Мультиплексная система для измерения температуры на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Дехтяр, Андрей Васильевич

• Дехтяр, Андрей Васильевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дехтяр, Андрей Васильевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1.ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ И МУЛЬТИПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ.

1.1 ВОД температуры и их мультиплексирование. Состояние работ.

1.2 ВОД на основе микрорезонаторов. Состояние работ.

1.3 Мультиплексирование МР ВОД. Состояние работ.

1.4 Постановка задачи.

2.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МР ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ, ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

2.1 Типы MPC и их изготовление.

2.2 Методы возбуждения и регистрации колебаний.

2.3 Влияние температуры на частоту собственных колебаний MPC. Пороговая чувствительность ВОД температуры.

2.4 Выводы по главе 2.

З.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУР И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ЧАСТОТУ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ.

3.1 Моделирование процессов возбуждения МР, взаимодействующих с волоконным лазером.

3.2 Оптимизация параметров MPC для создания МР ВОД температуры.

3.3 Выводы по главе 3.

4.РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ.

4.1 Конструкции измерительных головок микрорезонаторных ВОД на основе интерферометра Фабри-Перо и автоколлиматора.

4.2 Технологическая установка для сборки чувствительных элементов МР ВОД.

4.3 Сборка макета МР ВОД и исследование его характеристик.

4.4 Выводы по главе 4. б.МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

5.1 Метод мультиплексирования ВОД на основе ВОЛ.

5.2 Аппаратная реализация системы мультиплексирования микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков температуры.

5.3 Алгоритмы и ПО для обработки данных и взаимодействия с внешней вычислительной системой.

5.4 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мультиплексная система для измерения температуры на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков»

Актуальность темы диссертации.

Температура — фундаментальная физическая величина, без измерения и контроля которой не обходятся почти никакие технологические процессы и научные исследования. Это обуславливает широкую потребность в прецизионных датчиках температуры и в мультиплексных измерительных системах, подключаемых к компьютеризированным комплексам сбора и анализа данных.

Перспективным направлением развития средств измерения температуры является создание пассивных волоконно-оптических датчиков (ВОД), объединяемых в мультиплексные системы с помощью волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). При этом не только улучшаются или сохраняются такие метрологические характеристики традиционных датчиков, как пороговая чувствительность, быстродействие, точность, диапазон измеряемых воздействий, но и появляются существенные дополнительные преимущества — возможность работы в условиях сильных электромагнитных полей (помехозащищенность), отсутствие цепей питания (пассивность), возможность удаления первичного измерительного преобразователя от регистрирующей аппаратуры (дистанционность). Для ракетно-космической техники (РКТ) особенно важными являются значительное снижение массо-габаритных характеристик, радиационная стойкость. Существенным фактором является однородность средств измерения различных физических воздействий и простота объединения в мультиплексные измерительные комплексы с возможностью передачи значительно большего объема информации с применением ВОЛС.

Большинство применяемых на практике волоконно-оптических датчиков температуры являются амплитудными, то есть требуют применения специальных мер для уменьшения влияния дрейфов параметров источника и приемника излучения и флуктуаций потерь оптической мощности в волокне.

Преодоление этих ограничений достигается созданием волоконно-оптических датчиков, основанных на частотном кодировании измеряемой величины. Благодаря использованию сигнала в частотной форме, достигается высокая точность и широкий динамический диапазон измерения ВОД и появляются дополнительные преимущества. Во-первых, простота преобразования в цифровую форму записи информации, что упрощает интеграцию с измерительными комплексами, и, во-вторых, увеличивается дальность передачи по аналоговым линиям связи, что дает возможность относить первичный измерительный преобразователь от регистрирующей аппаратуры на расстояния до нескольких километров.

Один из эффективных способов реализации данного метода на практике основан на применении микромеханических резонансных структур (MPC), в которых под воздействием света возбуждаются акустические колебания, вызывающие модуляцию параметров оптического излучения в ВОД. Перспективным направлением развития данного типа ВОД является создание автогенераторных ВОД, в которых для возбуждения колебаний и для их регистрации применяется один и тот же источник излучения — волоконно-оптический лазер (BOJI). Такой подход значительно упрощает построение мультиплексных систем измерения температуры (и других физических величин) на основе микрорезона-торных волоконно-оптических датчиков (МР ВОД), с частотным разделением каналов, соответствующим различным измерительным головкам (ИГ) микрорезонаторных ВОД.

Практическое внедрение мультиплексных систем измерения, переводит контроль температуры в автоматизированных технических системах на новый уровень.

Таким образом, актуальность диссертации обусловлена большими практическими потребностями, в том числе и для ракетно-космической техники, в создании мультиплексных измерительных комплексов температуры на основе пассивных волоконно-оптических датчиков с частотным выходом, обладающих существенными преимуществами перед традиционными средствами измерения.

Цель работы

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование характеристик оптически возбуждаемых MPC; влияния температуры на частоту акустических колебаний микромеханических резонаторов и методов ее регистрации, оптимизация параметров микрорезонаторов для создания на их основе пассивных волоконно-оптических датчиков температуры (ВОДТ) с частотным выходом; разработка и реализация системы мультиплексирования микрорезонатор-ных волоконно-оптических датчиков температуры.

На защиту выносятся:

1.Результаты теоретических и экспериментальных исследований автоколебательных систем волоконно-оптический лазер - микрорезонатор.

2.Принципы оптимизации конструкции чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков температуры и технологии их сборки.

3.Принципы мультиплексирования измерительных систем на основе волоконного лазера и микрорезонаторов.

4.Мультиплексная система измерения температуры с частотным разделением каналов на основе автогенераторных микрорезонаторных ВОД.

Научная новизна работы

•Разработаны и исследованы макеты волоконно-оптических датчиков температуры на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонаторных структур, пригодных для их объединения в единый измерительный канал. Новизна решений подтверждена патентами на изобретение;

•проведено моделирование условий возбуждения рассматриваемых систем с точки зрения их оптимизации для построения мультиплексных систем;

•исследованы метрологические характеристики автогенераторных ВОДТ, создан макет мультиплексной системы для измерения температуры.

Практическая значимость работы.

Работа велась по Государственным контрактам с РКА в обеспечение Федеральной космической программы (тема «Сенсор»). Разработаны микрорезонаторные волоконно-оптические датчики температуры автогенераторного типа; создана мультиплексная система на их основе; проведена оптимизация параметров измерительной схемы.

Достоверность результатов диссертации.

Достоверность подтверждена результатами математического и физического моделирования, использованием для измерений и оценок современной прецизионной аппаратуры, компьютерной техники и программного обеспечения.

Реализация и внедрение.

Результаты НИР доведены до стадии перевода в ОКР. Получены акты о внедрении результатов диссертационной работы из РКА, ИРЭ РАН, МГУЛ.

Апробация работы

Включенные в диссертацию материалы докладывались и обсуждались на LII и LUI всероссийских научных сессиях РНТОРЭС им. А.С.Попова, Москва, 1997-1998г.; конференции молодых ученых РКК «Энергия», Калининград, 1996г.; III всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 1998г.; семинарах ИРЭ РАН и конференциях аспирантов МГУЛ 1997-1999г.;

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ в открытой печати и 3 научно-технических отчета по теме «Сенсор». Получено 3 патента на изобретение и 3 положительных решения ФИПС на выдачу патента.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 183 страницы, в том числе 151 страницу основного текста, 78 рисунков. Список литературы включает 79 наименований.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Дехтяр, Андрей Васильевич

5.4 Выводы по главе 5.

Рассмотрена возможность практической реализации метода мультиплексирования ВОД на основе ВОЛ. Проведены оценки технических параметров мультиплексной системы. Количество измерительных каналов каналов ограничивается либо мощностью источника, либо диапазоном изменения накачки для соответствия применяемым MPC. Создан лабораторный макет восьмиканальной мультиплексной системы измерения температуры. Метрологические параметры лабораторного макета составили: коэффициент преобразования «0,02%/°С; относительный уровень флуктуацийчастоты 2-10"5; быстродействие «0,3сек-, отношение сигнал/шум 20 + 30дБ ; погрешность измерения 0,2%. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для обработки выходного сигнала мультиплексной системы. Показана возможность взаимодействия с внешними вычислительными комплексами.

Заключение.

Сформулируем основные результаты и выводы работы:

1 .Разработаны принципы создания температурных датчиков с частотным выходом на основе автогенераторных схем волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Предложены конструкции измерительных головок микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков температуры. При использовании кремниевых резонаторов и металлических покрытий диапазон измерений может составлять - 200 ч- 600°С.

2.Предложены принципы мультиплексирования микрорезонаторных ВОД температуры автогенераторного типа. Разработаны принципиальная схема, блоки управления и обработки сигналов, алгоритмы и программное обеспечение для мультиплексной системы на восемь каналов.

3.Проведено численное моделирование взаимодействия микрорезонаторов с волоконно-оптическим лазером. Результаты подтверждают основные выводы, полученные из экспериментов. Предложена методика расчета для создания устройств с прогнозируемыми характеристиками.

4.Разработан технологический процесс и оснастка для сборки измерительных головок микрорезонаторных ВОДТ.

Инженерная новизна решений подтверждена патентами на изобретение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дехтяр, Андрей Васильевич, 1999 год

1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы вопросы расчета и применения. — М.: «Энергоатомиздат», 1990.-256с.

2. Martens G., Kordts J., Weidinger G.// Fiber and Integrated Optics,1987, v.6, #4, pp.363-378.

3. Коптев Ю.Н., Гориш A.B., Карнаух И.А.// Радиотехника, 1995, №12, с.70-74.

4. Babnik A., Kobe A., Kuzman D., Bajsic I., Mozina J.// Sensors and Actuators A, 1996, pp.203-207.

5. Grattan K.T.V., Selli R.K. and Palmer A.W.// Rev. Sci. Instrum.,1988, #59, pp.1328-1335.

6. Grattan K.T.V., Manwell I.D., Sim S.M.L., Willson C.A.// IEEE Proceed., 1987, v.124, #5, pp.291-294.

7. Sun Т., Zang Z.Y., Grattan K.T.V., Palmer A.W.// Rev.Sci.Instrum., 1998, v.5, #1, pp.146-151.

8. Hildebrand F.B., Introduction to Numerical Analysis, New York,1974.

9. Yun-Jiang Rao // Meas. Sci. Technol., 1997, #8, pp.355-375.

10. O.Alan D. Kersey, Michael A. Davis, Heather J. Patric et.al.// J. Lightwave Technol., 1997, v. 15, #8, pp. 1442-1462.

11. Gottlieb M., Brandt G.B.// Applied Optics, 1981, v.20, #19, pp.3408-3414.

12. Eyal O., Scharf V, Katzir A.// Appl. Phys. Lett., 1997, v.7, #12, pp.1509-1511.13.3асовин Э.А. и др. Волоконно-оптические преобразователи в системах передачи данных.//Итоги науки и техники — М., «Связь», т. 8, с.24-109.

13. Petersen К.Е.// Proc. IEEE. 1982,v70, #5, рр.420-457.

14. Culshaw В.// Fibre Optic Sensors 1, SPIE Proc., 1987, v.798, pp.346-351.

15. Weigert Stefan, Dreier Markus and Hegner Martin// Appl. Phys. Lett., 1996, v.69, #19, pp.2834-2836.

16. Cleland A.N., Roukes M.L.// Appl. Phys. Lett., 1996, v.69, #18, pp.2653-2655.

17. Douma B.S., Eigenraam P and Hatlem P.// Sensors and Actuators A., 1992, v.31, pp.215-219.

18. Langdon R.M., Lynch В J.// GEC Journal of Research, 1988, v.6, #1, pp.5 5-62.

19. Zhang L.M., Uttamchandani D., Culshaw В.// Electron. Lett., 1989, v.25, #2, pp. 149-150.

20. Langdon R.M. et.al.// Proc. of Fibre Optic Sensors II. The Hagne, 1987, pp.86-93

21. Thornton K.E.B., Uttamchandani D., Culshaw В.// Electron. Lett., 1986, v.22, #23, pp.1232-1233.

22. Rao Y.J., Walsh D., Uttamchandani D., Culshaw B.// Electron. Lett., 1991, v.27, #11, p.948.

23. Walsh D., Culshaw В.// Sensors and Actuators A., 1991, v.25-27, pp.711-716.

24. Zhang L.M., Walsh D., Uttamchandani D., Culshaw B.// Sensors and Actuators, 1991, v.29, pp.73-78.

25. Angelidis D. And Parsons P.// Optical Engineering. 1992, v.31, #8, pp. 163 8-1641.

26. Burkov V.D., Egorov F.A., Potapov V.T., Tregub D.P. et.al.// Proc. conf. ISFOC'93, St.Peterburg, 1993.

27. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудковский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение. — JL, «Наука», 1979, 183с.

28. Pember A., Smith J. and Kemhadjian H.// Sensors and Actuators A., 1995, v.46-47, pp.51-57.

29. Jones R.E., Naden J.M. and Neat R.C.// Proc. IEEE, 1988, v. 135 Pt.D., #5, pp.353-358.

30. Stokes N.A.D., Fatah R.M.A., Venkatesh S.// Electron. Lett., 1988, v.24, #13, pp.777-778.

31. Егоров Ф.А. Автомодуляция интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с микрорезонаторными структурами. Автореферат на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук. М., 1997.

32. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Потапов В.Т.// Письма в ЖТФ., 1997, т.23, вып.6., с.33-39.

33. Culshaw В.// Sensors and Actuators, 1995, v.46-47, pp.463-469.

34. Churenkov AM.if Sensors and Actuators, 1996, v.57, pp.21-27.

35. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Малков Я.В., Потапов B.T.//LIII Научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов., М., 1998, с.133.

36. Чуренков А.В. Микрорезонаторные волоконно-оптические датчики физических воздействий. Автореферат на соискание уч. степ. канд. физ.-мат. наук. М., 1991.

37. Zhang L.M., Uttamchandani D., Culshaw В.// Electron. Lett., 1989,v.25,#18, pp. 1235-1236.

38. Grattan K.T.V., Palmer A.W., Saini D.P.S.// J. of Lightwave Technology, 1987, v.5, #7, pp.972-979.

39. Wolfelshneider H., Phylip J., Kist R.// Springer Procc. In Phys., 1989, v.44, pp.291-299.

40. Листвин B.H., Александров А.Ю., Козел C.M., Чуренков A.B.// Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, вып. 15, с.36-39

41. Коптев Ю.Н., Бурков В.Д, Гориш А.В., Егоров Ф.А.// Электромагнитные волны и электронные системы, №1, т.2, 1997, с.31-38.

42. Бурков В.Д., Гориш А.В., Коптев Ю.Н., Трегуб Д.П.// Электромагнитные волны и электронные системы №2, т.2, 1997, с.92-95.

43. Патент РФ 2116631 приоритет от 21.6.96 опубликован в БИ 21 от 27.7.98 Бурков В.Д., Гориш А.В., Дехтяр А.В.,Кузнецова В.И., Мал-ков Я.В., Потапов В.Т. и др. «Волоконно-оптический автогенератор».

44. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т.1(кн.1) // Под общ. ред. Ю.Н. Коптева — М.: ИПРЖР, 1998 — 458 с.

45. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Потапов В.Т.// Письма в ЖТФ, т.22, в. 18, 1996, с. 16-20.

46. Churenkov A.V., Kosel S.M., Listvin V.N.// Soviet Lightwave Communications, 1991, v. 1, #3.

47. Козел C.M., Листвин B.H., Чуренков A.B.// Оптика и спектроскопия, 1990, т.69, вып.З, с.675-677.

48. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Шаталин СВ.// Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, вып.8, с.60-63.

49. Окоси Т., Окамото К. и др. Волоконно-оптические датчики. JL: Энергоатомиздат, 1990- 256 с.

50. Бабаков И.М. Теория колебаний., М., Наука, 1968-559 с.

51. Патент РФ 2110049 приоритет от 23.8.96 опубликован в БИ 12 от 27.4.98.Бурков В.Д., Гориш A.B., Дехтяр A.B., Коптев Ю.Н., Кузнецова В.И., Малков Я.В. и др. «Волоконно-оптический датчик температуры на основе микрорезонатора».

52. Бурков В.Д., Егоров Ф.А., Малков Я.В., Потапов В.Т.// Радиотехника, 1998,№3, с.36-40.

53. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие., М., Диалог-МИФИ, 1997-350 с.

54. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5., М., Солон, 1998-400 с.

55. SIMULINK. User's Guide. Natick, 1990.

56. Дехтяр A.B. Методы оптимизации параметров микрорезона-торных чувствительных элементов для волоконно-оптических датчиков.// Экология, мониторинг и рациональное природопользование, вып. 302(11), М.,1999, с.109-115

57. Сегерлинд Л.Д. Применение метода конечных элементов., М, Мир, 1979-392 с.

58. ANS YS. Interactive User's Guide, 1996.

59. Физические величины: Справочник.// Под ред. И.Г. Григорьева.— М., Энергоатомиздат, 1991- 1232 с.

60. Стерлинг Д.Д. Техническое руководство по волоконной оптике., М., Лори, 1998-288 с.

61. Дехтяр A.B., Кухта A.B., Макет измерительной головки микро-резонаторного датчика температуры./ДП Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и средства измерений физических величин». Тезисы докладов. Часть III. Нижний Новгород, 1998, с.26.

62. Дехтяр A.B., Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик температуры. //LUI Научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов., М., 1998, с. 142.

63. Дехтяр A.B., Макетирование и измерение характеристик мик-рорезонаторного волоконно-оптического датчика температуры.// Экология, мониторинг и рациональное природопользование, вып.294(П), М.,1998, с.167-171.

64. Температурные измерения: Справочник.// под. ред. O.A. Геращенко, Киев, Наукова думка, 1984-495 с

65. Бурков В.Д, Егоров Ф.А., Артемов Ю.А., Злобин Д.А.// Экология, мониторинг и рациональное природопользование. Научные труды, в.294(П) Министерство общего и профессионального образования РФ, МГУЛ,М., 1998, с.151-157.

66. Патент РФ 2117934, приоритет от 27.9.96, опубликован в БИ 23 от 20.8.98 Бурков В.Д., Гориш A.B., Дехтяр A.B., Егоров Ф.А., Коптев

67. Ю.Н., Кузнецова В.И., Малков Я.В., Потапов В.Т. и др. «Волоконно-оптический автогенератор».

68. Решение ФИПС от 25.01.99 на выдачу Патента РФ по заявке на изобретение 97-110753/28 от 26.06.97 на «Волоконно-оптический автогенератор» авторов Бурков В.Д., Гориш A.B., Дехтяр A.B., Егоров Ф.А., Коптев Ю.Н., МалковЯ.В., Потапов В.Т. и др.

69. Пербичн.применен. Поз-оБозначв-НИ9 НаимгноЬанив Кол Примечание1. Резонаторы кЬари,е£Ьые

70. BQ1 РК-374-МД-20000К АДКШ.433. 510. 013ТУ 11. КонЗенсаторы 1. К10-17-16 ОЖ0.460.172ТУ 1. К50-35 ОЖ0.464.214-11ТУ 1. К50-40 ОЖ0.464.242ТУ11-ВЗ 1. КТ4-21 ОЖ0.450.513-14ТУ