автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование возможности создания многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

ФАМ ШОН ЛАМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕРМОУПРУГОМ ЭФФЕКТЕ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КВАРЦЕ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

005059346

005059346

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Полыциков Георгий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Дёмин Анатолий Владимирович.

кандидат технических наук, доцент, Мешалкина Марина Николаевна.

Ведущая организация: Научно-техническое предприятие, ООО «ТКА».

Защита состоится «11» июня 2013 г. в часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 313-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу: 197101, СПб, Кронверкский пр, 49, СПб НИУ ИТМО, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан « » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.227.01, кандидат В.М. Красавцев

технических наук, доцент

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Приёмники излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце (ТУП) разработаны в Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов и систем. Разработанные ТУПы описаны в ряде публикаций. В процессе разработки были проведены теоретические и экспериментальные исследования их параметров и характеристик. Разработанные и изготовленные на их основе в ЛИТМО фотоприёмные устройства прошли экспериментальную проверку и практическое использование в совместных работах с такими организациями как ГОИ им. Вавилова, ЛОМО, ВНИИОФИ и с рядом других.

В процессе выполнения этих работ вьивилось, что приемники излучения типа ТУП обладают долговременной стабильностью, устойчивостью к лучевым перегрузкам, широким рабочим спектральным диапазоном при небольшой и монотонной неравномерности спектрального распределения его чувствительности. Их постоянная времени может быть доведена до Ю-6 с.

В предыдущих работах ТУПы достаточно подробно теоретически и экспериментально исследовались в случае работы с моноимпульсным излучением лазера, либо со стационарным гармонически модулированным потоком излучения. При этом гармонически модулированный поток математически представлялся знакопеременным воздействием. И в том и в другом случае не учитывалось влияние средней мощности измеряемого потока на параметры сигнала и характеристики приёмника излучения. Однако при практическом применении в ряде случаев отмечался некоторый дрейф сигнала измерительных устройств с этим приёмником излучения. Подробный анализ причин этого дрейфа не производился.

Приёмник излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце это прежде всего тепловой приёмник излучения и имеет достаточно сложную частотную характеристику в диапазоне от сотых долей Гц до десятков и более кГц. С учётом того, что часто ему приходится работать со значительными и не постоянными во времени потоками излучения это может приводить к возрастанию ошибок измерений при переходных процессах.

В связи с повышением требований к средствам измерения и для расширения области применения ТУПов выявилась необходимость в продолжении работ по изучению и совершенствованию приёмников на термоупругом эффекте.

Бурное развитие науки и технологии лазерных источников излучения вывело их практическое применение принципиально на новый более высокий уровень. В частности в ряде случаев ощущается потребность в фотометрических устройствах контролирующих распределение потока в пучке излучения лазера или устройствах, обладающих позиционной чувствительностью. И в том и другом случае необходимы многоэлементные приёмники излучения. Для успешного использования приёмника на термоупругом эффекте с учётом современных требований появилась необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и методических разработок.

Из выше изложенного следует, что проведение дополнительных исследований по совершенствованию приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и анализ возможностей создания многоэлементных приёмников на их основе является аюуальным.

Дель работы

Целью работы явилось проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ для исследования возможности дальнейшего совершенствования этого типа приёмников излучения и, в частности, создания многоэлеметных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце для решения фотометрических задач с оценкой пространственного распределения потока излучения.

Основные задачи

1. С целью уменьшения ошибок при работе приёмника излучения необходимо проанализировать источники возникновения нелинейности сигнальной характеристики, их зависимости от температуры и от структуры теплового поля в этом приёмнике.

2. Проанализировать структуру теплового поля и её связь с сигнальной характеристикой ТУПа при переходных режимах и при воздействии полиимпульсного воздействия. Оценить время перехода приемника к стационарному режиму и возможности его работы в переходных режимах.

3. Разработать методику оптимизации ТУПа и всего фотоприёмного устройства для решения конкретных задач.

4. Провести, с точки зрения работы многоэлементного приёмника, оценку влияния пространственной неравномерности поля воздействующего излучения (вплоть до локального воздействия) на его сигнальную характеристику.

5. Для синтеза конструктивной схемы многоэлементного приёмника излучения провести анализ конструктивных технологических и схемных решений. Изготовить макетный образец.

6. Разработать и собрать установку для проведения экспериментальных исследований макетного образца многоэлементного приёмника.

7. Провести экспериментальные исследования многоэлементного ТУПа и выполнить анализ полученных результатов.

Методы исследований

В процессе выполнения диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического анализа и интегральных преобразований, а так же методов численного анализа с моделированием по разработанной программе на компьютере. При экспериментальных исследованиях в основном использовались методы энергетической фотометрии с обработкой результатов методами математической статистики. При выполнении экспериментальных исследований использовались сертифицированные средства измерений, устройства регистрации данных и компьютерная техника с соответствующим программным обеспечением.

Научная новизна работы

1.Исследованы особенности работы ТУПа в режиме воздействия импульсной последовательности излучения, что позволяет исключить динамическую ошибку остаточной релаксации теплового поля предыдущих импульсов.

2.Разработаны теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что

позволяет разработать методику оперативного учёта нелинейности энергетической характеристики.

3.Предложена методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа при воздействии полиимпульсного излучения, которая может быть использована при разработке конструкции фотоприёмного устройства.

4.Разработаны алгоритмы и программы для расчета теплового поля и сигнальной характеристики ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые необходимы для учёта влияния переходных процессов измерительного канала.

5.Исследована возможность построения многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и выбрана оптимальная, на настоящий момент, схема его построения.

6.Исследованы особенности структуры теплового поля многоэлементного ТУПа при локальном воздействии и использовании его в системе координатоуказателя.

7.Экспериментально исследованы амплитудно-фазовые характеристики многоэлементного ТУПа при переходе светового зонда с одной площадки на другую при разных диаметрах пучка излучения.

8.Исследованы основные причины возникновения зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа при локальном воздействии.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, использованием обоснованных методов анализа и расчета и подтверждается экспериментальными исследованиями многоэлементного ТУПа.

Практическая ценность

1.Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое позволяет определить распределения теплового поля и сигнальную характеристику ТУПа при полиимпульсном воздействии.

2.Разработана методика синтеза эквивалентной схемы с учётом тепловых импедансов отдельных узлов, деталей и их соединений для моделирования в прикладных программах типа ЬТврюе для установившихся режимов и в случае переходных процессов. Это необходимо для оптимального построения измерительного устройства.

3.Разработана методика и установка для исследования переходной и зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа.

4.Результаты работы позволили создать рабочие алгоритмы и схемные решения для уменьшения влияния ошибок нелинейности энергетической характеристики многоэлементного ТУПа.

Результаты, выносимые на защиту

1.Теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что необходимо для оценки влияния этого поля на параметры приёмника излучения.

2.Алгоритм и программа расчета распределения температурного поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые позволяют оптимизировать конструкцию приёмника с учётом параметров воздействующего потока излучения.

3. Алгоритмы и программы расчета сигнальных характеристик ненагруженного и нагруженного ТУПов при полиимпульсном воздействии необходимые для

разработки согласующих усилителей и системы компенсации динамической погрешности.

4.Методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа с помощью программ типа ЬТэрюс при воздействии полиимпульсного излучения для оптимизации конструкции фотоприёмного устройства.

5.Методика исследования зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа и возможности его работы качестве позиционно-чувствительного приёмника излучения.

Апробация работы

Обсуждение материалов работы проводилось на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция СПБ ГПУ, 2009 г.; Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых, СПб ГУ ИТМО, 2009, 2010, 2011 г.г.; XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО 2010 г.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 6 научных работах, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 4 работы в материалах международных научно-практических и всероссийских межвузовских конференций. Кроме того, одна статья принята к публикации в издании, входящем в перечень ВАК (см.список публикаций, №3).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 3-х приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц машинописного текста, который включает 47 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 80 наименований, среди которых 68 отечественных и 12 иностранных источников.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, обусловленная расширением области использования этих приёмников и, в частности, возможностями использования многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Формулируется цель работы, кратко формулируются решаемые задачи и полученные результаты, отражающие научную и практическую значимость работы, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор по созданию приёмника излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Рассмотрены свойства кристаллического кварца - материал измерительной пластинки при изменении условий работы. Проанализированы опубликованные работы посвященные ТУПам в качестве материала для анализа особенности этого приемника в других условиях работы.

Показано, что в проведенных исследованиях ТУПов в основном рассматривался либо одноимпульсный режим его работы, либо работы в установившемся гармонически модулированном режиме. В рамках данной диссертационной работы проведены работы, обеспечивающее наиболее насущные задачи лазерной фотометрии. К ним следует отнести исследования касающиеся особенностей

возникновения теплового поля и сигнальной характеристики приёмника при работе с последовательностью импульсов излучения. Необходимость оценки изменения рабочего диапазона линейности сигнальной характеристики в зависимости от параметров импульсной последовательности: средней мощности, скважности, частоты и максимальной мощности излучения.

В работе решён вопрос о построении ТУПа для работы в режиме координатоуказателя. Для этого необходимы многоэлементные приёмники излучения. В одних случаях необходимы приёмники излучения с малыми размерами приёмной площадки, а в других случаях требуются достаточно большие размеры измерительных приёмников, собранных в один комплекс. Проанализированы возможности создания приёмников излучения обоих типов и ограничений, которые возникают при этом. На основе обзора работ по этому приёмнику излучения были поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе исследовано тепловое поле ТУПа при воздействии импульсной последовательности излучения лазера.

1. Динамика формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии

С точки зрения теплофизики взаимодействие излучения с приёмной площадкой и приёмником в целом соответствует граничным условиям второго рода. Для исследования динамики формирования квазистационарного теплового поля при энергетическом воздействии в виде ступенчатой функции имеется достаточно известное решение. С учётом оптических характеристик приёмной площадки это решение можно записать в виде:

4К-Ст-р 2 Jaxt

где ае - действующее значение коэффициента поглощения, зависящее от типа поглощающего электрода и спектрального состава излучения; Ее - энергетическая облученность границы раздела полупространства; х - текущая координата в направлении распространения теплового поля; Ат, ат, Ст, р - теплопроводность, температуропроводность измерительной пластинки, теплоемкость, плотность материала пространства соответственно.

Более точным приближением к реальным условиям является прямоугольный импульс излучения конкретной длительности. Его можно представить воздействием двух ступенчатых функций, сдвинутых на временной интервал, равный длительности моделирующего импульса. t„ Этот переход производится с использованием функции Хэвисайда H(t) в виде:

2 а„Е„

-\Дт • Ст ■ р

■ft ■ ierfc—- H(t -/„)■ yjt ■ ieifc-

(2)

На основе формулы (2) была разработана программа, выполненная в среде МаЙ1са<1 для расчета динамики формирования квазистационарного теплового поля при импульсном воздействии. Программа позволяет исследовать динамику теплового поля при разных сечениях полупространства.

Влияния длительности импульса излучения на поведение теплового поля полупространства представлены на рис. 1.

log(t) log(t)

Рис. 1. Влияния длительности импульса излучения на поведение теплового поля полупространства, til, ti2, ti3 - длительности импульсов.

Из анализа этих результатов установлено, что динамическая составляющая теплового поля быстро затухает в пространстве и по времени. На расстоянии 3 мм (рис. 1 г) от поверхности, максимальная температура составляет уровень не более 2-Ю-4 °С и не зависит от длительности воздействующего импульса в расчётном интервале.

Общее время затухания теплового поля для измерительных пластинок на уровне 0,3 мм (рис. 1 в) составляет десятки секунд. Это сильно осложняет работу ТУПа при импульсно периодическом воздействии и заставляет при точных измерениях использовать специальные алгоритмы выделения сигнала об энергии текущего импульса излучения.

2. Тепловое поле ТУПа при полиимпульсном воздействии

В случае полиимпульсного воздействия описание теплового поля приёмника усложняется. На динамику релаксации двухмерного теплового поля от одного импульса излучения накладываются следы от возбуждения полупространства его предшественниками. Это решение принимается неограниченным во времени. Если использовать принцип аддитивности воздействий, то можно найти решение для п импульсов.

На базе принципа наложения температурных полей и формулы (2) разработан автором диссертационной работы алгоритм (рис. 2) для моделирования и вычисления теплового поля в конкретных сечениях полупространства х в течении времени 1 для ограниченных чисел импульсов п.

Температура полупространства в сечении х в момент I после действия п-ого импульса может быть определиться формулой:

и-1

#„(х,1) = &(х,0+І.З(х,і-Т) (3)

¡=1

где і-целое число, і=1, 2, 3,..., (п-1); п - число импульсов; 9{х,і) - температура полупространства после действия 1-ого импульса; ■9(х,і-Т)- градиент температуры полупространства после действия і-ого импульса; а Т - период следования импульсов.

Рис. 2. Алгоритм вычисления теплового поля.

На основе формул (2) и (3), а также приведённого выше алгоритма, была разработана программа, которая позволяет рассчитать динамику изменения теплового поля при полиимпульсном воздействии.

На рис. 3 приведён график, с условно совмещёнными фрагментами по началу отдельных импульсов для сечения полупространства х=0,1мм для первых десяти импульсов серии. Такое представление динамики изменения теплового поля, когда длительность фрагментов равна периоду следования импульсов излучения облегчает анализ его при полиимпульсном воздействии.

Установлено, что при полиимпульсном воздействии, средняя мощность возрастает и много больше, чем в одноимпульсном режиме. Это вызывает нагрев полупространства и может оказывать влияние на работу приемника, поэтому необходимо учесть среднюю мощность в режиме полиимпульсного воздействия для учета разогрева конструкции фотоприемного устройства. Для этого в следующем

т: с

t, с

Рис. 3. Условное изображение совмещенных воздействий при полиимпульсном воздействии для 10 импульсов при длительности импульса tи =0,1 мс, периоде следования импульсов Т=10 мс и сечении х=0,1 мм. Номера линий 1, 2,..., 9, 10 соответствуют номерам импульсов воздействия.

разделе дается анализ основных ограничений динамического диапазона ТУПа при полиимпульсном воздействии.

3. Основные ограничения динамического диапазона ТУПа

В ТУПе последовательно происходит два вида преобразований: сначала облученность приемной площадки Ее с учетом коэффициента поглощения ае преобразуется в плотность теплового потока qT, затем тепловой поток превращается в электрическое напряжение.

Если оба эти преобразования линейны, то прибор в целом тоже будет линейным. Экстраполирующая формула показывает, что коэффициент поглощения ае в общем случае является температурнозависимой величиной и выражается в форме

ae=aM[\+a-3(0-,t)} (4)

где а - температурный коэффициент поглощающего электрода. При длине волны X = 10,6 мкм, в диапазоне температуры поглощающего электрода от 0 °С до 227 °С,

а = 1,9-10_3 [1/К]; ае и ае0 - коэффициент поглощения поглощающего электрода при температуре i9(0;f) и 0 °С соответственно.

Как отмечалось выше, под действием потока излучения на ТУП, быстро повышается его температура и следовательно, изменяется значение ае. Это приводит к появлению нелинейных искажений. Коэффициент поглощения ае является первым важным параметром ТУПа. Его зависимость от температуры представлена на рис. 4, а.

Второй важный параметр ТУПа - коэффициент термоупругого преобразования К ту, также является температурозависимой величиной:

^^„[l-a-^O;/)]

(5)

К ту и Кч о - коэффициенты тер-

где а - температурный коэффициент, а = 3,5-10 моупругого преобразования кварца при температуре 3(0; Г) и 0 °С соответственно. Зависимость коэффициента термоупругого преобразования от температуры показана на рис. 4, б. Этот коэффициента определяет чувствительность теплового приемника, поэтому его нестабильность, безусловно, приводит к нелинейным искажениям при большом уровне облучённости.

/Т^В-см2 /Дж 5x1o3 г

а) б) Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента поглощения поглощающего электрода (а) и коэффициента термоупругого преобразования кварца (б).

Интересной особенностью изменения параметров ае и К^ является их

контрвариантность, и в некоторых условиях их изменения могут взаимно компенсироваться, что открывает определенные возможности для улучшения параметров ТУПа.

Таким образом, за возникновением нелинейных искажений ТУПа отвечают в основном два физических явления: нестабильность коэффициента поглощения ае и нестабильность коэффициента термоупругого преобразования Кту кристаллического

кварца. Их изменение оказывает влияние на чувствительности, что ограничивает динамический диапазона приемника. Уровень допустимого смещения чувствительности и допустимая величина нелинейных искажений определяются в каждом конкретном случае в зависимости от решаемой задачи.

4. Синтез эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа при полиимпульсном воздействии

Любой приёмник излучения используется всегда в составе некоторой конструкции, которая обеспечивает необходимые условия его функционирования и решения поставленных перед ним измерительных задач. В случае теплового приёмника излучения, работающего с большими уровнями потока излучения, фотометрическое устройство должно обеспечить заданный тепловой режим этого приёмника излучения.

Выше уже отмечались два момента: чувствительность ТУПа зависит от его текущей температуры и при воздействии импульсно-модулированных потоков лазерного излучения возникает нестационарное тепловое поле значительной интенсивности. Там же показано, что в полупространстве демпфера происходит

интенсивное затухание исходного частотного спектра модулированного лазерного излучения и для медного демпфера на расстоянии 3 мм от поверхности действует уже квазистационарный тепловой поток. Если мощность излучения лазера постоянна, то можно его рассматривать как постоянный тепловой поток.

Этот тепловой поток будет нагревать не только приёмник излучения, но и все детали конструкции до его рассеяния в окружающей среде. Следовательно, при анализе стабильности чувствительности приёмника необходимо учитывать суммарное тепловое поле - и нестационарное поле измерительной пластинки и стационарное поле остальной конструкции.

Для оценки теплового поля конструкции ТУПа при полиимпульсном воздействии, на рис. 5 приведена конструкция фотометрического узла с использованием ТУПа.

Эта конструкция используется при работе с потоками средней и малой мощности. Основой конструкции является корпус 2, который выполняется из алюминиевого сплава типа АМГЗ. В этой конструкции используются ТУПы различных видов в зависимости от решаемой задачи (одноплощадочные и многоплощадочные). Все они выполняются с использованием демпфера из красной меди. В этом случае, за счёт высокой теплопроводности меди обеспечивается интенсивный теплоотвод от измерительной пластинки, что увеличивает динамический диапазон приёмника излучения. В корпус 2 заворачивается ТУП 4 с использованием пасты КПТ-8 для уменьшения переходного теплового сопротивления. В демпфере ТУПа выполняется сквозное отверстие, в котором с помощью эпоксидной смолы ЭД-20 заформован электрод 5 для передачи сигнала с приёмной площадки на согласующий усилитель 3. Этот усилитель жестко установлен на соответствую площадку корпуса, что исключает их взаимные перемещения. Согласующий усилитель закрывается экранирующим стаканом 1, который выполняет функцию теплоотвода в окружающую среду. Для защиты приёмной площадки ТУПа от помех, на переднюю часть корпуса навинчивается экранирующий конус 7 и экранирующий стакан 1, который тоже выполняет функцию теплоотвода.

В результате анализа данной конструкции получена следующая эквивалентная схема для нахождения теплового поля, как показано на рис. 6.

Цепочка 111, С1 имитирует свойства измерительной пластинки, а резистор Я12 соответствует слою склейки её с демпфером. Демпфер представлен цепочкой С21, Я2, С22. Общая теплоёмкость детали разделена на две составляющие, соединённые тепловым сопротивлением, что необходимо для частичного соответствия характеристикам распределённого импеданса.

R12 R2 R2J

Рис. 6. Эквивалентная схема для нахождения теплового поля.

Наиболее сложным узлом является система соединений корпуса. Происходит разветвление теплового потока после переходного резистора R23 на два резистора R3 и R4. Само корпусное кольцо имеет связь с внешней средой, что характеризуется R30, формируемым по законам конвективного теплообмена, и к нему подсоединяются две экранирующие детали.

Передний экранирующий конус подсоединяется через переходное сопротивление R30 и своим продольным сопротивлением R5, емкости С51 и С52 и конвективные сопротивления этой детали R501 и R502 разделены, так как вдоль поверхности возможен значительный температурный напор. Аналогично представлена секция экранирующего стакана.

Вторая ветвь корпуса характеризуется продольным сопротивлением R4 тепловой ёмкостью С4, в формировании которой принимает участие и согласующий усилитель. Задняя боковая поверхность определяет величину конвективного сопротивления утечки теплового потока R40.

Разработанная схема предназначена для нахождения теплового поля в интересующих сечениях конструкции и для оценки динамики переходных процессов при вариациях входной измеряемой мощности. В рамках данной работы проведём анализ уровня теплового напора на элементах конструкции, с целью её оптимизации при подаче на вход измеряемого потока в установившемся режиме. На основе структуры фотоприёмного устройства и эквивалентной схемы, в диссертации разработан расчет тепловых импедансов отдельных элементов конструкции ТУПа.

В третьей главе теоретически исследуется сигнальная характеристика ТУПа при полиимпульсном воздействии. При импульсном воздействии, когда тепловое поле сосредоточено в измерительной пластинке толщиной Аи и не уходит в демпфер, напряжение ТУПа принимает вид:

С/и = KaeEet(\ - А12еф(6)

С помощью функции Хэвисайда H(t) можно выразить напряжение ТУПа после окончания импульса конечной длительности еи

U(t) = К^а.ЕМ 1 - 4 i2erfc-^L=)-H(t-,n)-(t-/и )(1 - 4 i2erfc К )] (7)

На рис. 7 показана реакция приёмника излучения на импульс длительностью ?и = Ю-4 с при допустимой энергетической облученностью Ее = 1 Вт/см2.

Рис. 7. Нормированная временная зависимость напряжения сигнала.

Установлено, что на интервале времени соответствующему длительности импульса происходит накопление энергии этого импульса, в соответствии с которой устанавливается и напряжение на выходе приёмника. По окончанию импульса в течении определённого временного интервала гх, значение этого напряжения сохраняется. В этот интервал тепловая энергия перераспределяется внутри измерительной пластинки и он называется интервалом теплового хранения. На кривой динамики изменения нормированного напряжения сигнала, гх соответствует сегменту, параллельному оси ординаты Для измерительной пластинки йи = 0,2 мм, время хранения составляет 0,58 мс. После окончания этого интервала начинается этап релаксации теплового поля.

На базе принципа наложения температурных полей, аналогично построению алгоритма для расчёта теплового поля разработан алгоритм и программа с использованием формулы (7) для моделирования процессов формирования сигнала ненагруженного и нагруженного ТУПа при полиимпульсном воздействии.

Щ), В и(1), В

Рис. 8. Нарастание напряжения сигнала ТУПа при полиимпульсном воздействии при длительности импульса /И=0Д мс, периоде следования импульсов Т=10 мс, допустимой

энергетической облученностью Ее = 1 Вт/см2 в ненагруженном режиме (а) и в нагруженном режиме с постоянной времени нагрузочной цепи гвх =58мс (б). Номера линий 1, 2,..., 9, 10 соответствуют номерам импульсов воздействия.

Результаты расчёта для переходного режима на интервале десяти последовательных импульсов при произвольном окончании импульсной последовательности представлены на рис. 8.

Показано, что скорость релаксации сильно зависит от импульсной последовательности. Установлено, что при полиимпульсном воздействии, скорость затухания напряжения сигнала при нагруженном режиме (рис. 8 б) с выбранными параметрами нагрузочной цепи (Свх=58пФ; Двх=1 гОм; гвх=58мс) гораздо больше, чем при ненагруженном режиме (рис. 8 а). Полная релаксации сигнала ТУПа составляет 26 с в ненагруженном режиме и 0,3 с в нагруженном режиме.

Процессы релаксации искажают форму сигнала на интервале хранения, как показано на рис. 9.

Щ), В

1-1-г

Рис. 9. Интервал теплового хранения для десятого импульсов. 9, 10 - соответствуют номерам

2

импульсов. /и =0,1 мс, Т=10мс, Ее =1 Вт/см . гвх =58мс.

Наклон графика сигнала на интервале хранения 1Х соответствует кривой релаксации от предыдущего импульса и сильно меняется на переходных процессах.

Если не учитывать этого процесса, то возможны существенные ошибки при измерении энергии импульсов излучения. Поэтому в дальнейших работах необходимо синтезировать новый алгоритм обработки сигнала для исключения этой динамической ошибки.

В четвертой главе рассмотрен вопрос расширения области применения ТУПа и исследования возможности создания многоэлементных приемников на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце (МТУП).

МТУПы изготавливаются и используются для решения различных задач. В соответствии со своим основным назначением - контроль потоков лазерного излучения технологического уровня, их параметры должны адаптироваться с оптической схемы установки. Часто это требует реализацию приемных площадок большого размера и сложной конфигурации.

В рамках диссертационной работы расширена область использования многоэлементных ТУПов в направлении контроля положения оптической оси технологического лазера и установки в целом, а также контролировать эффективность технологического процесса.

Установлено, что практическая реализация этого направления стала возможна с появлением доступности микроконтроллеров и микроконверторов с большим быстродействием и большим числом независимых каналов. В качестве примера

можно привести микроконвертор АОиС842В с временем преобразования 5-Ю-7 с. Процесс преобразования и коррекции отсчетов должен быть согласован с временем хранения измерительных пластинок фотометрического устройства.

При проектировании МТУПов необходимо учесть важную особенность тепловых приемников. В разделительных зонах поверхности МТУПа тоже происходит поглощение энергии и, как правило, с большим значением коэффициента поглощения. При малой ширине этих переходных зон и отсутствии значительной концентрации потока излучения относительно среднего значения, это явление не существенно. Однако при решении отдельных частных задач, например при стабилизации оптической оси лазера, может быть реализован режим работы приемника излучения с локальным воздействием потока. В этом случае не только возможно при малом уровне потока (0,1-г-10 Вт) превышен допустимый уровень энергетической облученности, но и на сигнал приемника скажется эффект зон раздела отдельных приемных площадок. Это может существенно затруднить работу автоматических устройств стабилизации технологической установки.

Необходимо отметить еще два момента, которые ограничивают возможность создания и использования устройств на базе ТУПа с малыми размерами приемных площадок. Измерительная пластинка ТУПа имеет толщину от 0,2 до 0,7 мм и более в зависимости от поставленной задачи. При локальном воздействии возникает сферическое тепловое поле, которое приводит к расширению зоны воздействия до уровня 2-^4 раза толщины измерительной пластинки. Это сразу ограничивает минимальный размер приемной площадки уровнем 2-¡-4 мм. Вторая причина проистекает из уровня электрического импеданса малой площадки и распределения импедансом схемы коммутации отдельных цепей многоэлементных приемников излучения.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию многоэлементного ТУПа. Целью экспериментальных исследований являются подтверждение правильности выбранной модели работы приемника излучения и исследование тех свойств приемника, которые этой моделью не учитываются.

На экспериментальной работе установке исследовались амплитудно-фазовые характеристики при переходе светового зонда с одной площадки на другую при разных диаметрах пучка излучения. В составе установки оптико-механической части установки, воздействующий диаметр пятна источника излучения можно регулировать. Для удобства последующей обработки сигналов, электронная схема должна выдавать сигнал в форме удобной для ввода в персональный компьютер.

В качестве объекта исследования изготовлен многоэлементный ТУП с четырьмя площадками, собранными по технологии мозаики. Выбор этой технологии исходил из условия максимального подавления перекрестных помех по тепломеханическому и электрическому каналам.

Известно, что эффективным методом подавления помех является использование дифференциального формирования сигнала с использованием дополнительного приемника помех на базе датчика аналогичного типа. В случае многоэлементного ТУПа можно использовать пары приемных каналов, включенные на дифференциальный канал с использованием усилителей, как показано на рис. 10.

В1

Рис. 10. Схема формирования сигнала; 1 - основание; 2 - фотоприёмные электроды.

Такой усилитель имеет три выхода В1, В2, ВЗ. На выходах В1 и В2 сигнал пропорционален потоку, приходящему на соответствующую площадку. На выходе ВЗ сигнал пропорционален разности потоков двух площадок. Если его пропустить через фазочувствигельный детектор, получим сигнал, пропорциональный величине смещения светового пятна.

На рис. 11 приведен оптико-механический блок экспериментальной установки и показаны элементы управления перемещением энергетического зонда по приемнику излучения. Микрометрический винт 3 по направлению X и микрометрический винт 4 по направлению У. Перемещение по направлению Z используется для изменения диаметра энергетического зонда.

Рис. 11. Оптико-механический блок измерительной установки. Основные элементы: 1-излучатель; 2 - многоэлементный ТУП; 3,4- микрометрические винты смещения зондирующего излучения по координатам X и У соответственно.

В качестве источника излучения используется лазерный светодиод 1ЛЭ-66201Ти, работающий на длине волны 660 нм и излучающий максимальную мощность 200

мВт. Для обеспечения стабильности излучателя и его большого ресурса работы используем его на меньшем уровне выходной мощности за счет уменьшения тока инжекции.

Для формирования пучка излучения с переменным диаметром сечения пучка используется проекционный объектив. Диаметр выходного зрачка объектива равен 10 мм, а фокусное расстояние 18 мм. Плоскость фокусировки лазера расположена на расстоянии Ь = 100 мм от выходного зрачка объектива. При смещении приёмной площадки относительно плоскости фокусировки изменяется диаметр этого пучка.

Мощность излучения на выходе объектива в процессе настройки схемы контролировалась образцовым приемником с погрешностью калибровки 5%. При настройке был отрегулирован уровень 40 мВт± 2 мВт.

Оптическая ось источника излучения расположена вертикально и имеет

возможность наклоняться в пределах угла ±7°. Положение угла наклона контролируется микрометрическим винтом. Для обеспечения стабильности положения излучателя он расположен на плоской пружине силового замыкания микрометрического винта.

Приемник излучения располагается на подвижной каретке с шариковыми направляющими. Положение каретки контролируется микрометрическим винтом с силовым замыканием с помощью дополнительной пружины. Направление перемещения каретки ортогонально плоскости смещения оптической оси излучателя.

Таким образом, появляется возможность двухкоординатного смещения луча лазера в плоскости исследуемого приемника излучения. Погрешность позиционирования луча в плоскости приемника излучения ±0.02 мм по обеим координатам.

На рис. 12 показывает внешний вид приемника, установленного на плату согласующего усилителя, на котором отмаркированы номера площадок. Размер приемной площадки одного элемента 5x5 мм2.

Рис. 12. Элементы фотоприёмной площадки многоэлементного ТУПа 1, 2, 3, 4.

Проводились исследования равномерности чувствительности по приемной площадки. Для этого эта площадка сканировалась сфокусированным пучком лазерного излучения. При этом основное внимание уделялось центральной части приемной площади.

На рис. 13 показана основная каретка для перемещения по направлению X. На приемной площадке условно изображена система координат смещения луча.

Рис. 13. Основная каретка смещения приёмника излучения.

Сканирование сфокусированным пучком выполнилось таким образом: лазерное пятно смещается относительно приемника слева направо по строке (координата X) с шагом 0,5 мм и сверху вниз шагом (координата У) с шагом 1 мм. Эксперименты проводились при разных значениях диаметра пятна с!=0,8 мм и 2 мм соответственно при частоте {=135 Гц. Мощность лазера 40 мВт.

Проводилось измерение амплитудных значений дифференциального сигнала с фазовой обработкой, характеристика которого представлена на рис. 14.

Рис. 14. Экспериментальная амплитудная характеристика дифференциального сигнала при диаметре пятна: а) с1=0,8 мм; б) ё=2 мм.

Установлено, что при фокусировке излучения в точку происходит ряд очень важных изменений его работы. Экспериментально проверено, что при относительно небольшой концентрации измеряемого потока излучения, на расстоянии 0-4 мм от края для пятна диаметром 0,8 мм или на расстоянии 0 - 3,5 мм от края для пятна диаметром 2 мм, не происходит изменения чувствительности.

При удалении пятна облучённости от края, до границы двух площадок, зонная неравномерность чувствительности увеличивается. Факторы, которые могут оказывать влияние на неравномерность чувствительности на границе раздела:

1. Электрическая емкость между отдельными площадками и соединенными проводами. Из - за электрической емкости, сигнал с одной площадки приемника проникает в другую. Для уменьшения паразитной емкости рекомендуется использовать экранирующий электрод.

2. Оптическая связь вследствие переотражения излучения от площадок и элементов конструкции. «Горбики» появляются на всех графиках на рис. 14 показывают, что это не случайно, а происходит переотражение излучения на границе раздела из-за увеличения эффективного коэффициента поглощения. Для подавления увеличения коэффициента поглощения необходимо модернизировать оптическую схему путём уменьшения зазора между соседними площадками.

3. Неравномерность слоя приклейки. Это фактор влияет на зонную характеристику чувствительности ТУПа, так как при неравномерности слоя меняется способность прохождения переменной составляющей температурного поля за счет изменения его теплового сопротивления.

]

Тепловое сопротивление слоя пршшейки зависит также от его толщины и коэффициента температуропроводности, а от него зависит постоянная времени ТУПа и динамический диапазон его работы. Поэтому толщина слоя приклейки должна бьпъ минимальной, а коэффициент температуропроводности максимальным.

Основные результаты работы

Основные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:

1 .Исследованы особенности работы ТУПа в режиме воздействия импульсной последовательности излучения, что позволяет исключить динамическую ошибку остаточной релаксации теплового поля предыдущих импульсов.

2.Разработаны теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что позволяет разработать методику оперативного учёта нелинейности энергетической характеристики.

3.Предложена методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа при воздействии полиимпульсного излучения, которая может быть использована при разработке конструкции фотоприёмного устройства.

4.Разработана методика расчёта сигнальной характеристики ТУПа при полиимпульсном воздействии для оптимизации согласующего усилителя фотометрического устройства с учётом решаемой задачи.

5.Исследована возможность построения многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и выбрана оптимальная, на настоящий момент, схема его построения.

6.Исследованы особенности структуры теплового поля многоэлементного ТУПа при локальном воздействии и даны рекомендации при использовании его в системе координатоуказателя.

7.Экспериментально исследованы амплитудно-фазовые характеристики многоэлементного ТУПа при переходе энергетического зонда с одной площадки на другую при разных диаметрах пучка излучения. Исследованы основные причины возникновения зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа при локальном воздействии. Установлено, что зная напряжение сигнала многоэлементного ТУПа можно определить положение центра фокусированного пятна лазерного излучения. Полученные результаты подтверждают правильность выбранной модели работы приемника излучения, значит можно использовать многоэлементный ТУП в качестве позиционно-чувствительного приемника для контроля положения оптической оси технологического лазера и установки в целом.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК

1. Полыциков Г.В., Шевнина Е.И., Фам Шон Лам, Шалыгина Н.В. Использование режима теплового хранения термоупругого преобразователя для построения многоканальных измерительных систем. // Известие вузоа Приборостроение. 2011. Т.54, №11. С. 56-60.

2. Фам Шон Лам, Буй Минь Туан. Физические основы и принципы построения приемников оптического излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. // Известия СПБГЭТУ "ЛЭТИ". 2011. №4. С. 15-20.

3. Пояыциков Г.В., Фам Шон Лам, Буй Минь Туан. Тепловое поле приемников излучения на термоупрушм эффекте в кристаллическом кварце при полиимпульсном воздействии. // Известия СПБ ТЭТУ "ЛЭТИ". 2013. №6 (в печати, имеется справка в личном деле).

Материалы конференций

4. Фам Шон Лам, Полыциков Г.В., Ишанин Г.Г. Приемник излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Его устройство, параметры, характеристики. // Материалы международной научно-практической конференции «XXXVIII неделя науки СПБГПУ», часть IX. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2009, с.159-160.

5. Полыциков Г.В., Шевнина Е.И., Фам Шон Лам. Погрешности чувствительности термоупругого преобразователя при работе с импульсным периодическим излучением лазера. Доклад на XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО. 2-5 февраля 2010 г.

6. Полыциков Г.В., Фам Шон Лам: Оценка динамики изменения ошибки измерения энергии импульса. Доклад на VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. 20 - 23 апреля 2010 г.

7. Фам Шон Лам, Полыциков Г.В. Нахождение поля механических напряжений в приемнике на термоупругом эффекте при локальном воздействии. // VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО 12—15 апреля 2011 г, - СПб, Россия. Вып. 2. Сборник трудов "Оптико-электронное приборостроение" - СПб. - 2011, С. 28.

Подписано в печать 26.04.13 Формат 60x84 1/16 Печ. л. 1,0

Тираж 100_Заказ 30/04_Цифровая печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий,

механики и оптики

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕРМОУПРУГОМ ЭФФЕКТЕ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КВАРЦЕ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

П4/П13590^1

Фам Шон Лам

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Польщиков Георгий Владимирович

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 3. Сигнальная характеристика ТУПа при полиимпульсном воздействии

стр. 4

11

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы по созданию приёмника излучения на термоупругом эффекте (ТУП)

1.1. Особенности свойств кристаллического кварца 11

1.2. Обзор опубликованных работ по ТУПам 16

1.3. Заключение по главе 1 и постановка задачи 23

25

25

26

Глава 2. Тепловое поле ТУПа при воздействии импульсной последовательности излучения лазера

2.1. Исходные положения. Особенности работы ТУПа при импульсно-частотном режиме

2.2. Динамика формирования квазистационарного теплового поля при полиимпульсном воздействии

2.3. Тепловое поле при полиимпульсном воздействии 30

2.4. Основные ограничения динамического диапазона ТУПа 33

2.5. Тепловое поле конструкции ТУПа при полиимпульсном

36

воздействии

2.6. Расчет тепловых импедансов отдельных элементов конструкции 53

57

3.1. Напряжение сигнала ненагруженного ТУПа 5 7

3.1.1. Моноимпульсный режим работы 57

3.1.2. Полиимпульсный режим работы 59

3.2. Условия согласования на интервале теплового хранения 65

3.3. Напряжение сигнала нагруженного ТУПа при полиимпульсном воздействии

Глава 4. Исследование возможности создания многоэлементных ТУПов на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце

4.1. Исходные положения. Области использования многоэлементных ТУПов

4.2. Технологические особенности изготовления многоэлементных ТУПов

4.3. Особенности структуры теплового поля многоэлементных ТУПов при локальном воздействии

70

70

73

75

Глава 5. Экспериментальные исследования многоэлементного ТУПа 81

5.1. Разработка экспериментальной установки 81

5.2. Разработка электронной схемы экспериментальной установки 85

5.2.1. Электронный модуль источника излучения 85

5.2.2. Электронный модуль согласующих усилителей 92

5.2.3. Электронный модуль анализирующей схемы 96

5.3. Экспериментальные исследования зонной характеристики многоэлементного ТУПа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109

ВВЕДЕНИЕ

Приёмники излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце (ТУП) разработаны в Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики на кафедре оптико-электронных приборов и систем. Разработанные ТУПы описаны в ряде публикаций [1, 2, 3]. В процессе разработки были проведены теоретические и экспериментальные исследования их параметров и характеристик. Разработанные и изготовленные на их основе в ЛИТМО фотоприёмные устройства прошли экспериментальную проверку и практическое использование в совместных работах с такими организациями как ГОИ им. Вавилова, ЛОМО, ВНИИОФИ и с рядом других.

В процессе выполнения этих работ выявилось, что приемники излучения типа ТУП обладают долговременной стабильностью, устойчивостью к лучевым перегрузкам, широким рабочим спектральным диапазоном при небольшой и монотонной неравномерности спектрального распределения его чувствительности.

Их постоянная времени может быть доведена до Ю-6 с [4].

В предыдущих работах ТУПы достаточно подробно теоретически и экспериментально исследовались в случае работы с моноимпульсным излучением лазера, либо со стационарным гармонически модулированным потоком излучения. При этом гармонически модулированный поток математически представлялся знакопеременным воздействием. И в том и в другом случае не учитывалось влияние средней мощности измеряемого потока на параметры сигнала и характеристики приёмника излучения. Однако при практическом применении в ряде случаев отмечался некоторый дрейф сигнала измерительных устройств с этим приёмником излучения. Подробный анализ причин этого дрейфа не производился.

Приёмник излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце это прежде всего тепловой приёмник излучения и имеет достаточно сложную частотную характеристику в диапазоне от сотых долей Гц до десятков и более кГц. С учётом того, что часто ему приходится работать со значительными и не постоянными во времени потоками излучения это может приводить к возрастанию ошибок измерений при переходных процессах.

В связи с повышением требований к средствам измерения и для расширения области применения ТУПов выявилась необходимость в продолжении работ по изучению и совершенствованию приёмников на термоупругом эффекте.

Бурное развитие науки и технологии лазерных источников излучения вывело их практическое применение принципиально на новый более высокий уровень [57]. В частности в ряде случаев ощущается потребность в фотометрических устройствах контролирующих распределение потока в пучке излучения лазера или устройствах, обладающих позиционной чувствительностью. И в том и другом случае необходимы многоэлементные приёмники излучения. Для успешного использования приёмника на термоупругом эффекте с учётом современных требований появилась необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и методических разработок.

Из выше изложенного следует, что проведение дополнительных исследований по совершенствованию приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и анализ возможностей создания многоэлементных приёмников на их основе является аюуальным.

Цель работы

Целью работы явилось проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ для исследования возможности дальнейшего совершенствования этого типа приёмников излучения и, в частности, создания многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце для решения фотометрических задач с оценкой пространственного распределения потока излучения.

Основные задачи

1. С целью уменьшения ошибок при работе приёмника излучения необходимо проанализировать источники возникновения нелинейности сигнальной характеристики, их зависимости от температуры и от структуры теплового поля в этом приёмнике.

2. Проанализировать структуру теплового поля и её связь с сигнальной характеристикой ТУПа при переходных режимах и при воздействии

полиимпульсного воздействия. Оценить время перехода приемника к стационарному режиму и возможности его работы в переходных режимах.

3. Разработать методику оптимизации ТУПа и всего фотоприёмного устройства для решения конкретных задач.

4. Провести, с точки зрения работы многоэлементного приёмника, оценку влияния пространственной неравномерности поля воздействующего излучения (вплоть до локального воздействия) на его сигнальную характеристику.

5. Для синтеза конструктивной схемы многоэлементного приёмника излучения провести анализ конструктивных технологических и схемных решений. Изготовить макетный образец.

6. Разработать и собрать установку для проведения экспериментальных исследований макетного образца многоэлементного приёмника.

7. Провести экспериментальные исследования многоэлементного ТУПа и выполнить анализ полученных результатов.

Методы исследований

В процессе выполнения диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического анализа и интегральных преобразований, а так же методов численного анализа с моделированием по разработанной программе на компьютере. При экспериментальных исследованиях в основном использовались методы энергетической фотометрии с обработкой результатов методами математической статистики. При выполнении экспериментальных исследований использовались сертифицированные средства измерений, устройства регистрации данных и компьютерная техника с соответствующим программным обеспечением.

Научная новизна работы

1 .Исследованы особенности работы ТУПа в режиме воздействия импульсной последовательности излучения, что позволяет исключить динамическую ошибку остаточной релаксации теплового поля предыдущих импульсов.

2.Разработаны теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что позволяет разработать методику оперативного учёта нелинейности энергетической характеристики.

3.Предложена методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа при воздействии полиимпульсного излучения, которая может быть использована при разработке конструкции фотоприёмного устройства.

4.Разработаны алгоритмы и программы для расчета теплового поля и сигнальной характеристики ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые необходимы для учёта влияния переходных процессов измерительного канала.

5.Исследована возможность построения многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце и выбрана оптимальная, на настоящий момент, схема его построения.

6.Исследованы особенности структуры теплового поля многоэлементного ТУПа при локальном воздействии и использовании его в системе координатоуказателя.

7.Экспериментально исследованы амплитудно-фазовые характеристики многоэлементного ТУПа при переходе светового зонда с одной площадки на другую при разных диаметрах пучка излучения.

8.Исследованы основные причины возникновения зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа при локальном воздействии.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, использованием обоснованных методов анализа и расчета и подтверждается экспериментальными исследованиями многоэлементного ТУПа.

Практическая ценность

1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое позволяет определить распределения теплового поля и сигнальную характеристику ТУПа при полиимпульсном воздействии.

2. Разработана методика синтеза эквивалентной схемы с учётом тепловых импендансов отдельных узлов, деталей и их соединений для моделирования в прикладных программах типа ЬТэрюе для установившихся режимов и в случае переходных процессов. Это необходимо для оптимального построения измерительного устройства.

3. Разработана методика и установка для исследования переходной и зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа.

4. Результаты работы позволили создать рабочие алгоритмы и схемные решения для уменьшения влияния ошибок нелинейности энергетической характеристики многоэлементного ТУПа.

Результаты, выносимые на защиту

¡.Теоретические основы динамики формирования квазистационарного теплового поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, что необходимо для оценки влияния этого поля на параметры приёмника излучения.

2. Алгоритм и программа расчета распределения температурного поля ТУПа при полиимпульсном воздействии, которые позволяют оптимизировать конструкцию приёмника с учётом параметров воздействующего потока излучения.

3. Алгоритмы и программы расчета сигнальных характеристик ненагруженного и нагруженного ТУПов при полиимпульсном воздействии необходимые для разработки согласующих усилителей и системы компенсации динамической погрешности.

4. Методика разработки эквивалентной схемы для оценки теплового поля конструкции ТУПа с помощью программ типа ЬТзрюе при воздействии полиимпульсного излучения для оптимизации конструкции фотоприёмного устройства.

5. Методика исследования зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа и возможности его работы качестве позиционно-чувствительного приёмника излучения.

Апробация работы

Обсуждение материалов работы проводилось на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция СПБ ГПУ, 2009 г.; Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых, СПб ГУ ИТМО, 2009, 2010, 2011 г.г.; XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО 2010 г.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 6 научных работах, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК и 4 работы в материалах международных научно-практических и всероссийских межвузовских конференций. Кроме того, одна статья принята к публикации в издании, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц машинописного текста, который включает 47 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 80 наименований, среди которых 68 отечественных и 12 иностранных источников.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, обусловленная расширением области использования этих приёмников и, в частности, возможностями использования многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Формулируется цель работы, кратко формулируются решаемые задачи и полученные результаты, отражающие научную и практическую значимость работы, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор по созданию приёмника излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Рассмотрены свойства кристаллического кварца - материал измерительной пластинки при изменении условий работы. Проанализированы опубликованные работы, посвящённые ТУПам

в качестве материала для анализа особенности этого приемника в других условиях работы.

В работе решён вопрос о построении ТУПа для работы в режиме координатоуказателя. Проанализированы возможности создания многоэлементных приёмников излучения на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. На основе обзора работ по этому приёмнику излучения были поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе исследовано тепловое поле ТУПа при воздействии импульсной последовательности излучения лазера. Исследованы динамика формирования квазистационарного теплового поля при полиимпульсном воздействии и распределение теплового поля при полиимпульсном воздействии. Исследованы основные ограничения динамического диапазона ТУПа. Проведён анализ конструктивных технологических и схемных решений для синтеза конструктивной схемы многоэлементного приёмника излучения. На этой основе рассчитаны тепловые импедансы отдельных элементов конструкции.

Третья глава посвящена сигнальной характеристике ТУПа при полиимпульсном воздействии. Приведены расчеты напряжения сигнала ненагруженного и нагруженного ТУПов при полиимпульсном воздействии. Анализированы условия согласования на интервале теплового хранения.

В четвертой главе рассмотрен вопрос расширения области применения ТУПа и исследования возможности создания многоэлементных приемников на термоупругом эффекте в кристаллическом кварце. Анализированы технологические особенности изготовления многоэлементных ТУПов и их особенности структуры теплового поля при локальном воздействии.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию многоэлементного ТУПа. Приведены исследования зонной неравномерности чувствительности многоэлементного ТУПа при локальном воздействии потока излучения. Также в этой главе приведен анализ полученных экспериментальных результатов.

В заключении диссертационной работы приведены общие выводы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО СОЗДАНИЮ ПРИЁМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕРМОУПРУГОМ ЭФФЕКТЕ

Цель предлагаемого обзора литературных источников состояла в том, что исследовать свойства кристаллического кварца - материал измерительной пластинки при изменении условий работы для оптимизации параметров ТУПа. В этой части также необходимо проанализировать опубликованные работы, посвященные ТУПам в качестве материала для анализа особенности этого приемника в других условиях работы.

1.1. Особенности свойств кристаллического кварца [8-12, 43]

Кристаллический кварц имеет особенные свойства. Он стабилен в работе. При перегреве ТУПа до 870 °С с последующим охлаждением, его чувствительность полностью восстанавливается. Вследствие чего он применяется в качестве измерительной пластинки для ТУПа. Рассмотрим свойства кварца при изменении условий работы.

Упругость кристаллического кварца. Под действием механических напряжений кристалл кварца деформируется. Если напряжения достаточно малы и не превы�