автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Мультиплексная система для измерения температуры на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи Дехтяр Андрей Васильевич

Мультиплексная система для измерения температуры на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков.

Специальность 05.13.05- элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Бурков Валерий Дмитриевич.

Москва 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ....................................................................................................1

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ....................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

1.ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ И МУЛЬТИПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ............................................12

1.1 ВОД температуры и их мультиплексирование. Состояние работ..................12

1.2 ВОД на основе микрорезонаторов. Состояние работ.........................................28

1.3 Мультиплексирование МР ВОД. Состояние работ...........................................40

1.4 Постановка задачи....................................................................................................48

2.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МР ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ, ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.....................................................51

2.1 Типы MPC и их изготовление................................................................................51

2.2 Методы возбуждения и регистрации колебаний................................................56

2.3 Влияние температуры на частоту собственных колебаний MPC. Пороговая чувствительность ВОД температуры...............................................62

2.4 Выводы по главе 2....................................................................................................67

З.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУР И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ЧАСТОТУ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ......................68

3.1 Моделирование процессов возбуждения МР, взаимодействующих с

волоконным лазером................................................................................................68

3.2 Оптимизация параметров MPC для создания МР ВОД температуры.........93

3.3 Выводы по главе 3...................................................................................................99

4.РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОД ТЕМПЕРАТУРЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ.................................................................................................100

4.1 Конструкции измерительных головок микрорезонаторных ВОД на основе интерферометра Фабри-Перо и автоколлиматора..........................................100

4.2 Технологическая установка для сборки чувствительных элементов МР ВОД...........................................................................................................................109

4.3 Сборка макета МР ВОД и исследование его характеристик........................118

4.4 Выводы по главе 4.................................................................................................128

б.МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.....................................................................................................129

5.1 Метод мультиплексирования ВОД на основе ВОЛ......................................129

5.2 Аппаратная реализация системы мультиплексирования микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков температуры..........133

5.3 Алгоритмы и ПО для обработки данных и взаимодействия с внешней вычислительной системой..................................................................................148

5.4 Выводы по главе 4.................................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................163

Список сокращений.

АК— автоколлиматор;

АС- анализатор спектра;

АЦП- аналого-цифровой преобразователь;

АЧХ- амплитудно-частотная характеристика;

БОС- блок обработки сигналов;

БП- блок питания;

БУ- блок управления током питания лазера;

ВМ- волоконный мультиплексор;

ВОД- волоконно-оптический датчик;

ВОДТ- волоконно-оптический датчик температуры;

ВОЛ- волоконно-оптический лазер;

BOJIC- волоконно-оптическая линия связи;

ГСЛ- градиентная стержневая линза;

И- источник излучения;

ИГ- измерительная головка;

ИФП- интерферометр Фабри-Перо;

МР- микрорезонатор;

МРД- микрорезонаторный датчик;

MPC- микрорезонаторная структура;

ОС- обратная связь;

ПЗУ- постоянное запоминающее устройство; ПОС- положительная обратная связь; РБ- решетка Брэгга; РКТ- ракетно-космическая техника; ФП- фотоприемник;

ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь; ЦЛ- цилиндрическая линза; ЧЭ- чувствительный элемент.

ВВЕДЕНИЕ.

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.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, научная новизна, защищаемые положения, практическая значимость исследований, изложено краткое содержание глав диссертации.

Первая глава содержит обзор исследований и разработок, посвященный волоконно-оптическим датчикам температуры и способам их мультиплексирования. Описаны известные волоконно-оптические датчики температуры, подробно рассмотрены ВОДТ с модуляцией частотно-временных параметров. Представлены основные методы их мультиплексирования. Проведен сравнительный анализ ВОДТ с точки зрения построения мультиплексных систем на их основе для объектов ракетно-космической техники. Сделаны выводы о перспективности разработок ВОДТ температуры на основе микрорезонаторных структур. Приведены результаты исследований различных типов ВОДТ на основе MPC. Рассмотрены их достоинства и недостатки. Отмечена перспективность создания ВОДТ автогенераторного типа. Представлены схемы ВОД на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП) и автоколлиматора (АК). Описаны принципы построения мультиплексных систем на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков, отмечены их достоинства и недостатки. Показаны основные схемы построения мультиплексных систем. Сделан вывод о перспективности построения мультиплексной измерительной системы на основе эрбиевого волоконного лазера. Сформулирована постановка задачи.

Вторая глава посвящена описанию принципов действия микрорезонаторных ВОД температуры. Описаны виды микрорезонаторных структур, используемых для создания ВОД. Кратко рассмотрена технология их изготовления. Сведены в таблицу основные акустооптические характеристики MPC. Дана характеристика возможных механизмов возбуждения колебаний MPC как модулированным оптическим излучением, так и смодулированным когерентным излучением. Рассмотрены методы регистрации колебаний MPC. Произведено рассмотрение влияния температуры на частоту собственных колебаний MPC. Рассмотрена

функция преобразования микрорезонаторных ВОДТ. Сделан вывод о необходимости покрытия кремниевых MPC пленками металлов для повышения коэффициента температурной чувствительности. Произведена оценка пороговой чувствительности рассматриваемых ВОДТ.

В третьей главе анализируются условия возбуждения автоколебательных систем на основе волоконного лазера и методы оптимизации параметров элементов автогенераторной схемы для создания ВОД температуры. Приведено численное моделирование описываемых систем на основе интерферометра Фабри-Перо и автоколлиматора. Рассмотрена модель мультиплексной системы для двух микрорезонаторных ВОД. Проведен численный расчет коэффициентов температурной чувствительности ВОДТ в широком диапазоне температур при различных топологиях MPC. Показаны способы оптимизации чувствительных элементов для создания ВОДТ.

В четвертой главе рассматриваются конструктивные особенности измерительных головок ВОДТ на основе интерферометра Фабри-Перо и автоколлиматора. Описаны конструкции макетов измерительных головок обоих типов. Отмечены характерные трудности при их реализации и способы их разрешения. Представлена лабораторная установка для сборки измерительных головок и контроля их параметров. Рассмотрена технология создания макета микрорезонаторного ВОДТ и результаты исследования его характеристик.

Пятая глава описывает мультиплексную систему микрорезонаторных ВОД для измерения температуры. Описан метод мультиплексирования микрорезонаторных ВОДТ на основе эрбиевого волоконного лазера. Показано, что этот метод имеет более простую схему реализации и лучшие метрологические параметры по сравнению другими известными методами. Рассмотрена аппаратная реализация автоматизированной

восьмиканальной мультиплексной измерительной системы для МР ВОД. Отмечено, что переход к измерению других видов физических воздействий осуществляется лишь адаптацией кода программы микроЭВМ. Разработаны алгоритмы для измерения температуры с помощью мультиплексной системы и алгоритмы программного обеспечения для взаимодействия с внешними вычислительными комплексами.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

В приложении представлены основные фрагменты конструкторской документации на мультиплексную систему измерения температуры, приведены листинги программного обеспечения для обработки и анализа выходных сигналов мультиплексной системы; приведены ксерокопии актов о внедрении результатов диссертации.

1. Обзор исследований и разработок ВОД температуры и мультиплексных систем на их основе.

1.1 ВОД температуры и их мультиплексирование. Состояние работ.

Исследования в области оптики и волоконной оптики, выполненные за последние 10-20 лет, позволили существенно расширить круг физических эффектов и явлений, которые могут служить основой при разработке волоконно-оптических датчиков температуры. Следует отметить, что на данный момент теоретически обоснованы и предложены методы технической реализации для широкого класса ВОДТ, принцип действия которых основан на изменении таких параметров оптического излучения как амплитуда, фаза, поворот плоскости п