عملکرد یک حسگر براي موقعیتیابی دقیق آن است که فاصله شیئ را نسبت به نقطه مرجع اندازه بگیرد. حسگرها براي این هدف به دو دسته حسگرهاي نوري و حسگرهاي غیر نوري طبقه بندي میشوند. حسگرهاي نوري به خاطرمزیتهایی چون اندازهگیري غیر تماسی، تفکیکپذیري بالا و پهناي باند وسیعتر بیشتر براي موقعیتیابی دقیق و بسیار دقیق استفاده میشوند. از روي شکل2 قابل مشاهده است که حسگرهاي نوري - تداخل سنج لیزري و انکدرنوري - سهم وسیعی - 89 درصد - در بازار دارند.
1-1- 2 حسگرهاي نوري با به کارگیري سرعت نور - حسگرهاي فاصله زمان پرواز - 1
براي اندازهگیري زمان پرواز معمولا از یک لیزر پالسی Q سوییچ استفاده میشود. مطابق شکل 3 پالسهاي کوتاه در مدت چند نانوثانیه به سمت هدف فرستاده میشوند. این پالسها پس از طی فاصلهD و برخورد به هدف دوباره به سمت آشکارسازهاي نوري سمت دستگاه منعکس میشوند. زمان رفت وبرگشت td با اندازهگیري زمان پالس برگشتی و پالس مرجع محاسبه میشود. فاصله دستگاه تا شیئ هدف - - D با رابطه D C0td محاسبه میشود که C0 =299792458 m/s سرعت نور در خلا و n 2n ضریب شکست محیط حرکت نور است. فاصله قابل اندازهگیري از چند متر تا کیلومترها براي کاربردهاي مستقیم بسته به قدرت پالسهاي لیزري است. بهترین تفکیکپذیري زمان پالس3پیکوثانیه است که با پهناي باند آشکارسازهاي نوري و بخش الکترونیک آشکارسازي محدود میشود.
2-1- 2حسگرهاي نوري با به کارگیري طول موج نور - تداخلسنج لیزري - 2
در این حسگرها طول موج نور به عنوان یک خطکش مدرج براي مترولوژي استفاده میشود. مبناي تئوري تمام حسگرهاي تغییر مکان بر مبناي تداخل امواج لیزري،تداخلسنج مایکلسون است. تداخلسنجها به طور وسیعی در فن آوري ساخت نیمرسانا، اندازه گیري دما، ارتفاع مایع، ضریب شکست هوا و اندازهگیري ابعاد ستارهها به کار میروند. تداخلسنجها در دو نوع هموداین و هتروداین هستند.
