НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

МГТУ им. Н.Э. Баумана

alex_boldy@mail.ru

smirnova@bmstu.ru

В настоящее время существует широкий выбор специальных программ, позволяющих проектировать, тестировать и анализировать приборы на этапе их создания, т.е. создавать модель реальных систем или устройств на компьютере. Но, для подготовки квалифицированных инженеров требуется умение исследовать реальные физические процессы на реальном оборудовании, т.е. иметь достаточные навыки работы с приборами. Однако, не всегда существует возможность прямого контакта с оборудованием из-за ряда причин, таких как: наличие вредных и опасных для здоровья человека условий, уникальность оборудования либо слишком большая удаленность объектов изучения. Поэтому, чтобы идти в ногу со временем, МГТУ им. Н.Э. Баумана выступает одним из разработчиков нового направления совершенствования образовательных технологий, а именно, разработка виртуальных автоматизированных лабораторий с удаленным доступом. Здесь слово «виртуальный» не означает демонстрацию модели или симуляцию эксперимента, оно значит лишь то, что панель управления лабораторного стенда заменена на компьютерную визуализацию, то есть органы управления приборов и индикаторы изображены на экране монитора студента, а измерительное оборудование является реальным. Студент, обучающийся по программе дистанционного образования, может, находясь в любой точке планеты через глобальную сеть Интернет, получить доступ к уникальному дорогостоящему оборудованию и выполнить лабораторную работу.

На кафедре Радиотехнические системы и устройства, РЛ-1, создан учебно-исследовательский дистанционно-управляемый лазерный стенд, который позволяет организовать лабораторные практикумы по дисциплинам: «Квантовая электроника», «Нелинейная оптика», «Основы лазерной техники» и «Лазерные информационные системы». Студенту МГТУ, а также любому партнерскому университету предоставляется возможным из оборудованного компьютерного класса провести практическую работу самостоятельно. Необходимо отметить, что помимо удаленной работы, уникальности стенда и опасности при работе с ним непосредственно в лаборатории, нужно добавить такой фактор, как сведение к минимуму влияния человека при контакте со стендом. Это значит, что снижается вероятность разъюстировки, нанесения повреждения дорогостоящей аппаратуре и др. факторов снижающих эффективность работы стенда.

На сегодняшний день лазерный стенд, основой которого является лазер на гранате (Nd:YAG), позволяет измерять характеристики лазерного излучения в нескольких режимах:

- свободной генерации на длине волны основной гармоники 1,064 мкм;

- генерации моноимпульса на длине волны основной гармоники 1,064 мкм;

- генерации моноимпульса на длине волны второй гармоники 0,532 мкм.

Средства измерений, входящие в состав стенда, позволяют регистрировать следующие параметры лазерного излучения и стенда:

- энергию накачки;

- энергию импульса излучения;

- форму импульса накачки;

- форму импульса излучения;

- распределение интенсивности излучения по сечению луча.

Структурная схема реализации принципа удаленного управления приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема организации удаленного режима управления: Пользователь ↔Глобальная сеть ↔Сервер удаленного доступа ↔Маршрутизатор ↔Управляющий вычислительный комплекс ↔ Лазерный стенд.

Управление стендом, сбор результатов и обработка информации осуществляется управляющим вычислительным комплексом УВК на основе ПЭВМ, оснащенной необходимыми интерфейсными схемами. УВК строится на базе персонального компьютера, оснащенного набором портов ввода/вывода, контроллеров и встраиваемых приборов под управлением программной среды LabView. Среда LabView дает возможность создавать виртуальные приборы, которые управляют реальными.

Система синхронизации обеспечивает последовательность работы элементов стенда в зависимости от режима работы, режима доступа и алгоритма исследований, синхронизацию измерительных, регистрирующих и управляющих устройств. Юстировочные устройства позволяют обеспечить необходимую геометрию резонатора лазера и правильное положение оптических элементов схемы и датчиков. Система охлаждения обеспечивает необходимый температурный режим. Измерительные и регистрирующие устройства обеспечивают сбор данных о параметрах лазера и лазерного и излучения и передачу их в УВК.

Рис. 2. Структурная схема лазерного стенда

Рис. 3.  Передняя панель управления лазерным стендом.

На рис. 3 показаны: осциллограмма импульсов накачки и излучения, полученных с реального осциллографа,  основные органы управления составом лазерного излучателя, ее функциональная схема, органы управления энергией и модовым составом лазерного импульса.

Эффективность и актуальность данного метода не дают в себе усомниться:

- во-первых: повышаются степень усвоения материала студентом и уровень практических навыков работы с функциональными элементами стенда, т.к. студент самостоятельно выполняет работу, управляет реальными приборами через их виртуальные органы управления и следит за отработкой команд управления через Web-камеру лазерного стенда;

- во-вторых: повышаются пропускная способность данного стенда и улучшаются условия проведения лабораторной работы. Каждый студент, исходя из своих предпочтений, резервирует дату и время выполнения им данной работы;

- в-третьих: снижается вероятность выхода из строя оборудования стенда и степень риска поражения лазерным излучением;

- в-четвертых: экономически более эффективным является оснащение аудитории компьютерами, чем специфическим, как правило, дорогостоящим лазерным оборудованием.

Список литературы.

1. Дж. Тревис. LabViewдля всех. Издательство ПриборКомплект, 2005, 539 стр.

2. О. Звелто. Принципы лазеров. Издательство Мир, 1990, 559 стр.