INFLPR Sectia Laseri RAPORT DE CERCETARE Nr. 3 / 16.03.2011 Proiect ISOTEST - POSCCE 2.1.2 In cadrul celei de a treia perioade de raportare (16.12.2010 – 16.03.2011) sunt prevazute urmatoarele activitati de dezvoltare experimentala conform contractului: 1.3. Dezvoltarea de module si componente laser care vor fi incorporate in sursa laser de mare stabilitate in pulsuri de nanosecunde (lunile 1 – 7). 1.4. Dezvoltarea de subansamble si sub-sisteme ale setup-ului experimental privind: dirijarea, atenuarea si focalizarea fasciculului laser; diagnoza parametrilor de fascicul energetici, spatiali, temporali; detectarea defectelor induse de fasciculul laser pe suprafata probelor; sisteme de translatie micrometrica (lunile 2 – 11). 1.5. Proiectarea si realizarea sistemului software-hardware de operare automata (derularea procedurilor de masurare) si de achizitie/ procesare semnale (lunile 3 – 13): - circuite hardware si program software pentru procesor digital de semnale (DSP). - program software de operare automata, achizitie si procesare semnale pentru PC. Stadiul de realizare a acestor activitati este prezentat in continuare. I. Activitatea 1.3. (durata: lunile 1 – 7) – Realizat Rezultate obtinute in perioada de raportare: • A fost finalizata dezvoltarea de module si componente incorporate in sursa laser de mare stabilitate in pulsuri de nanosecunde prin punerea in functiune a laserului Nd:YAG in regim Q- switch model Brilliant B-IR-10-SLM la parametri nominali. Au fost masurati urmatorii parametri de fascicul ai laserului Nd:YAG la lungimile de unda de emisie de 1064 nm, 532 nm si 355 nm: energia pulsului laser si fluctuatia energiei per puls la frecventa de repetitie nominala de 10 pulsuri /sec, durata si profilul temporal al pulsului laser, starea de polarizare si profilul spatial de fascicul la lungimea de unda fundamentala de 1064 nm.
Transcript
INFLPR Sectia Laseri
RAPORT DE CERCETARE Nr. 3 / 16.03.2011
Proiect ISOTEST - POSCCE 2.1.2
In cadrul celei de a treia perioade de raportare (16.12.2010 – 16.03.2011) sunt prevazute
urmatoarele activitati de dezvoltare experimentala conform contractului:
1.3. Dezvoltarea de module si componente laser care vor fi incorporate in sursa laser de mare
stabilitate in pulsuri de nanosecunde (lunile 1 – 7).
1.4. Dezvoltarea de subansamble si sub-sisteme ale setup-ului experimental privind: dirijarea,
atenuarea si focalizarea fasciculului laser; diagnoza parametrilor de fascicul energetici, spatiali,
temporali; detectarea defectelor induse de fasciculul laser pe suprafata probelor; sisteme de
translatie micrometrica (lunile 2 – 11).
1.5. Proiectarea si realizarea sistemului software-hardware de operare automata (derularea
procedurilor de masurare) si de achizitie/ procesare semnale (lunile 3 – 13):
- circuite hardware si program software pentru procesor digital de semnale (DSP).
- program software de operare automata, achizitie si procesare semnale pentru PC.
Stadiul de realizare a acestor activitati este prezentat in continuare.
I. Activitatea 1.3. (durata: lunile 1 – 7) – Realizat
Rezultate obtinute in perioada de raportare:
• A fost finalizata dezvoltarea de module si componente incorporate in sursa laser de mare
stabilitate in pulsuri de nanosecunde prin punerea in functiune a laserului Nd:YAG in regim Q-
switch model Brilliant B-IR-10-SLM la parametri nominali.
Au fost masurati urmatorii parametri de fascicul ai laserului Nd:YAG la lungimile de
unda de emisie de 1064 nm, 532 nm si 355 nm: energia pulsului laser si fluctuatia energiei per
puls la frecventa de repetitie nominala de 10 pulsuri /sec, durata si profilul temporal al pulsului
laser, starea de polarizare si profilul spatial de fascicul la lungimea de unda fundamentala de
1064 nm.
2
Valoarea medie si abaterea standard (rms) a energiei per puls au fost masurate cu un
Fig.2. Masurarea energiei pulsului laser la 532 nm (statistica pe 28.000 pulsuri): energia medie per puls
322 mJ, abaterea standard (rms) 2 mJ (< 0,7 %)
3
Fig. 3. Masurarea energiei pulsului laser la 355 nm (statistica pe 18.900 pulsuri): energia medie per puls
218 mJ, abaterea standard (rms) 2,17 mJ (< 1 %) Durata pulsurilor laser a fost masurata cu o fotodioda rapida cu siliciu UPD-200-UD (banda de frecventa 2 GHz), conectata la un osciloscop digital Tektronix DPO 7104 (banda analogica de frecventa 1GHz), asa cum se arata in fig. 4 -6.
(a) (b)
Fig. 4. Profilul temporal al pulsului laserla lungimea de unda de 1064 nm. (a) In regim SLM. (b) In regim multimod longitudinal
In fig. 4a este aratat profilul temoporal al pulsului laser in regim de operare monomod
longitudinal (SLM) obtinut prin cuplarea modulului OP/BB/SLM cu laserul Brilliant.
Modulul SLM reduce semnificativ largimea spectrala a fasciculului laser prin injectia
unui semnal monomod, asigurand astfel un profil temporal al pulsului laser fara modulatii de
intensitate, neted si foarte reproductibil, in concordanta cu cerintele standardului ISO 11254
privind masurarea duratei efective a pulsului laser. Modulul SLM include in principal un laser
dopat cu neodim pompat cu dioda laser, cuplat printr-un izolator Faraday la o fibra optica, o
unitate driver si o bucla electronica de reactie cu oglinda laser montata pe un traductor
piezoelectric. Semnalul monomod longitudinal injectat in rezonatorul laserului Brilliant printr-un
4
perete lateral al capului laser. Profilul temporal al pulsului laser emis de Brilliant fara injectie de
semnal (regim multimod) este aratat in fig. 4b.
Profilul spatial de fascicul la lungimea de unda de 1064 nm a fost masurat cu un
profilometru laser SP 620 – USB (Spiricon) in camp apropiat si in focarul unei lentile
convergente cu focala de 1 m (fig. 5-6).
Fig. 5. Profilul spatial al fasciculului laser masurat la distanta de 1 m de oglinda de iesire (near-field)
Fig.6. Profilul spatial al fasciculului laser masurat in focarul unei lentile cu focala de 1 m ()far-field)
In tabelul 1 sunt sintetizati parametrii de fascicul masurati si valorile nominale ale parametrilor
de fascicul specificate de producator.
Parametru Masurat Nominal
1 Energie per puls 880 mJ la 1064 nm
322 mJ la 532 nm
218 mJ la 355 nm
> 700 mJ la 1064 nm
> 290 mJ la 532 nm
> 140 mJ la 355 nm
2 Fluctuatia energiei per
puls (rms)
< 0,5 % la 1064 nm
< 0,7 % la 532 nm
< 0,6 % la 1064 nm
< 1,3 % la 532 nm
5
< 1 % la 355 nm < 2 % la 355 nm
3 Durata pulsului
(FWHM)
4,3 ns la 1064 nm
3,5 ns la 532 nm
3,5 ns la 355 nm
≈ 6 ns la 1064 nm
≈ 5 ns la 532 nm
≈ 5 ns la 355 nm
4 Stare de polarizare 75 % liniar polarizat
(orizontal)
> 70 % liniar polarizat
(orizontal)
II. Activitatea 1.4. (durata: lunile 2 – 11) – Realizat partial
• Au fost achizitionate urmatoarele componente pentru dezvoltarea setup-ului experimental: oglinzi
laser pentru 1064 nm, 532 nm si 355 nm, polarizori lama pentru 1064 nm, 532 nm, 775 nm si 355 nm nm,
lame semiunda/ sfert de unda pentru 1064 nm, 532 nm, 775 nm si 355 nm, lentile pentru 1064 nm,
Marimile Q(α1 + δα) si Q(α1 + Δα) pot fi aproximate prin dezvoltare in serie in jurul lui Q(α1):
)(2
)()()( 1
2
111 αδααδααδαα QQQQ ′′⋅+′⋅+=+ (A2)
)(2
)()()( 1
2
111 ααααααα QQQQ ′′⋅∆
+′⋅∆+=∆+ , (A3)
unde, conform ec. (1),
αααα4cos8)(
4sin2)(
0
0
QQQQ
=′′=′
(A4)
Din ecuatiile (A1 – A4, ) obtinem pentru ΔQ:
αδααδααδααδα 4cos)(4)()(2 1 −∆=′′−∆=∆ QQ (A5)
Pentru 2/αδα ∆= , ec. (A5) devine:
αα 4cos2∆=∆Q (A6)
Q(α) = Q0sin2(2α)
ΔQ
Q(α1)
Q(α1 + Δα)
Q(α1 + δα)
δα
Δα
QL(α1 + δα)
9
ANEXA 2
ISOTEST
Caiet de sarcini 01-10.03.2011
Program automatizare procedura S-on-1
10
Cuprins I. Introducere ................................................................................................................................. 11
II. Descrierea schemei bloc. Comunicarea cu perifericele. ........................................................... 12
III. Functionarea instalatiei pe etape. Algoritmul S-on-1 .............................................................. 16
1. Pornire echipamente si initializare. ....................................................................................... 17
2. Caracterizare fascicul laser si calibrare atenuator. ................................................................ 18
3. Centrare proba in fascicul. ..................................................................................................... 18
Raport de Test ............................................................................................................................... 26
IV. Interfata grafica ....................................................................................................................... 26
V. Rezumat .................................................................................................................................... 32
11
I. Introducere Acest document descrie modul de functionare a software-ului aferent instalatiei de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice in fascicul laser, instalatie dezvoltata in cadrul proiectului ISOTEST. Procedura de testare a acestor componente este descrisa de standardul ISO-11254 si poarta denumirea de procedura S-on-1. Programul ce urmeaza a fi dezvoltat, trebuie sa lucreze pe un PC pe care este instalat un sistem de operare Windows 7 pe 64 biti.
Procedura S-on–1 este utilizata pentru masurarea / certificarea ISO a pragului de distrugere (PD) al componentelor optice /materialelor iradiate cu pulsuri laser repetitive de mare putere. Prin distrugerea unei suprafete optice se intelege orice modificare permanenta indusa de laser, care este observabila cu un microscop cu marire > 100.
PD reprezinta densitatea de energie (fluenta) minima a pulsului laser, exprimata in J/cm2, care distruge suprafata optica in zona iradiata, in regim de lucru repetitiv. PD depinde atat de parametrii pulsurilor laser (lungime de unda, durata de puls, frecventa de repetitie), cat si de caracteristicile probei (compozitie, calitatea optica a suprafetei).
Pentru a obtine densitati de energie per puls suficient de mari, fasciculul laser este focalizat intr-un spot de dimensiuni submilimetrice pe suprafata probei de test. In procedura S-on-1, spotul laser focalizat se repozitioneaza in diferite locatii (situri) pe suprafata optica testata. Distrugerea unui sit interogat repetitiv cu pulsuri laser, se detecteaza on-line prin monitorizarea nivelului radiatiei laser imprastiate de situl interogat.
Pentru realizarea testelor de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice se va construi o instalatie care include un laser, echipamente de masura a parametrilor fasciculului laser, precum si echipamente care permit automatizarea procedurii de masurare. Simultan cu dezvoltarea si constructia instalatiei, se va dezvolta un software specializat capabil sa guverneze procesul de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice in fascicul laser.
Derularea procedurii S-on-1 va fi optimizata prin utilizarea unui algoritm de operare iterativ. Ideea fundamentala a algoritului iterativ consta in optimizarea procesului de interogare a probei testate, astfel incat minimizarea incertitudinii in determinarea PD sa fie obtinuta cu un numar minim de situri interogate. Pasii algoritmului iterativ S-on-1 sunt prezentati in detaliu in unul din capitolele urmatoare ale acestui document.
Pe parcursul proiectului se vor face experimente de testare si masurare a fasciculului laser, de functionare a echipamentelor achizitionate, precum si de dezvoltare si proiectare a celor ce vor fi construite in cadrul proiectului. Concluzii si rezultate ale acestor experimente, pot duce la anumite modificari ale cerintelor de dezvoltare a programului PC, prezentate de acest document. De aceea se iau in considerare doua etape de dezvoltare a acestui program, denumite in continuare etapa I, respectiv etapa II. In etapa I specificatiile si cerintele pentru program sunt oarecum simplificate. Se pune accent aici pe experimentele amintite mai sus, parte din ele fiind insotite de parti sau module ale acestui program, pentru a verifica corecta functionare a acestuia in conditii cat mai apropiate de conditiile de lucru reale, dupa ce instalatia de testare devine functionala. In aceasta etapa echipa de dezvoltare a programului va interactiona strans cu restul echipei din cadrul proiectului. Etapa II presupune preluarea intregii expertize acumulate pe parcursul primei etape, redefinirea in detaliu a cerintelor programului tinand cont de concluziile, caracteristicile si limitarile de functionare ale diferitelo echipamente si subsisteme ale instalatiei, astfel incat in final sa rezulte un program stabil si fiabil (trebuie mentionat aici ca in regimul automat, care va fi definit in cele ce urmeaza, instalatia trebui sa functioneze ore intregi, fara interventia operatorului).
12
II. Descrierea schemei bloc. Comunicarea cu perifericele. In figura 2.1 este prezentata schema bloc (din punct de vedere al dezvoltarii programului)
a instalatiei de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice iradiate cu pulsuri laser de mare putere.
Fig. 2.1 – Schema bloc a instalatiei de masurare a pragului de distrugere; Dupa cum se observa in figura, sistemul de control are in compunere doua subsisteme,
care la randul lor interactioneaza cu diferite periferice: subsistemul PC si subsistemul DSP. Subsistemul PC reprezinta in fapt softul pentru PC ce va fi dezvoltat ca urmare a descrierii facute de prezentul document. In afara de DSP, PC mai comunica si cu un profilometru laser cu camera CCD, DS, conectat la calculator si controlat de un software proprietar, care masoara profilul spatial al fasciculului laser, cu un monitor de energie ME si cu un osciloscop digital Tektronics, la care este atasata un sistem fotodioda si amplificator, DT, cu care se analizeaza profilul temporal al fasciculului, atunci cand pentru explorare se foloseste laserul cu pulsuri de nanosecunde. In cazul laserului de pulsuri de femtosecunde, dispozitivul ce caracterizeaza profilul temporal este un dispozitiv special, dedicat, (numit Grenouille). Schema bloc prezentata in figura 2.1 arata componentele in cazul utilizarii laserului cu pulsuri de nanosecunde pentru explorarea probei.
PC ar trebui sa gestioneze o arhitectura de baza de date, cu ajutorul careia sa stocheze in conditii de siguranta rezultatele testelor efectuate de instalatie. Sistemul PC este un program ce ruleaza pe un calculator care are un sistem de operare Windows 7, 64 bit. El este „MASTER” in raport cu celelalte periferice dar si cu DSP.
13
Sistemul DSP Desi dezvoltarea DSP nu este in sarcina echipei ce dezvolta PC, pentru o mai buna intelegere a tipului de interactie si comunicare, se va face o descriere succinta a DSP cu PC. DSP este o unitate de calcul de sine statatoare (Digital Signal Processing), care are rolul de a executa secvente de program ce se deruleaza rapid, deci care cer o viteza de urmarire si procesare mare, in timp ce PC controleaza procesul de masurare a pragului de distrugere in ansamblul lui. De aceea programul PC este „MASTER”, in timp ce DSP impreuna cu celelalte periferice se raporteaza intotdeauna la PC ca unitati „SLAVE”. Interactia (comunicarea) dintre PC si DSP se desfasoara dupa urmatorul tipar: PC comunica DSP parametrii de executie a secventei de explorare a unui sit, (energia pulsurilor laser si numarul sitului ce urmeaza a fi interogat). DSP confirma primirea datelor si incepe executia secventei. Verifica functionarea laserului, comanda deplasarea masutei X/Y pentru a pozitiona situl corespunzator pe axa fasciculului, comanda rotirea atenuatorului pentru a stabili energia de test, deschide obturatorul de fascicul, numara pulsurile laser ce ajung pe situl corespunzator pe proba si monitorizeaza starea sitului cu ajutorul detectorului de sit distrus. Daca la un moment dat situl se distruge, DSP inchide obturatorul de fascicul apoi comunica catre PC rezultatul si anume numarul de pulsuri la care situl a fost distrus, sau faptul ca dupa numarul prestabilit de pulsuri aplicate situl nu a fost distrus. PC confirma catre DSP receptia rezultatului. Dupa acest pas, secventa de executie este considerata incheiata, putand sa inceapa o secventa ulterioara. Comunicarea DSP cu PC se face pe USB (optional se poate face si pe RS232). Protocolul de comunicare urmeaza a fi definit intre echipa de dezvoltare a softului PC si echipa ce dezvolta sistemul DSP. Desi prezentul document se refera doar la specificatiile PC, pentru o mai usoara intelegere, vom descrie pe scurt si functiile indeplinite de catre DSP:
• Controller de motoare pas cu pas – DSP contine un controller de motoare pas cu pas, cu
care comanda cele doua motoare ale masutei de translatie X/Y, de pozitionare a probei in fasciculul cu care se exploreaza siturile si motorul masutei de rotatie α a atenuatorului de fascicul laser (care seteaza energia pulsului laser );
• Controller comunicare PC – In acest stadiu stim ca DSP va comunica cu PC pe USB sau RS232, iar protocolul de comunicare urmeaza a fi definit ulterior. El trebuie sa asigure comunicarea inainte si dupa executia unei secvente de explorare si atunci cand PC-ul cere DSP-ului informatii despre starea partii de sistem controlate direct de DSP (daca tinta e centrata, daca laserul este in functiune, pozitia obturatorului de fascicul, pozitia atenuatorului si a masutei X/Y);
• Controller secventa explorare sit – Explorarea siturilor de pe proba se face sub forma de
secvente, in care PC comunica parametrii de explorare (energia laser per puls, numar sit, numar maxim de pulsuri), DSP executa exlorarea (pozitioneaza masuta probei, pozitioneaza atenuatorul de fascicul, deschide obturatorul si in momentul distrugerii sitului sau atingerii numarului maxim de pulsuri, inchide obturatorul), in final DSP comunica PC-ului rezultatele secventei (numar pulsuri la care situl s-a distrus, sau faptul ca situl nu a fost distrus);
• Controller centrare proba – Inainte de a monta proba in instalatie, pe masuta de deplasare
X/Y se monteaza o proba martor (prevazuta cu un orificiu in centru). In spatele probei se afla un foto-detector centrat pe axa z al fasciculului de explorare (in lungul fasciculului). Cand se apeleaza functia de centrare a probei, DSP pozitioneaza masuta X/Y pentru semnal maxim pe foto-detector. Aceasta inseamna ca masuta e centrata, si se retine pozitia in memoria DSP. Aceasta foloseste la etapa in care PC genereaza harta siturilor ce
14
urmeaza a fi explorate, astfel incat ele sa se regaseasca fidel pe suprafata reala a probei. Atunci cand PC interogheaza DSP, acesta ii spune daca centrarea s-a efectuat cu succes (urmeaza a se detalia in definirea protocolului de comunicare dintre PC si DSP);
• Controller I/O – DSP este deasemenea capabil sa gestioneze intrari si iesiri digitale TTL,
pentru a prelua din exterior stari logice respectiv transmite catre exterior comenzi. Perifericele conectate la acest bloc I/O sunt:
1. Detectorul de puls DP. Este o fotodioda urmata de un circuit care furnizeaza la iesire
impulsuri TTL. Aceste pulsuri ajung pe una din intrarile digitale ale DSP. Aceasta permite DSP sa numere pulsurile laser cu care se exploreaza proba in timpul executiei secventelor de explorare;
2. Detectorul de sit distrus DDS. Acest bloc (ce contine o fotocelula), prin fenomene de imprastiere laser, este capabil sa detecteze distrugerea sitului in urma aplicarii pulsurilor laser pe proba. Daca situl este distrus, la iesirea DDS este generat un puls TTL, care coincide temporal cu pulsul care a distrus situl. In acest mod DSP sesizeaza momentul distrugerii sitului explorat si opreste secventa de explorare, prin inchiderea obturatorului de fascicul OF;
3. Obturatorul de fascicul OF. Acest dispozitiv blocheaza sau lasa sa treaca pulsurile laser care intra in sistemul optic al instalatiei si ajung in cele din urma pe suprafata probei. El se afla plasat imediat la iesirea laserului. OF mai are rol si de protectie si securitate, de aceea la nivelul lui actioneaza butonul de „Oprire de Urgenta” ce poate fi actionat de operator. Practic aceasta comanda taie alimentarea obturatorului, astfel incat acesta se inchide instantaneu, blocand pulsurile laser. Comanda OF de catre DSP se face prin intermediul uneia din iesirile TTL ale acestuia. Simultan, cu ajutorul unei intrari TTL, DSP monitorizeaza alimentarea OF, astfel incat daca butonul de oprire de urgenta este actionat, DSP sa poate opri secventa ce era in derulare, sau care urma sa se deruleze;
4. Monitorizare LASER. Pe o alta intrare TTL a DSP, ajunge un semnal TTL de la laser, atunci cand acesta intra in functiune. Din momentul aparatiei acestui semnal, DSP asteapta un interval de timp Δt, pana sa considere ca laserul este functional, timp necesar pentru intrarea in regim stabil de functionare a laserului;
5. Monitorizare proba. Cu doua intrari digitale TTL se monitorizeaza prezenta si tipul de proba montata in instalatie (proba de test sau proba „Dummy”, cu care se face centrarea probei). Desi hardware, senzorii si cablurile de conectare vor fi montate initial, in etapa I se vor face teste de functionare a instalatiei cu aceasta monitorizare, in rest ea fiind inhibata software. Daca testele dovedesc utilitatea acestei functii, ea va fi permanent integrata in sistem in etapa II. Exista o idee in care sistemul de senzori sa se extinda astfel incat sa poata detecta si tipul de proba de test (proba de 0.5”, 1”, 1.5”, 2” si custom), eliminand astfel introducerea de catre operator a acestei setari. Aceasta extindere va avea loc daca testele din etapa I dovedesc fezabilitatea si utilitatea ei si va fi facuta in etapa II de dezvoltare a softului PC;
• Temporizator regim laser – Asa cum aminteam la descrierea I/O, cu una din intrari, DSP
monitorizeaza functionararea laserului. Una din caracteristicile laserilor (laserii fiind instalatii extrem de complexe) este aceea ca de la pornirea efectiva pana la functionarea la parametrii nominali, este nevoie de un timp care uneori (functie de laser) poate sa fie de ordinul orelor. De aceea DSP trebuie sa fie capabil sa introduca o intarziere intre alimentarea cu energie a laserului si semnalizarea ca laserul este functional, atunci cand PC interogheaza DSP. Aceasta intarziere o introduce operatorul de la panoul de comanda a DSP. Instalatia va lucra cu doi laseri diferiti, de aceea vor trebui introdusi timpi de asteptare diferiti pentru cei doi laseri;
15
DSP contine un panou de control si comenzi locale pentru diferite operatii pe care le executa acesta. Este stabilit ca DSP este „SLAVE” in raport cu PC si desi protocolul de comunicare nu este specificat la acest moment, se stie ca el trebuie sa asigure comunicarea in timpul secventelor de explorare a probei si sa obtina informatii de tip status de la perifericele gestionate de DSP si de la DSP insusi. Exista anumite operatii pe care DSP le efectueaza independent de PC (operatia de centrare a probei, temporizarea intrarii in regim al laserului, etc.), operatii ce necesita introducerea de date de catre operator. Acestea se introduc de la panoul de control local al DSP. Deasemenea diferitele operatii efectuate, starea perifericelor si comunicarea cu PC-ul pot fi monitorizate de catre operator cu ajutorul display-ului de pe panoul de control al DSP. Profilul spatial (DS).
„DS” este un profilometru laser cu camera CCD care preia o fractiune din fasciculul laser si ii analizeaza profilul spatial in vederea determinarii Ariei efective a fasciculului effA . Ea este o marime statistica (in sensul ca se fac masurari pe mai multe pulsuri si se mediaza), deci este necesara si abaterea standard relativa, Aε . Profilometrul comunica cu calculatorul prin USB si este echipat cu un soft specializat care recunoaste camera si preia imaginile pentru prelucrare. Softul face o serie de calcule printre care si cele descrise mai sus, ele putand fi accesate prin ActiveX Control de catre softul PC. Exista documentatie a camerei si softului, care descrie in detaliu modulul ActiveX care permite exportul datelor in afara softului specializat.
Monitorul de energie (ME).
„ME” este un dispozitiv de masurat energia pulsurilor laser cu ajutorul unui senzor piroelectric. Poate functiona autonom (independent de calculator), sau conectat la calculator prin USB, RS232, sau GPIB. Atunci cand este conectat la calculator, comenzile si datele masurate sunt preluate de un software „HOST”. Comenzile si schimbul de date se realizeaza cu ajutorul unui set de comenzi standardizate de tip SCPI (Standard Comands for Programable Instruments). Foarte pe scurt, SCPI este un protocol de comunicare dedicat trimiterii de comenzi si receptionarii de date, catre si dinspre instrumente de laborator. Standardizarea unui asemenea limbaj de comunicare cu instrumentele, face ca instructiunile de comanda si citire a unui parametru, sa fie similar pentru instrumente diferite ca tip sau firma producatoare. Anexat se afla un document pdf, care descrie standardul SCPI.
Intorcandu-ne la monitorul de energie, marimea care ne intereseaza pe noi este energia medie a trenului de pulsuri laser aplicate pe sit kQ , si abaterea standard relativa aferenta
kQε .
Acestea pot fi obtinute in doua moduri. Fie extragand datele din softul „HOST”, al monitorului de energie „ME” prin ActiveX, fie implementand direct in softul PC comenzile SCPI corespunzatoare extragerii datelor. Ramane de analizat ulterior, care metoda este mai fezabila.
Profilul temporal (DT).
„DT” este format dintr-un sistem fotodioda ultra rapida – amplificator de banda larga – osciloscop digital. Fara a intra in detalii, spunem ca osciloscopul face esantionarea semnalului, medierea pe mai multe pulsuri si calculeaza durata efectiva a pulsurilor laser. Osciloscopul este prevazut cu PC cu sistem de operare Windows XP 32 bit, deci trebuie construita o aplicatie care sa lucreze sub Windows si sa ruleze pe osciloscop. Comunicarea dintre osciloscop si PC, se reduce la comunicarea dintre doua calculatoare. De mentionat aici ca metoda descrisa mai sus pentru analiza profilului temporal este valabila doar pentru laserul cu pulsuri de nanosecunde, pentru cel de femtosecunde, profilul temporal se analizeaza cu un dispozitiv special, dedicat,
16
(numit Grenouille). Acesta este conectal la PC prin USB si softul de gestionare al lui are ActiveX Control, cu ajutorul caruia PC isi extrage datele. Tot aici mai mentionam ca in etapa I, transferul datelor de la sistemul fotodioda – amplificator – osciloscop, catre PC se face manual (de catre operator), comunicarea automata (incluzand si aplicatia ce ruleaza pe sistemul de operare Windows al osciloscopului) va fi realizata in etapa II a dezvoltarii softului PC. Tot in etapa II se va integra in sistem si dipozitivul Grenouille.
Baza de date DB.
In figura 2.1, la nivelul PC este figurata o baza de data DB. Ea are rolul de a organiza si
stoca rezultatele testelor pe termen lung. Ideal este ca aceasta baza de date sa fie pe un server (calculator), astfel incat in timp, resursele calculatorului PC ce controleaza instalatia de testare sa fie degrevat de sarcina de gestionare si stocare a datelor. In plus, aceasta reprezinta si o masura de siguranta suplimentara. In baza de date se vor putea salva seturi de teste complete sau incomplete, cat si date rezultate in urma testelor experimentale de verificare, calibrare si intretinere a instalatiei. Tipul de date salvate si modul lor de organizare se va discuta in momentul dezvoltarii DB. Dezvoltarea DB se va efectua in etapa II.
III. Functionarea instalatiei pe etape. Algoritmul S-on-1
In capitolul precedent a fost prezentata schema bloc si dispozitivele periferice cu care comunica PC. Acest capitol va descrie functionarea instalatiei de masurare a pragului de distrugere a componentelor optice, in cadrul proiectului ISOTEST. La baza functionarii instalatiei ISOTEST se afla algoritmul S-on-1. Procedurile de testare a pragului de distrugere pentru componentele optice sunt descrise de standardul ISO-11254. Prima parte descrie algoritmul 1-on-1, partea a 2-a descrie algoritmul S-on-1. Standardul ISO-11254 este anexat prezentului document. Procedura 1-on-1 inseamna explorarea suprafetei testate cu un puls laser pe sit, puls laser de diferite energii. Procedura S-on-1 inseamna folosirea mai multor pulsuri de explorare pe un sit. Aceasta metoda este mai puternica (ofera o acuratete mai mare) pentru ca avand un numar suficient de mare de pulsuri, rezultatele se pot trata statistic. In plus, daca facem S=1, algoritmul S-on-1 devine 1-on-1, deci procedura 1-on-1 o putem considera ca fiind inclusa in procedura (generala) S-on-1. Acestea sunt motivele pentru care la baza functionarii instalatiei ISOTEST se afla algoritmul S-on-1. Functionarea instalatiei este structurata pe 9 etape succesive, dupa cum urmeaza:
1. Pornire echipamente si initializare; 2. Caracterizare fascicul laser si calibrare atenuator; 3. Centrare proba in fascicul; 4. Realizare harta situri; 5. Testare preliminara (realizata de operator); 6. Testare automata; 7. Marcare proba; 8. Calcul curbe si bugetul erorilor; 9. Salvare date si intocmirea fisei de test;
Revenind la schema bloc (figura 2.1) trebuie precizat ca PC nu interactioneaza in permanenta cu perifericele. Functie de etapa parcursa de PC, acesta comunica numai cu acele periferice care ii sunt necesare pentru indeplinirea acelei operatii. De exemplu, in etapa a 2-a, pentru caracterizarea fasciculului, PC trimite comenzi si preia date de la DS si DT+Osciloscop, in timp ce pentru calibrarea atenuatorului, PC citeste informatia de energie de la DE si comanda via DSP unghiul de rotatie al atenuatorului, memorand datele si realizand curba de calibrare. Cu alte cuvinte, pentru calibrarea atenuatorului, PC are nevoie sa comunice cu DSP si ME. Deasemenea,
17
in timpul testarii preliminare sau automate, PC trimite catre DSP secvente de explorare situri. Cand DSP raporteaza inapoi rezultatul secventei, PC preia si stocheaza de la acesta starea sitului (distrus/ nedistrus) si numaraul de pulsuri aplicate. De la ME preia informatia de energie laser (si abaterea standard) masurata pe pulsurile aplicate pe situl testat si numarul de pulsuri aplicate pe sit. PC compara numarul de pulsuri raportat de DSP cu cel raportat de ME. In functionare normala, aceste doua numere trebuie sa coincida. Rezulta ca in timpul testarii preliminare sau automate, PC interactioneaza cu ME si DSP. In tabelul 3.1 sunt prezentate interactia PC cu perifericele, pentru fiecare etapa a procesului. Nr Etapa Periferice Observatii 1 Pornire echipamente si
initializare DS;ME; DT+Osc;DB
PC verifica daca perifericele sunt in functiune si raporteaza daca unul din periferice nu este in regula.
DSP PC interogheaza DSP si prin intermediul DSP verifica daca laserul a ajuns in regim normal de lucru.
2 Caracterizare fascicul si Calibrare atenuator
DS;DT+Osc Pentru caracterizare fascicul, PC comunica cu DS si DT+Osc. ME;DSP Calibrarea atenuatorului se face cu ME si DSP.
3 Centrare proba in fascicul DSP Operatia este efectuata de catre DSP. 4 Realizare harta situri - Nu participa nici un periferic. PC efectueaza singur operatia. 5 Testare preliminara DSP;ME PC trimite secvente de explorare la DSP. DSP executa
secventele si raporteaza rezultatele inapoi, la PC. Dupa fiecare raport al DSP, PC preia datele de la ME.
6 Testare automata DSP;ME Idem. 7 Marcare proba DSP Este efectuata cu secvente de marcare de catre PC si DSP. 8 Calcul curbe si bugetul
erorilor - Nu participa nici un periferic. PC efectueaza singur operatia.
9 Salvare date si intocmirea fisei de test
DB PC salveaza datele in DB.
Tabelul 3.1 – Interactia PC cu perifericele functie de etapele executate;
1. Pornire echipamente si initializare.
Deoarece instalatia ISOTEST contine multe echipamente si dispozitive (vezi schema bloc, figura 1.1), punerea in functiune nu se rezuma doar la actionarea unui comutator. Fiecare dispozitiv din instalatie este un sistem complex, care pe langa alimentarea cu energie electrica, necesita anumite perioade de timp pentru initializare. Un exemplu sugestiv este laserul. Pe langa faptul ca necesita o operaratie in mai multi pasi, el trebuie sa functioneze un interval de timp pana parametrii fasciculului laser se stabilizeaza. Numim acest proces “intrare in regim de lucru al laserului”. In capitolul precedent am descris ca acest interval de timp este masurat de catre DSP. La randul lui DSP este interogat de catre PC, despre starea perifericelor si al DSP insusi. In acest mod ajunge la PC informatia despre starea laserului (daca e oprit sau pornit si a ajuns sau nu in regim de lucru). Rezulta ca primele doua componente ce trebuie pornite sunt laserul (pentru ca timpul de la pornire la intrarea in regim de lucru este cel mai mare) si DSP (pentru a monitoriza acest timp). Apoi se pornesc celelalte componente (nu exista o ordine stricta). La sfarsit, se va porni aplicatia PC (dupa ce in prealabil calculatorul pe care e instalata aplicatia a fost pornit si acesta a boot-at). Pentru a nu exista blocaje in parcursul procedurii de testare, PC va verifica la pornire fiecare periferic daca este in functiune (asemanator secventei de verificare a perifericele de catre BIOS-ul unui calculator). Tabelul 3.2 descrie particularitatile de pornire si initializare a fiecarui subsistem in parte:
Subsistem Alimentare Pornire / Initializare Laser Da Pornire in mai multi pasi, necesita timp de intrare in
regim de ordinul zecilor de minute DSP Da Pornire manuala sau automata (comandata de laser),
initializare scurta (cateva secunde) DS Nu (camera se alimenteaza prin USB) Pornire automata (la pornirea PC)
18
ME Da Pornire manuala, initializare scurta (cateva secunde) DT+osciloscop Da-DT; Da-Oscilsocop Pornire manuala, initializare in zeci de secunde
DB Da in cazul in care DB e pe alt calculator In cazul in care DB se afla pe alt calculator, necesita pornirea calculatorului respectiv.
PC Da Pornire manuala, initializare de ordinul zecilor de secunde.
Tabelul 3.2 – Caracteristicile de initializare PC si periferice
2. Caracterizare fascicul laser si calibrare atenuator. A doua etapa include masurarea ariei efective a spotului laser focalizat pe suprafata probei cu profilometrul DS, masurarea duratei efective a pulsului laser cu sistemul DT (fig. 2.1) si calibrarea atenuatorului de fascicul.
Atenuatorul de fascicul este alcatuit dintr-un polarizor si o lama semiunda. Reglarea energiei Q la iesirea atenuatorului se realizeaza prin rotirea lamei semiunda cu ajutorul unei masute de rotatie motorizata (notata in schema bloc din figura 2.1 cu α). Prn rotirea lamei cu un unghi α, directia de polarizare a fasciculului laser se roteste cu unghiul 2α. Initial, lama semiunda este pozitionata la un unghi α0 in pozitia de extinctie (Q ≈ 0). Unghiul de extinctie α0 este setat de operator.
Daca lama semiunda se roteste cu un unghi α fata de pozitia initiala α0, energia Q la iesirea din atenuator este data de relatia )2(sin)( 2
0 αα QQ = , unde Q0 este energia pulsului laser la intrarea in atenuator. Caracteristica Q(α) se extrapoleaza prin masurarea a n nivele de energie Q(αi), unde αi reprezinta n valori discrete ale unghiului α cuprinse in intervalul [0o - 45o]. Daca αi+1 – αi = Δα = 5o, rezulta 10 valori ale unghiului α: 00, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450. Se poate arata ca, in acest caz, eroarea de extrapolare a caracteristicii Q(α) este mai mica de 1 %. Setul de date Q(αi) este memorat de calculator.
Energia de test Qnext pentru interogarea unui nou sit este calculata de program pe baza datelor acumulate anterior sau este setata de operator in cadrul testului preliminar. Pentru a seta atenuatorul pe o energie Qnext, programul efectueaza pasii urmatori:
4. Determina intervalul [ ])()( 1+÷ ii QQ αα care include Qnext.
5. Calculeaza incrementul ααα
αδα ∆⋅−
−=
+ )()()(
1 ii
inext
QQQQ , unde Δα = 5o.
6. Roteste lama semiunda cu unghiul +( δαα +i ) fata de unghiul de extinctie α0 setat de operator.
Experimental se va determina cat de des trebuie efectuata aceasta etapa (caracterizare
fascicul si calibrare atenuator). In etapa I va fi construit un soft separat, astfel incat sa poata fi usor de testat. Rezultatele caracterizarii si calibrarii, vor fi preluate si introduse in softul general de catre operator. Dupa eventualele corectii si imbunatatiri (atat software cat si hardware) si dupa determinarea intervalul de timp maxim la care trebuie facuta caracterizarea fasciculului (care implica stabilitatea parametrilor laserului), in etapa II, programul va fi integrat in softul principal.
3. Centrare proba in fascicul. Aceasta operatie se efectueaza la nivelul DSP, ea putand fi intializata atat local (de pe
panoul de control al DSP), cat si de la PC. PC preia doar rezultatul final, (centrarea s-a efectuat
cu succes sau centrarea nu s-a efectuat).
19
4. Realizare harta situri.
Calculeaza numarul total de situri pe proba, ntotal, si determina harta siturilor in arhitectura
hexagonala sau rectangulara, numeroteaza siturile reprezentate pe harta:
, (1)
unde Aoptic – aria disponibila pe proba; dT,eff – diametrul spotului laser pe suprafata probei; dsep – separarea intre siturile adiacente exprimata in numar de diametre de spot. Aoptic= πR2, pentru probe cu simetrie circulara(diameru de ½ inch, 1 inch, 2 inch); Aoptic= LxW, (L orizontal, W vertical in gama ½ inch – 2 inch) Valorile R sau L si W, dsep, dT,eff sunt setate de operator. Faciculul va fi pozitionat initial in centrul geometric al probei.
In prima etapa se utilizeaza formula ntotal pentru arhitectura rectangulara (fara factorul 3
2 ).
Gama de valori: Aoptic :10 mm2 – 2500 mm2 (default 500 mm2); dsep: 3 – 20(default 3); dT,eff : 0,2 mm – 5 mm (default 0.3 mm). Siturile se pozitioneaza intr-o matrice cu m linii si n coloane numerotate ca in fig. 1. Linia de marcare a probei se va pozitiona deasupra matricei, la distanta dsep* dT,eff de prima linie. Marcarea se realizeaza la sfarsitul procedurii de test prin iradierea a 7 situri separate la dsep* dT,eff / 2, incepand din dreptul coloanei intreg(n-2)/2, energia pulsului laser setata la valoarea maxima utilizata in cadrul testului. Dupa aceasta calculatorul seteaza originea pe primul sit(stanga sus), calculeaza distanta de la origine la centru pe axele x si y si transmite valorile la DSP. De acum incolo PC, atunci cand vrea sa se pozitioneze pe un sit va transmite catre DSP coordonatele sitului respectiv fata de origine.
5. Testare preliminara (realizata de operator). 5.1 Operatorul defineste o serie de q intervale de energie [Qi – ΔQ, Qi + ΔQ] care acopera gama de energie laser per puls disponibila pentru test, unde i este o variabila care numeroteaza aceste intervale, i = 1; 2;...q. Semilargimea intervalelor, ΔQ , se mentine constanta pe durata testului si determina eroarea statistica a valorii pragului de distrugere (fig. 2). Daca Qmin este nivelul minim de energie accesibil experimental, atunci Qi, energia medie a intervalelor succesive de largime 2ΔQ , este data de relatia Qi = Qmin + (i – 0,5)·2ΔQ (2)
Valorile Qmin, ΔQ, q sau Qmax sunt setate de operator. Gama de valori: Qmin: 2 mJ – 200 mJ(default 10 mJ);; ΔQ = 4 mJ- 40 mJ(default 20 mJ); q = 2 – 40(default 25);.
Fig. 2. Reprezentarea siturilor interogate in diagrama Q – N dupa etapa de initializare.
Fig, 3, Caracteristica de probabilitate P1(Q) fitata de algoritm cu datele din fig. 2. QL, QH: energia per puls corespunzatoare probabilitatii de distrugere de 5% , respectiv 95 %;
Qnext, energia pulsului laser calculata de algoritm pentru interogarea sitului urmator. Q, energie per puls laser; N, numar de pulsuri aplicate per sit; PN(Q), probabilitatea de distrugere a unui sit la N pulsuri aplicate per sit; Qnext, energia pulsului laser calculata de algoritm pentru interogarea sitului urmator.
5.2 Test de iradiere preliminar: operatorul seteaza o energie Q per puls din gama [Qmin, , Qmax ]; cu care interogheaza un sit, cu un numar prestabilit (NP) de pulsuri. Se repeta interogarea cu diferite energii per puls pentru 35 – 40 de situri, astfel incat sa existe situri fara distrugere dupa aplicarea unui numar NP de pulsuri per sit, si situri distruse dupa un numar minim prestabilit de pulsuri (NL) per sit. Programul software deruleaza secventa automata a interogarii siturilor cu exceptia introducerii energiei de catre operator si inregistreaza per sit: , unde este valoarea medie a energiei per puls pe situl testat, Nmin numarul de pulsuri dupa care s-a distrus situl (NP≥ Nmin). Valorile Q(default (Qmin,+ Qmax)/2), NP = 500 - 200000(default 500) , NL = 1 – 500(default 1) sunt setate de operator.
6. Testare automata.
6.1 Probabiliatea de distrugere optica, atunci cand se aplica pe sit N pulsuri de energie Qi, se calculeaza cu relatia (fig.2): , (3)
unde nD + nND reprezinta punctele experimentale incluse in intervalul [Qi ± ΔQ] definit la punctul 1. Calculeaza setul de puncte discrete de probabilitate {PN(Qi)}, i ∈[1....q], pentru doua valori ale lui N, de regula pentru valorile extreme, N = NL si N = NP.
6.2 Extrapoleaza datele {PNL(Qi)} si {PNP(Qi)} cu o functie rampa (fig. 3), care are o propagare liniara in zona de tranzitie si valorile 0, respectiv 1, in afara acestei zone. Calculeaza erorile de fitare δNL si δNP (v. Anexa 1).
6.3 Calculeaza o variabila auxiliara n: (4) Prin aceasta variabila introdusa se alege caracteristica de probabilitate ce urmeaza sa fie imbunatatita.
6.4 Pe dreapta Pn(Q) determina valorile QL, QH corespunzatoare Pn(QL) = 5 %, respectiv Pn(QH) = 95 %. Calculeaza
,m
QQdQ LH −= (5)
unde m = 4 ÷12 (default 8) este un numar intreg setat de operator.
6.5 Defineste o serie de m intervale de energie de largime dQ, in domeniul [QL, QH]:
[QL + jdQ, QL + (j+1)∙dQ], (6)
unde j este o variabila care numeroteaza intervalele {(QL, dQ, j)}, j = 0;1;2;.....m-1.
6.6 Selecteaza un interval dQ care include minimum de situri interogate, daca exista mai multe intervale cu un acelasi numar minim de situri, programul alege aleatoriu unul dintre ele. Energia de test pentru situl urmator, Qnext , este data de pozitia acestui interval (valoarea mediana a intervalului):
(7)
6.7 Interogheaza un sit nou cu NP (sau Nmin in cazul in care s-a distrus) pulsuri de energie Qnext. Inregistreaza valorile medii ale parametrilor laser: energie per puls nextQ , arie, durata.
],[ minNsauNQ P
)()()(
min
min
NNsauNNnnNNnQP
PNDD
DiN ≥>+
≤=
≤
>=
PL
PL
NNP
NNL
dacaN
dacaNn
δδ
δδ
,
,
dQjQQ Lnext )5,0( ++=
Q
22
6.8 Calculeaza Pn(Qi) pentru intervalul [Qi ± ΔQ] care include ultimul sit interogat cu nextQ .
6.9 Fiteaza {Pn(Qi)}, calculeaza eroarea de fitare δn(conform Anexa 1).
6.10 Reia algoritmul de la punctul 6.3.
6.11 Intrerupe procedura de test atunci cand δNL si δNP ≤ δmin sau daca nu mai sunt situri disponibile pe proba de test. Valoarea δmin este setata de operator.
7. Marcare proba Inainte ca proba sa fie scoasa din instalatia ISOTEST, ea trebuie marcata. In procesul de masurare, in doua poate sa apara necesitatea demontarii probei din instalatie:
a. Siturile de pe proba s-au epuizat – in momentul explorarii ultimului sit, sistemul initiaza marcarea probei, afisand aceasta in timp real pe ecranul calculatorului. Tot pe ecranul calculatorului apare un mesaj in care operatorul este avertizat de epuizarea siturilor si dupa terminarea marcarii, trebuie sa inlocuiasca proba. Dupa montarea unei noi probe, calculatorul genereaza o noua harta a siturilor, dupa care continua testul.
b. Testul s-a incheiat – in acest caz automat, dupa ce testarea automata s-a incheiat, automat calculatorul marcheaza proba, afisand aceasta pe ecran. Dupa ce marcarea s-a incheiat, operatorul este anuntat (printr-un alt mesaj pe ecran) ca poate scoate proba din instalatie.
Modul in care este marcata proba este descrisa la subcapitolul “Realizare harta situri”.
8. Calcul curbe si bugetul erorilor.
8.1 Fiteaza PN(Q) pentru restul de valori N setate de operator, calculeaza erorile corespunzatoare δN. Valorile lui N, cuprinse in intervalul [NL ÷ NP], sunt astfel alese incat sa fie aproximativ echidistante pe o scara logaritmica, de ex., N = 1 (NL); 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 (NP). NOTA : Daca una sau mai multe valori δN depasesc semnificativ δmin, operatorul poate seta reluarea algoritmului de la punctul 6 (daca mai exista situri libere) pentru alte doua valori ale lui N, de regula valorile extreme ramase (de exemplu, N = 2 si N = 200) (default NL si NP).
8.2 Pentru fiecare caracteristica PN(Q), determina pe dreapta fitata valorile Q50(N) si Q0(N), corespunzatoare probabilitatii de distrugere de 50 %, respectiv 0 %.
8.3 Transforma setul de date {Q50(N), Q0(N)} din energie per puls in densitate maxima de energie per puls conform ecuatiei: , (8)
unde effTA , este media ariei efective a spotului laser.
8.4 Reprezinta grafic curba caracteristica de distrugere {H50, H0} functie de log N.
8.5 Extrapoleaza caracteristica H0(N), H50(N) pentru un numar foarte mare de pulsuri (conform Annex C, ISO 11254-2:2001(E)).
8.6 Calculeaza bugetul erorilor (v. Anexa 2).
effTANQNH,
)()( =
23
ANEXA 1
Fitarea parametrica a caracteristicii PN(Q). Calculul
incertitudinii δN. Setul de date {PN(Qi)} este alcatuit din l puncte discrete de probabilitate de distrugere PN(Qi), 3 ≤ l ≤ q, unde q reprezinta numarul de intervale Qi ± ΔQ care acopera gama de energii per puls disponibila experimental. In general, probabilitatea de distrugere PN(Q) este o functie liniara de Q, aceasta dependenta fiind distorsionata de o perturbatie aleatoare (sau "zgomot alb") provocata de erorile de masurare si de neomogenitatile structurale ale materialului testat. Zona de tranzitie cuprinsa intre PN(Qi) = 0 si PN(Qi) = 1 este fitata cu o dreapta QbaQP NNN +=)(ˆ , (A1-1) unde aN si bN sunt parametrii caracteristici care sunt fitati cu datele experimentale, pentru un anumit numar N. Eroarea reziduala asociata fiecarui punct experimental PN(Qi) este definita astfel: .)()(ˆ)( iNNiNiNiNi QbaQPQPQPu −−=−= (A1-2) Unde iu este diferenta dintre ordonata dreptei fitate si ordonata punctului calculat experimental(Fig.4). Parametrii aN si bN se determina din conditia ca suma patratelor erorilor reziduale sa fie minima:
.0;0;])([ 2
11
2 =∂∂
=∂∂
−−== ∑∑== NN
iNNi
l
iN
l
ii b
SaSQbaQPuS (A1-3)
Din ecuatiile (3) rezulta:
∑
∑
=
=
⋅−
⋅⋅−⋅=
⋅−=
l
ii
l
iNiNi
N
NNN
QlQ
PQlQPQb
QbPa
1
22
1)(
,
, (A1-4)
unde l
QQ
l
QPP i
i
l
iiN
N
∑∑== == 11 ,
)(.
Calitatea fitarii parametrice este data de abaterea standard a parametrilor S, aN si bN:
24
∑
∑
=
=
−=
−+=
−=
l
ii
Sb
l
ii
Sa
S
QQ
QQ
Ql
lS
1
2
1
2
2
)(
1
)(
1
2
σσ
σσ
σ
(A1-5)
In final, eroarea totala de fitare este evaluata prin incertitudinea δN a fitarii parametrice:
2N
b
N
a
Nbaσσ
δ+
= . (A1-6)
Dupa finalizarea testului preliminar(3), algoritmul iterativ S-on-1 calculeaza parametrii aN, bN cu datele experimentale acumulate. Dupa interogarea unui nou sit algoritmul S-on-1 recalculeaza parametrii aN, bN si stabileste energia de test Qnext pentru situl urmator. Criteriul fundamental utilizat pentru determinarea valorii acestei energii este minimizarea incertitudinilor δNL, δNP corespunzatoare caracteristicilor de probabilitate de distrugere PNL(Q), PNP(Q) prin distribuirea de puncte experimentale in mod uniform in intervalele QH ÷ QL.
ANEXA 2
Statistica masurarii si Bugetul erorilor
s: numarul total de situri interogate. 1
J Energia medie per puls masurata pe un sit k interogat cu NP (sau Nmin) pulsuri laser, k⊂ [1....s].
2
J Abaterea standard aferenta
3
Abaterea standard relativa
4
Abaterea standard relativa a energiei per puls
5
s
QQ
s
kk∑
== 1
J
Energia per puls mediata pe siturile interogate
6
cm2
Aria efectiva medie a spotului laser
kQ
kQσ
kQε
s
s
kkQ
Q
∑== 1ε
ε
kQ
k
kQkQ Q
σε =
effTA ,
25
7
Abaterea standard relativa a ariei efective
8
s
Durata efectiva medie a pulsului laser
9
Abaterea standard relativa a duratei efective
Bugetul erorilor
1. Erori aleatoare masurate de senzorii setup-ului experimental • Abaterea standard relativa a energiei per puls: ± • Abaterea standard relativa a ariei efective a spotului laser: ± • Abaterea standard relativa a duratei efective de puls: ±
2. Incertitudinea standard in determinarea marimilor Q0(N), Q50(N), cauzata de largimea finita a intervalelor Qi ± ΔQ, se calculeaza cu relatiile
,3QQ
Qu∆
=−ε (A2-1)
unde Q este energia per puls mediata pe toate siturile interogate. • Abaterea standard experimentala a energiei per puls, εQ-exp, este determinata de relatia: εQ-exp = 22
QuQ −+ εε (A2-2)
3. Erori sistematice si de calibrare (setate de operator). • Incertitudinea standard de calibrare a detectorului de energie: ± • Incertitudinea standard de calibrare a monitorului de energie: ± • Incertitudinea standard de calibrare in energie a separatorului holografic: ± • Incertitudinea standard relativa data de largirea profilului temporal de puls: ± • Incertitudinea standard relativa data de integrarea numerica a profilului temporal: ± 4. Erori totale. • Eroarea (rms) in masurarea energiei laser: (A2-3) • Eroarea (rms) in masurarea densitatii de energie: (A2-4) • Eroarea (rms) in masurarea densitatii de putere : . (A2-5) 9. Salvare date si intocmirea fisei de test.
Dupe efectuarea calculelor, si obtinerea curbelor de distrugere, sistemul genereaza raportul de test si salveaza datele in DB (atunci cand acesta va fi implementat). Rezultatul efectiv al testului este acest raport (printat). In anexa 3 este descris continutul raportului de test.
QεAε
Du−εMu−ε
Fu−εSau−ε
Siu−ε
tε
2222exp FuMuDuQtotalQ −−−−− +++±= εεεεε
22AtotalQH εεε +±= −
2222SiuSautHE −− +++±= εεεεε
efft
tε
Aε
26
ANEXA 3
Raport de Test
1. Numele laboratorului si al persoanei care a efectuat testul. 2. Caracteristici / cod proba, producator, data fabricatiei. 3. Metoda de curatire, conditii de stocare: curatire manuala cu hartie pentru lentile si
alcool isopropilic; stocare in ambalajul producatorului in conditii normale de laborator. 4. Ambientul de test: aer curat filtrat, temperatura 24 oC ± 2 oC. 5. Parametrii laserului de test:
– Lungimea de unda: – Unghiul de incidenta: – Starea de polarizare: – Frecv. de repetitie a pulsurilor laser: – Profilul spatial de fascicul in planul probei – Aria efectiva a spotului laser pe suprafata probei: + (profil 3D); – Durata pulsului (FWHM) + diagrama profil temporal; – Durata efectiva a pulsului: .
6. Procedura de test a. Numar de situri per proba: 200 b. Dispunerea siturilor de test: egal distantate; c. Numarul de pulsuri aplicate per sit: NP d. Separarea siturilor adiacente: dsep.
7. Bugetul erorilor 8. Rezultatul testului
a. Caracteristicia H0(N), H50(N) extrapolata pentru un numar mare de pulsuri per sit. b. Morfologia unui sit distrus obtinuta cu un microscop Nomarski.
10. Butonul de urgenta si starea laserului.
In figura 2.1 in schema bloc la nivelul obturatorului de fascicul, am figurat un buton de urgenta. Apoi, la descrierea controllerului I/O al DSP, am precizat ca pe una din intrarile TTL se monitorizeaza permanent starea butonului de urgenta. Deasemenea am descris ca la pornire laserul are nevoie de un interval de timp necesar intrarii in regim, rezultand trei stari pentru laser:
• Laser OFF; • Laser ON dar nu a ajuns la regim de lucru; • Laser ON si in regim de lucru;
Pe tot timpul testului, programul PC va monitoriza prin intermediul DSP, starea laserului si a butonului de urgenta. In cazul in care butonul de urgenta a fost actionat sau laserul iese din starera ON si in regim de lucru, programul se va opri (va “ingheta”), dand posibilitatea operatorului sa remedieze deficienta sau sa anuleze testul.
IV. Interfata grafica
Programul trebuie sa aiba doua moduri principale de lucru: un mod de lucru manual (Service) si un mod de lucru automat (Procedura Test). In modul de lucru Automat etapele descrise la capitolul trei sunt executate succesiv in ordinea in care au fost introduse. In modul manual ordinea etapelor nu mai este obligatorie, operatorul avand posibilitatea sa selecteze o etapa sau mai multe intr-o ordine decisa de el. In meniul principal va fi alocata o zona in care exista o lista a etapelor. In dreptul fiecarei etape exista un indicator de tip semafor. In modul Automat indicatorul semafor are trei stari: etapa urmeaza sa fie efectuata, etapa se executa, etapa a fost executata. In acest fel operatorul stie in orice moment in ce etapa se afla testul. In modul
27
manual campul de listare a etapelor foloseste la selectia lor de catre operator(se selecteaza una sau mai multe etape pe care le initiaza).
Din punct de vedere al interfetei grafice, in functie de etapele de executare putem avea mai multe meniuri si interfete grafice (cu mentiunea ca ele nu sunt in faza definitiva, urmand sa fie specificate in detaliu pe parcursul dezvoltarii softului PC). In etapa I, atunci cand se vor testa individual portiuni din softul general, echipa de dezvoltare a instalatiei ISOTEST, impreuna cu echipa ce dezvolta programul PC, vor stabili in detaliu interfetele grafice, datele afisate, comenzile si interconditionarile lor.
In figurile 4.1 si 4.2 sunt schitate interfetele grafice(generice), pentru etapa de initializare si meniul principal.
28
Fig. 4.1. Interfata grafica meniu initializare
3. Definire parametrii
Qmin = XXX J
ΔQ
XXX J
NL
XXX
NP = XXXX
dfascicul = XXX
dsep = *dfascicul XXX
m
Qmax
XXX J
j = XXX
4. Start algoritm automat de operare
2. Calibrare
Start calibrare atenuator Start masurare profil spatial si temporal
Meniu drop-down selectare calibrari efectuate la proba anterioara
1. Definire
Proba - - - - - - - - - - D
XX,X
m
L = XX,X
m
W = XX,X
m
0.5 inch 1 inch 1.5 inch 2 inch Custom
D
L W
29
Fig. 4.2. Interfata grafica meniul principal
30
Atat in meniul de initializare cat si in meniul principal se pot deschide ferestre de dialog pentru afisarea de informatii suplimentare si introducerea de date de catre operator; de exemplu: la meniul de initializare se poate deschide fereastra de dialog care permite introducerea setarilor de configurare a sistemului, descrise in tabelul 4.1. Aceste setari se introduc la intervale de timp mari, de aceea sunt introduse prin intermediul unei ferestre de dialog separate, diferita de ferestrele de dialog pentru introducerea parametrilor de test Unitate Valoare Semnificatie
{N} 9 Set de numere pentru care se calculeaza PN(Q)
δmin Valoarea limita a erorii δn
εu-D Incertitudinea standard de calibrare a detectorului de energie
εu-M Incertitudinea standard de calibrare a monitorului de energie
εu-F Incertitudinea standard de calibrare in energie a separatorului holografic
εu-Sa Incertitudinea standard relativa data de largirea profilului temporal de puls
εu-Si Incertitudinea standard relativa data de integrarea numerica a profilului temporal
Tabelul 4.1. Setari configurare a sistemului
In tabelul 4.2 sunt listati toti parametrii introdusi de catre operator prin intermediul ferestrelor de dialog, atat la nivelul meniului de initializare, cat si la nivelul meniului principal.
Nr Simbol unitati Descriere
1 Aoptic mm2 Aria disponibila pe proba de test
2 dT,eff mm Diametrul spotului laser pe suprafata probei
3 dsep Separarea intre siturile adiacente exprimata in numar de diametre de spot
4 Q J Energie per puls setata de operator (initializare)
5 Qmin J Energia minima disponibila experimental
6 q Numarul de intervale de de energie disponibile pentru test
7 ΔQ J Semilargimea intervalelor disponibile pentru test
8 NP Numarul de pulsuri laser aplicate per sit interogat
9 NL Numarul minim de pulsuri pentru care se calculeaza probabilitatea de distrugere PN(Q)
10 {N} Set de numere pentru care se calculeaza PN(Q), N ⊂ [NL – NP], de regula 9 valori echidistante pe scala logaritmica
11 n Variabila auxiliara cu doua valori, uzual NL si NP
12 m Numarul de intervale din zona de tranzitie a caracteristicii PN(Q)
31
13 δmin Valoarea limita a erorii δn
14 εu-D Incertitudinea standard de calibrare a detectorului de energie
15 εu-M Incertitudinea standard de calibrare a monitorului de energie
16 εu-F Incertitudinea standard de calibrare in energie a separatorului holografic
17 εu-Sa Incertitudinea standard relativa data de largirea profilului temporal de puls
18 εu-Si Incertitudinea standard relativa data de integrarea numerica a profilului temporal
Tabelul 4.2. Parametri introdusi de catre operator
Tabelul 4.3 centralizeaza caracteristicile importante ale interfetei grafice, pentru fiecare etapa a programului. Nr Etapa GUI 1 Pornire si initializare Interfata distincta, functii “skip” si de pastrare date introduse anterior; 2 Caracterizare fascicul,
calibrare atenuator Functie “skip” cu incarcare date anterioare, functie de pauza, stop, forced stop;
3 Centrare proba O face DSP, operatorul da comanda si citeste rezultatul pe PC, prin intermediul interfetei grafice;
Tabelul 4.3. Caracteristici esentiale ale interfetei grafice pentru etapele parcurse de programul PC
32
V. Rezumat
Asa cum era specificat in capitolul Introducere dezvoltarea softului PC se va face in doua etape. De asemenea pe parcursul acestui document acolo unde a fost necesar a fost specificat ce anume din etapa/comunicarea cu perifericul respectiv se va face in etapa I si ce ramane pentru etapa II. In tabelul 5.1 sunt rezumate toate particularitatile de dezvoltare ale softului PC pentru cele doua etape. Periferic/etapa Etapa I Etapa II
Perif
eric
e
DS Soft separat calibrare. Integrare in soft general. DT+Osciloscop Soft separat calibrare. Integrare in soft general, integrarea Grenouille
(caracterizare temporala pentru laserul de femtosecunde)
ME Integrare in soft de calibrare/ general.
DB Dezvoltare baza de date pentru alt PC. DSP Integrare in soft
general.
Etap
e te
st
Pornire si initializare Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general. Caracterizare fascicul, calibrare atenuator
Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general.
Centrare proba Integrare in soft general. Realizare harta situri Integrare in soft
general.
Testare preliminara Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general. Testare automata Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general. Marcare proba Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general. Calcule, bugetul erorilor
Dezvoltare soft separat. Integrare in soft general.
Salvare date in DB intocmire raport test
Intocmire raport test Salvare date in baza de date DB (pe alt calculator
