автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Обеспечение точности измерений в сетях волоконно-оптических датчиков в условиях дестабилизирующих воздействий

Р Г Б ОД

нз руко,-;:■::!

1 3 МАЙ шв

КУЗИН АЛЕКСАНДР ЮЯЬЕЕИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В СЕТЯХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ В УСЛОВИЯХ ДЕСТАБИЛИЗИРУКВДХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.11.15 - Метрология и метрологическое

обеспечение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

о

"З^СЭЫПОЛН^НЗ В -32 ¡Г'~''~'Л°ДС'ВЗТК.ОМ

Министерства оберсны Российской 'Гедерацпн

Официальные оппоненты:

доктор технических нзук, профессор Котик Андрей Федорович доктор технических нзук, профессор Зак Евгений Аронович

доктор технических нзук, старший научный сотрудник Супрунюк Василий Владимирович

Ведуяда организация - НПО Измерительной техники (г.Калининград, Московская обл.)

Защита состоится июиХ 1996 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 063.68.02 в Московском государственном институте электроники и математики.

. Адрес института: 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12, МГИЭМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан «ио Я 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущая тенденция современного развития всех областей техники, заключающаяся в автоматизации процессов управления, контроля, диагностирования и т.д., вызвала резкий рост потребности в датчиках самых разнообразных физических величин. Например, если в 1985 г. на мировом рынке было продано датчиков на сумму около 1,2 млрд. долл., то в 1990 г. уже на 3 млрд. долл. Насыщенность современных объектов техники датчиками ярко демонстрирует ракетно-космический комплекс "Энергия-Буран", который содержит около 3,5 тысяч датчиков, из которых 807. специально разработанные.

Высокие требования, предъявляемые к датчикам (широкий динамический диапазон, высокая точность, малые габариты, масса и энергопотребление, жесткие условия эксплуатации и т.д.) часто противоречат друг другу, что в некоторой степени обусловлено двойственной природой самих датчиков, являющихся одновременно и элементами конструкций объектов техники и средствами измерений их параметров. Неудивительно, что разработчики датчиков, стремясь расширить их возможности, обращаются к новейшим достижениям в самых различных областях науки и техники: физике, электротехнике, термодинамике, гидравлике, вакуумной и криогенной технике, материаловедении, технологии обработки металлов и неметаллов, микро- и оптоэлектронике, метрологии и т.д. В частности, повышенный интерес в настоящее время проявляется к разработке датчиков, основаниих на использовании достижений волоконной оптики. Многие специалисты у нас и зирубежом считают, что в ближайшие 10-20 лет волоконно-оптические датчики (ВОД) во многих областях составят серьезную конкуренцию другим типам датчиков. К числу преимуществ ВОД относятся: нечувствительность к внешним электромагнитным полям, удобство мультиплексирования сигналов и сопряжения с волоконно-оптическими системами передачи информации (ВОСП), высокая чувствительность, коррозионная стойкость, гальваническая развязка, взрывобезопасность, малые габариты и масса, а также общая технологическая база их изготовления с производством оптических волокон.

' По данным фирм, изучающих, рынок сбыта приборов, в настоящее время характерна тенденция роста объемов производства ВОД. В частности, фирма International Resource Development (США) оценивает увеличение мирового рынка ВОД до 400 млн. долл. в 1995 г., в том числе в США до 235 млн.долл. При этом, как показали исследования, реализация потенциальных преимуществ ВОД достигается при сопряжении их с волоконно-оптичес-

:ши линиями связи, т.е. при создании так называемых оптических сетей ЮД. Только такие сети позволяют получать и передавать вплоть до уст-юйств обработки и отображения измерительную информацию в оптической ?орме, снижая тем самым, га счет исключения оптоэлектронных преобразо-зателей и проводных линий связи, энергопотребление, массу и габариты измерительной сети при повышении ее помехозащищенности. Для наиболее разработанных в настоящее время ВОД, основанных на амплитудной модуляции света (амплитудных ВОД), известно несколько способов построения сетей с уплотнением (мультиплексированием) сигналов от многих датчиков: спектральный, импульсно-временной, поляризационный и др. Однако, всем им присущ общий недостаток, затрудняющий применение в бортовых условиях и заключающийся в слабой устойчивости измерительной информации к дестабилизирующим воздействиям. Колебания интенсивности излучения, вызванные изменением мощности излучателя, чувствительности фотоприемника или потерь подводящих световодов, воспринимаются как полезный сигнал. Так, например, изменение температуры окружающей среды приводит к изменению характеристик практически всех элементов сети. Изменяется эффективность полупроводниковых источников излучения (даже при температурной компенсации, основанной на оптической обратной связи, нестабильность составляет ~ 0.15%/10К, что в диапазоне температур (-60...+85)°С приводит к (2-3)%. дополнительной погрешности); квантовая эффективность фотоприемников (для р-Ьп - диодов и лавинных фотодиодов - (1-3)%); оптические потери в пассивных элементах сети: соединительных световодах, разъемах, ответвителях (до 10%).

Существенно влияют на характеристики элементов сети механические воздействия, вызванные вибрациями, ударами, колебаниями давления и т.д. Так, механические напряжения в кристаллах и элементах конструкций полупроводниковых излучателей приводят к нестабильности мощности излучения ~(0.8-5)%. Возникающие изгибы и микроизгибы световодов приводят к изменению потерь в них (1-10)%. Высокую чувствительность к механическим воздействиям, обусловленную очевидными причинами: рассогласованием торцов световодов под действием вибраций и ударов, имеют оптические разъемы. Потери в них изменяются в диапазоне (0.3-1.5)дБ, что вызывает погрешность до 30%.

Кроме того, к дополнительным погрешностям измерении в сетях амплитудных ВОД приводят колебания модового состава излучения (при использовании многомодовых световодов), вызванные воздействиями на элементы сети, влажность и запыленность окружающей среды, радиационное воздействие.

Результаты практических попыток создания сетей амплитудных ВОД

показали, что при современной элементной базе функционирование таких сетей может быть обеспечено только в лабораторных условиях эксплуатации. В бортовых условиях они из-за значительных погрешностей, обусловленных дестабилизирующими воздействиями, практически неработоспособны.

С учетом вышесказанного, целы» диссертации является выбор и обоснование путей обеспечения точности измерений в бортовых сетях ВОД на основе разработки теоретических основ и базирующихся на них технических решений, обеспечивающих создание сетей ВОД, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям. При этом необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ требований к современным датчиковым измерительным системам и обосновать направления создания сетей ВОД, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям;

- разработать теорию волоконно-оптических устройств, обеспечивающих переход к использованию в качестве информационных частотных и фазовых характеристик оптического излучения, и исследовать их характеристики;

- разработать методы преобразования измерительной информации ВОД, обеспечивающее ее устойчивость к дестабилизирующим воздействиям;

- разработать научно-методические рекомендации по построению и метрологическому обеспечению сетей ВОД.

Объектом исследований в диссертации являются волоконно-оптические устройства, обеспечивающие переход к использованию в качестве информационных частотных и фазовых характеристик оптического излучения, принципы построения сетей ВОД, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, а также методы их метрологического обеспечения и применения.

Состояние вопроса. В настоящее время опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию принципов построения ВОД. К их числу следует отнести труды М.М.Бутусова, В.И.Бусурина, Е.А.Зака, Н.П.Удалова, В.Г.Жилина, А.Л.Патлаха и других, в которых в том числе решались задачи повышения устойчивости датчиков к внешним воздействиям. Однако в этих работах разрабатывались методы компенсации погрешностей, вызванных внешними воздействиями, 'для различных конструкций амплитудных ВОД. Более близкими по постановке являются работы В.В.Гри-горьянца, В.Т.Потапова,;Б.Г.Горшкова, М.И.Ермохина, посвященные исследованию отдельных конструкций ВОД, основанных на использовании в качестве информационных частотных (спектральных) характеристик оптического излучения. В то же время одиночные волоконно-оптические датчики не могут дать существенных преимуществ по сравнению с традиционными электрическими датчиками. Такие преимущества могут быть реализованы

лишь при условии создания оптических измерительных сетей, б которых осуществляется мультиплексирование информации от датчиков. В связи с этим диссертация посвящена решению новой крупной научной проблемы разработки теоретических основ и базирующихся на них технических решений, обеспечивающих создание сетей ВОД, устойчивых к внешним дестабилизирующим воздействиям. Для решения указанной проблемы потребовалось привлечение методов теории колебаний, волновой теории, теории относительности, теории универсальности нелинейных систем, математической статистики, что позволило получить следующие новые научные результаты:

1. Разработана теория волоконно-оптических фазосдвигающих элементов и получены аналитические выражения, полностью описывающие их амплитудные и фазовые свойства и обеспечивающие расчет характеристик ВОД на их основе.

2. Теоретически и экспериментально исследован механизм хаотизации колебаний автомодуляционного генератора и измерены его параметры. Разработана численная модель автомодуляционного генератора на основе модифицированной нелинейной функциональной итерационной схемы, с помощью которой выбран вид нелинейности усилителя, оптимальный с точки зрения максимального допустимого изменения коэффициента усиления.

3. Разработаны методы преобразования светопропускания чувствительных элементов ВОД амплитудного типа в фазу и частоту модуляционных колебаний, основанные на использовании волоконных фазосдвигающих элементов, и проведены их теоретические и экспериментальные исследования.

4. Предложены методы частотного представления измерительной информации ВОД на основе автогенераторов с волоконными фазосдвигающими элементами в цепи обратной связи, а также на базе кремниевых микрорезонансных структур, возбуждаемых немодулированным оптическим излучением. Определены условия возбуждения автоколебаний и получены соотношения, определяющие их частоту.

5. Разработан адаптивный к числу и характеристикам измерительных каналов программный способ демультиплексирования информации в сети ВОД с частотным представлением измерительной информации, при котором разделение информации от ВОД осуществляется непосредственно в ЭВМ по специально разработанному алгоритму. Проведены теоретические и экспериментальные исследования математической и физической моделей измерительной системы, определены требования к характеристикам ВОД, а также зависимость числа гарантированно разделяемых каналов от параметров системы.

6. Предложен подход к рациональному выбору методов поверки датчиков на месте их эксплуатации, основанный на разработанной формализо-

ЗоККОИ иКиЛКОХеКе, СОДёртЗДвИ ПбречсНЬ И ПОгСЯЗЗТеЛИ ИЗВёСТНЫХ МЭТ0Д03 поверки, а также на участии в выборе эксперта, располагающего информацией о прикладном характере решаемых датчиками задач, особенностях их использования и т.д.

Практическая ценность. Полученные результаты представляют собой теоретические основы и совокупность технических решений, обеспечивающих создание сетей ВОД, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, что позволит повысить точность измерений в сетях ВОД и расширить области их применения.

Основные положения и результаты работы внедрены при разработке тактике-технических заданий на проведение исследований по разработке принципов построения перспективных датчиков для авиационной техники, по совершенствованию метрологического обеспечения датчиков, по разработке методов мультиплексирования информации в сети ВОД.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на V Межведомственном научно-техническом семинаре "Волоконно-оптические датчики в сетях сбора данных" (1980 г., Москва), ХЫ1 Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (1987 г., Москва), V Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические системы передачи", ВОСП-88 (1988 г., Москва), VI Всесоюзной конференции по проблемам управления развитием систем (1991 г., Киев), Научно-техническом совещании "Электроин-форм-92" (1992 г., Нижний Новгород-Астрахань), Международной научно-технической конференции "Распознавание-93" (1993 г.-, Курск), Международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика" (1993 г., Зеленоград), Всероссийских научно-технических конференциях "Датчик-93", "Датчик-94", "Датчик-95" (1993 г., 1994 г., 1995 г., Гурзуф).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 статьях, 9 авторских свидетельствах на изобретения, 7 отчетах о НИР, 17 тезисах докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников и содержит 270 страниц основного текста, в том числе 75 графиков и б таблиц. Список использованных источников содержит 145 наименований. _

На защиту выносятся; "•

1. Теоретическое обобщение принципов построения сетей ВОД, показавшее, что для снижения -погрешностей, обусловленных дестабилизирующими воздействиями, наиболее перспективно создание сетей ВОД на основе использования в качестве информативных параметров частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также час-

готы оптических колебаний.

2. Теория волоконно-оптических фагосдвигающих элементов в виде совокупности аналитических выражений, полностью описывающих их амплитудно- и фазочастотные характеристики с учетом оптических потерь, а также результаты их экспериментальных исследований.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма хаотизации колебаний волоконного автомодуляционного генератора, а также результаты его численного моделирования.

4. Методы преобразования светопропускания чувствительных элементов ВОД амплитудного типа в фазу и частоту модуляционных колебаний.

5.Методы частотного представления измерительной информации ВОД на основе автогенераторов с волоконными фазосдвигающими элементами в цепи обратной связи, а также на базе кремниевых микрорезонансных структур, возбуждаемых немодулированным оптическим излучением.

6. Программный способ демультиплексирования информации в сети ВОД с частотным представлением измерительной информации, адаптивный к числу и характеристикам измерительных каналов.

7. Подход к рациональному выбору методов поверки датчиков на месте их эксплуатации и формализованная библиотека этих методов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрен предмет исследований, обоснована актуальность работы, сформулирована научная проблема и определены пути ее решения.

В первом разделе проведены анализ требований, предъявляемых к современным бортовым измерительным системам, а также оценка современных тенденций развития датчиковых измерительных систем, которые показали перспективность создания оптических измерительных сетей на основе световодных датчиков. Наиболее развитый в настоящее время подход к построению сетей ВОД основан на использовании в качестве информационных амплитудных характеристик оптического излучения. Однако, как показал анализ, при современной элементной базе функционирование таких сетей может быть обеспечено только в комфортных условиях эксплуатации. Это определяет актуальность разработки новых направлений создания сетей ВОД, обеспечивающих их функционирование в бортовых условиях.

В общем случае измерительная информация'от ВОД может передаваться на основе модуляции параметров оптической волны (амплитуды, фазы, частоты, поляризации), параметров модулирующего сигнала, наложенного на оптическую волну (амплитуды, фазы, частоты), а также пространственных

о

параметров регистрируемого излучения. Кроме того, измерительная информация от ВОД может передаваться в цифровом (кодовом) виде.

Проведенный анализ измерительных систем с амплитудным представлением измерительной информации показал проблематичность использования их в бортовых условиях, для которых характерны значительные дестабилизирующие воздействия. Применение поляризационного представления измерительной информации требует специальной элементной базы (световодов, ответвителей и др.), сохраняющей плоскость поляризации проходящего излучения. Создание такой элементной базы находится в настоящее время на начальной стадии, поэтому измерительные сети ВОД с поляризационным представлением измерительной информации пока не могут составить конкуренцию другим видам сетей. Это же относится и к использованию в качестве информационных пространственных параметров передаваемого излучения.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы оптической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. с передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн, даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят ¡_ к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость фазовых сетей ВОД к дестабилизирующим воздействиям.

Более перспективно использование цифровых методов передачи информации в измерительных системах ВОД, отличающихся, с одной стороны, удобством и простотой мультиплексирования измерительной информации, а с другой стороны - высокой устойчивостью к дестабилизирующим воздействиям. Достоинством цифровых методов передачи информации является также удобство сопряжения с ЭВМ, общая элементная база с цифровыми волоконно-оптическими линиями связи, проработанность схемно-конструктивных решений по созданию цифровых сетей передачи информации.

Однако в настоящее время круг световодных датчиков с цифровым выходным сигналом достаточно ограничен. Использование же дополнительных устройств для преобразования аналоговых выходных сигналов- ВОД в цифровую форму» как правило, приводит к необходимости двойного оптоэ-лектронного и электрооптического преобразования, а, следовательно, резко ухудшает массо-габаритные показатели, повышает энергопотребление, снижает помехозащищенность информации и т.д. " -

В то же время частота оптической волны, частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое излучение, при распространении его по световоду практически не зависят от дестабилизирующих воздействий. Это

1С

ры, а, следовательно, и на измерительную информацию.

При частотном представлении измерительной информации, кроме того, существенно упрощается построение мультиплексных сетей ВОД.

Такш образом, исследование принципов построения сетей ВОД позволило выдвинуть и обосновать научное положение о том, что с точки зрения создания бортовых измерительных систем, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, наиболее перспективными являются направления создания сетей ВОД на основе использования в качестве информационных характеристик частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также частоты оптической волны.

Реализация этих направлений требует разработки теоретических основ построения таких сетей ВОД, в первую очередь теории волоконно-оптических устройств, обеспечивающих переход к использованию в качестве информационных частотных и фазовых характеристик оптического излучения, разработки методов преобразования измерительной информации ВОД, обеспечивающих ее устойчивость к дестабилизирующим воздействиям, а также разработки научно-методических рекомендаций по построению и метрологическому обеспечению предлагаемых сетей ВОД.

Во втором разделе представлены результаты разработки теоретических основ создания сетей ВОД, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям. На базе теории относительности рассмотрен наиболее общий случай распространения оптического излучения по световоду произвольной формы, находящемуся в гравитационном поле, и показано, что время распространения излучения х с точностью до слагаемых, содержащих 1/с5, определяется выражением:

где х - собственное время распространения светового луча, измеренное покоящимися в данной системе отсчета часами: п - показатель преломления световода; L -длина световода; с -скорость света в вакууме ;ф=-km/'p -потенциал гравитационного поля; к - гравитационная постоянная; m -масса вращающегося тела, образующего гравитационное поле; р - расстояние от центра тела до рассматриваемой точки; S - площадь, охватываемая

X

( 1 )

световодом; iî, a, W - углозал скорость, линеиное ускорение и скорость перемещения системы отсчета в гравитационном поле соответственно; R -радиус-вектор рассматриваемой точки относительно начала системы координат; N - момент импульса тела. Из (1) следует, что т в наибольшей степени зависит от линейных размеров световода, причем с учетом эффекта фотоупругости

Д-t AL 1 AL

— =---п* Г(рц+ Р12)(-Д)+ Р12Э — , ( 2 )

X L 2 L

где Pli. Pl2 - компоненты упругооптического тензора; ц - коэффициент

Пуассона, а также от условий распространения и угловой скорости П. Использование отрезка световода в качестве фазосдвигагащего элемента в цепи обратной связи автогенератора приведет к известной зависимости частоты генерации от X, что открывает возможность создания частотных датчиков.

Кроме простого отрезка световода в качестве фазосдвигающих элементов могут использоваться более сложные волоконные устройства, представляющие собой интерферометры различных типов, применение которых придает датчикам ряд новых полезных свойств.

-В работе методами комплексных амплитуд для когерентного случая (оптические волны) и энергетического сложения для некогерентного (модуляционные колебания) проведены исследования процесса интерференции в различного типа волоконных интерферометрах : однопроходных (типа Маха-Цандера) и многопроходных кольцевых (типа Фабри-Перо) с различным числом ответвителей (плеч) и для разных типов волокна (одно- и много-модового). Исследован также процесс интерференции встречных воля в сложном кольцевом интерферометре, содержащем волоконные и зеркальные элементы. Полученные в результате исследований аналитические выражения (основные из которых приведены в табл.1) полностью описывают амплитудные и фазовые характеристики (рис.1, рис.2) интерферометров и обеспечивают расчет параметров ВОД на их основе. Сравнение характеристик интерферометров показало, что благодаря разнообразию своих свойств, все они могут найти применение в качестве фазосдвигающих элементов для различных задач. Так, элемент на основе отрезка световода отличается простотой, а также линейностью фазовой характеристики во всем диапазоне возможного удлинения световода, ограниченного его механическими свойствами, и, следовательно, может рекомендоваться к применению в датчиках с широким динамическим диапазоном. Элемент на основе двухплё-чевого интерферометра может быть применен в датчиках для выполнения функции суммирования сигналов, а так-*акак и трехплечевой интерферометр позволяет преобразовывать пропускание амплитудного чувствительно-

То^ЛИЦа 1

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКОННЫХ ФАЗОСДВИГАЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

№ п/п Тип элемента Амплитудные характеристики . Фазовые характеристики Интенсивность выходного излучения

1 2 3 4 5

1 L 1-1 Бх Вых АВых ■ АВх 2п Ф = — nL X Ibux = IEX

2 И Вх Вых-j 1 г—| -У^ V 11 | L2 АВых1 = / И2+К2-2ИКсоз5•Авх Авых2 = / 2НК+2НКсозб-Авх 2Я 5 = — п(Ь2-и) для оптических колебаний Авых1 - / !?4+К4+2Г?2К2созф-Авх АВых2 = КК /2(1+созф)-АВх ф = - с для модуляционных колебаний г RsinSi-Ksin52\ = arctg- RCOS5i-KCOS52'/ S1+B2 - - 2 2я 2я Si - — nLi; 62 » — nL2 для оптических колебаний / R2sinq>i+ ®i - arete—5- R,ücosípi+ +KZSÍn(P2^ +К2С05Ф2 «Р1+Ф2 ®2 . - 2 Wl = (RZ+Kz-2RKcos5)IBX Ibux2 - 2RK(l+cos6)IBx для оптических колебаний Wl = [R2+K2V R4+K4+2x xR2Kzcost() • cos (wt+®i) j ABx Ieux2 = |^2RK+RK/2(l+COStp)x xcos (fa)t+®2) j ABx

Пр0Д0Лл«лИ5 ТлиЛИЦЫ I

1 2 3 4 5

п п Ф1 - ы-1.1; Ф2 = й)-L2 С с для модуляционных колебаний при 1вх = Аех(1+собы1) для модуляционных колебаний

3 ч Авых = / К14+К24+Кз44-2К12К22х г К1231пф1+ Ф ».агс^--- К1^С05ф1+ +К2231ПФ2+К3231ПФЗ>1 +К22СОЗ92+КЗ2СОЗ93'' 1вих1 = [К12+К22+Кз2+

ХС03(Ф1-Ф2)+2К12КЗ2С05(Ф1"ФЗ)+ V К14+К24+КЗ4+2К12К22Х

+2К22КЗ2С05(Ф2"ФЗ)-Аву п1-1. 2. 3 Ф1, 2. 3 ---Ш С хсоз (91 - срг)+2К12Кз2х хсоэ (Ф1- фз) +2К.22Кз2х хсоз(ф2"Фз)-созО^-К^Аах при 1Вх - Авх(1+С05ш1)

4 1 1 1 1 Вх Вы.Ч1 , Вь«2 / Н-2!?асозС+1?а2 Г а(1?-1)х: 1?(1-2асозб+а2)

Иых1 / 1-2К«созб+н2л2 Аиа к Авых2 = ~ "Авх у 1-21?асозС+1?2а2 Ч.-вС03б(1+!?) + хз1пВ-1 +<*21? -1 " „ _ . о о'^ВХ К2 1вых2 " 1 для оптических колебаний

!

I !

Продолжение Таблицы 1

2Я

5 = — пЬ

для оптических колебаний

АВых1

Авых2

2я2 (д-соэф)

1-21?2соз11Н-1?4

•Авх

. пЬ

9 » —<1>

с

для модуляционных колебаний

г !?С131пб 1

Ф2 - агсЫ-

^-Иасозб-1

для оптических колебаний (1-Р2)з1п<?

(1+[?2)х

- агс1(^-х(1-соз!р)-1

г ^ЭХПф -]

®2 = агсЫ-^—-

11-Н'ссозф-1

для модуляционных колебаний

1вых1 =

/2^(1-0039)

1+ /-=-гХ

1-2р2созф+!34

хсоэ

(ut+Фl)jАе

1вых2 =

1+

/1-2Н2соз<Р+Р.4

хсозСоЛ+Фг)

при 1вх = АВх(1+с05ш1)

для модуляцилнных колебаний

авых " двх

для оптических и модуляционных колебаний в одномодовом волокне

Ф =

(1-Е)51п8

-(1+]?)соз5-2^-

1вых = 1вх

для оптических и модуляционных колебаний в одномодовом волокне

ПрОДОЛл6КИ6 ТабЛКЦЫ 1

<вых

!?2+К2

(

2Ксоз5-2!?2+

+к<:

I -Авх

для модуляционных колебаний в многомодовом волокне

2л для оптической б = — пЬ волны X

пЬ для модуляционных 5 =■ —и колебаний с

для оптических и модуляционных колебаний в одно-модовом волокне

Ф - .'агс&г ■

1-:

К2з1пБ

2^(1-0056) +

+К2С05б-1

для модуляционных колебаний в многомодовом волокне

Вх Вых

а2-2а /И созб+Й Авьи _ /-Авх

1-2а созб+сс2!?

■' 2Я

5, » — пЬ X

для оптических колебаний

Ф - агсЬг

озтб(1-1?)

а(1+Н)со5б-И/ГКх

1&УХ

^ 1

2Ксозб-21?2+ •гНсоБб+И2

+К'

х(«2+1) •

для оптических колебаний

■|соз(оЛ+Ф)Ав

при 1вх = АвхС03(|Л для оптических колебаний

Продолжение таблицы 1

АВых1 = Мск1СА1С1)3 АВЫХ2 - МОС1[А2СП3

А1

С1)

Авх1 С1-/й

/я [1-/1? 01X Хехр1(2б4)]АВх1+/1? Вх

В2Х

хехр!(63+64)АВх2

хехр1 (264) 3- [/1? Вехр1 (63+64):

Ко2 х- ■.

М1 АВХ2 С1-/1? Й1Х А2С1) ----

/Й [1-/1? в1Х

хехр1(2бз)]АВх2+/^ Вх

Б2Х

®1 = Агг [А1'»] Ф2 - Агг [А2С1>]

01 = 02

. (1-1?1)ссехр(1б1)

В =

1-1?1С12ехр[1 (61+62)] (1-Р1)о(ехр(1б2) 1-^а2ехр[1 (61+62)]

/?1[1-а2ехр-П (61+62) >]

1-К1«2ехр[1(61+62)]

для встречных оптических волн

1вых1 = мое!2 [А1(П]

V J

1вых2 = Мос12[а2с1)]

2тс I 25Ьа

«1. 2 -

2Я> 2БЬа \

для встречных оптических волн

Окончание таблицы 1

1 2 ■ ; з 4 5

1 хехр1(бз+Вд)АВх1

хехр1(264)Вехр1(63+64)] у V' для встречных оптических волн

ПРИМЕЧАНИЯ К ТАБЛИЦЕ 1 В таблице 1 использованы следующие обозначения:

1?, К - соответственно, коэффициенты отражения и пропускания направленных ответвителей ( Н+К = 1 ); \ - длина волны оптического излучения; п - коэффициент преломления световода; Ь - длина отрезка световода; с - скорость света; ы - частота модуляционных колебании;

ас - коэффициент затухания (при а<1) или усиления (при а>1) амплитуды волны; 1?1 - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала; 3 - площадь контура, образованного кольцевым световодом; Я - частота вращения интерферометра.

Аьык 4

Д&ЫХт а*

М

// V ! \ \ \ V. 2.

у V'' \

г/г

з/г

9 л

3, V, р«^

а) элементы II, 2, 4, 5

/>1м» ^ АькКто.

0.5

л*

к,го,г? \ К,-0.05"

шАл.,

б) элемент № 3 (модуляционные колебания)

л

кш* А 8*

»,5

ч Л =0,9 *=0,7

у/Со.ъг

П/г

5/г/г

т

У,?**

в) элемент № 5 (модуляционные колебания в многомодовом волокне)

А в*

Ю

3", 0 Г/ чоо 7Г

А вы* Л ь* 20 «,2 -Г ,002 <,оо/

'«1 '= ; к

кг*

г) элемент № 6 при I

Рис.1. Амплитудные характеристики йазосдвигаюших элементов

но

но

120

л

но

Ф, «РЛ

.---- че

/ •

/

/ ■

к

а) элемента №№ I, 2,3,4,.5, 6

п 2

£ Ч

п/ч

щг

- -^=0,13 -

к-0,7

"А .

«Р, р-»

<Я элемент Л 5 (шдуляционные колебания в шогомодовом волокне) Рис.2 Фазовые характеристики фазосдвигаюшюс элементов

го элемента датчика в частотные и фазовые характеристики модуляционных колебании, обеспечивая тем самым переход к частотным и фазовым измерениям в амплитудных ВОД.

Многопроходный интерферометр с двумя ответвителями, имея меньший диапазон измерений, ограниченный линейным участком фазовой характеристики, отличается повышенной ее крутизной. Это позволяет локализовать область чувствительности датчика и пространственно разнести его чувствительный элемент и усилительную часть. Этот эффект может быть увеличен с помощью многопроходного интерферометра с одним ответвителем, имеющего еще большую крутизну фаговой характеристики. Кроме того, его достоинством является равномерность амплитудной характеристики, упрощающая его использование. Большой интерес представляет случай, когда в кольцевом интерферометре с одним ответвителем имеет место усиление амплитуды волны. При этом зависимость амплитуды выходного излучения имеет чрезвычайно острые пики при б=2яп , п= 0, 1, 2,... и полога при остальных значениях С (рис.1, г), что определяет высокую чувствительность интерферометра.

Проведенные в работе экспериментальные исследования характеристик волоконных интерферометров показали соответствие их теоретическим и подтвердили повышенную чувствительность многопроходных интерферометров как для оптических, так и для модуляционных колебаний.

. В этом же разделе предложено применение теории универсальности нелинейных систем Фейгенбаума к анализу сложных колебательных процессов в автогенераторных ВОД. Экспериментальные исследования различных типов автогенераторных ВОД показали, что в них при определенных условиях наблюдаются сложные (нелинейные) режимы колебаний вплоть до их хаотизации. Известно, что аналогичным путем, через последовательность субгармонических бифуркаций, происходит хаотизация колебаний и в других автогенераторах, например, в лампе обратной волны или в генераторе с инерционной нелинейностью. Универсальную теорию нелинейных систем, переходящих к хаотическому (квазисгохастическому) поведению через последовательность субгармонических бифуркаций, предложил М.Фейгенбаум. Достоинством этой теории является универсальность (независимость от вида нелинейности и от физической природы процессов), позволяющая использовать простую систему с удвоением периода в качестве модели более сложной. В работе предложено в качестве аналога частотных ВОД использование нелинейной функциональной итерации вида Х1+1= Пх^,

где

Г (х)= 4Хх(1-х), 1=0____со

( 3 )

сравнительно просто реализуемой на ЭВМ. Численное экспериментирование с (3) позволило исследовать механизм хаотизации ее поведения, определить закономерности формирования аттрактора, а также выявить новые свойства процесса хаотизации, облегчающие его изучение. Однако, в итерационной последовательности (3) отсутствует масштаб времени (т.е. время между двумя последовательными итерациями не задано). В связи с этим для обеспечения фазовых соотношений, а также учета инерционности (ограниченной полосы пропускания) в качестве модели автогенераторных ВОД предложено использование функциональной итерации вида

„п. vn. . vn. ,vn. Yn+1. vn+l. . vn+l. . vn+l. / л \

Л0> л^,..., , Л^ ..... Л^ ■•••I л^ ,К 1 /

где x£+1 - fC^J hd), ( 5)

п - номер итерации, 1 - номер элемента матрицы-строки, содержащей L элементов, h¿ - дискретная импульсная характеристика. Например, при экспоненциальной импульсной характеристике (5) принимает вид

f

1 +Jfc1exp(-kCBj)

Л

( 6 )

где кСв - коэффициент, задающий связь между элементами матрицы (скорость спадания импульсной характеристики).

Применение модифицированной функциональной итерации позволило сравнительно простыми способами смоделировать режимы- хаотических колебаний, при этом сравнение форм сигналов, полученных в результате физического эксперимента и численного моделирования, показало их хорошее соответствие.

С помощью разработанной модели были исследованы ' различные виды нелинейностей, соответствующие как мягкому, так и жесткому режимам возбуждения, и-показано, что" с точки зрения максимально" допустимого изменения коэффициента усиления, оптимальным является усилитель с нелинейностью, близкой к квадратической параболе.- ■

Разработанные теоретические основы позволили предложить совокупность реализующих их технических решений, направленных на создание устойчивых к дестабилизирующим воздействиям сетей ВОД.

п

В третьем разделе предложены методы преобразования светопроуска-ния чувствительных элементов амплитудного типа в фазу и частоту моду-

ЛйЦИиККЫХ КОЛёиЗНКК, ОСУщсСхВЛЛемЫб С иОмищой ВОЛиКиККи-иитКчеСККХ КК~ терферометров, исследованных в предыдущем разделе. Рассмотрен, например, датчик, в котором в одно из плеч двухплечевого интерферометра (поз.2 табл.1) включен чувствительный элемент типа "микроизгибный де-формер" (рис.3).

ft,

тВ

ЯШ

Jk

Рис.З

Свойства такого чувствительного элемента достаточно глубоко исследованы, хорошо известны и описываются коэффициентом пропускания выражающим зависимость светопропускания элемента от измеряемого воздействия (силы, перемещения, давления и т.д.).

При подаче на вход интерферометра излучения, мощность которого' промодулирована по закону .

Рвх - Ровх(И- cos ut)

где ш - частота модуляции; t - время;

мощность излучения на его выходе описывается выражением

Рвых - С R2F + К2 + К R4Fz + К4 + 2RzFKzcosq> cos (ut+Ф) ] РОВх , ( 7 ) ып ДЬ

где ф » - ; ДЬ - разность длин плеч интерферометра;

( FRzslnip \

Ф = arete \—z---

K^+FR^cosф >

( 8 )

Из выражения (8) следует, что фаза выходного сигнала зависит от пропускания чувствительного элемента . В то же время фаза Ф не зависит от изменений пропускания световодов, соединяющих интерферометр с источником излучения и фотоприемником, а также от.колебаний мощности источника и чувствительности фотоприемника. Это определяет повышенную устойчивость измерительной информации датчика к дестабилизирующим воздействиям и, следовательно, его перспективность.

с

На рис.4 представлены зависимости фазы выходного сигнала от пропускания чувствительного элемента при различных значениях разности длин плеч интерферометра. Из (8) следует, что максимальная крутизна фазовой характеристики достигается при и П?2=К2, однако при этом стремится к нулю амплитуда модуляции выходного сигнала. В связи с этим в работе исследована погрешность оценки светопропускания чувствительного элемента от ДЬ с учетом дробовых шумов фотоприемника. Показано, что наибольшая точность достигается при ДЬ, соответствующем однако при этом сужается динамический диапазон датчика. Таким образом, подбирая соответствующие Д1_ и (о, можно получить в заданном диапазоне изменения Г как пологую, так и сколь угодно крутую характеристику, т.е. возможна регулировка динамического диапазона, точности и чувствительности датчика под конкретную измерительную задачу. При этом особенно удобно использование частоты модуляции ш, так как обеспечивается регулировка характеристик датчика, встроенного в объект, в процессе его эксплуатации.

Проведенные в работе экспериментальные исследования датчика деформации на основе двухплечевого интерферометра и фотоупругого чувствительного элемента подтвердили высокую помехоустойчивость выходного сигнала датчика (нечувствительность его к колебаниям мощности источника излучения, чувствительности фотоприемника, изменениям светопропускания подводящих световодов). Показано совпадение экспериментально полученных характеристик ВОД с теоретическими, в частности, подтверждена высокая чувствительность ВОД и возможность ее регулировки при эксплуатации.

В этом же разделе предложен метод преобразования выходного сигнала ВОД с чувствительным элементом амплитудного типа в частоту модуляционных колебаний, основанный на использовании трехплечевого волоконно-оптического интерферометра (поз.3,табл.1). При подаче на вход интерферометра синусоидально модулированного излучения сигнал фотоприемника, подключенного к--- выходу интерферометра, описывается выражением

S(t) = TFoBxtFKiCOS (t+Ti)u + K2COS(t+T2)w + K3COS(t+T3)u,

где r - коэффициент пропорциональности; Poax" амплитуда модуляции мощности входного излучения; F - коэффициент пропускания чувствительного элемента; К1.2,3 _ коэффициенты пропускания плеч интерферометра с учетом ответвителей; Ti,2.3 ~ времена задержки в плечах интерферометра; - частота модуляции.

Тогда амплитуду сигнала S(t) можно с помощью преобразований Гильберта представить в виде

So - tPobxCF2Kiz+K2Z+K32 + 2FKiK2cos (Tj-Т2) to+2FKiK3cos (Ti-T3)w + + 2FK2K3COS(T2-T3)W]1''Z .

Последнее выражение фактически описывает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) интерферометра с чувствительным элементом, анализ которой показал, что ее вид зависит от коэффициента пропускания ? чувствительного элемента. Изменение ?, вследствие "воздействия измеряемой физической величины на чувствительный элемент, приводит к изменению положения локальных максимумов ы^ах и минимумов АЧХ (зависимости штах(Р) и Шщ1п(Р) приведены на рис.5, где Шщахо3 Итах(О) и Шш-по= «пип(О)). Благодаря этому, измерение АЧХ позволяет определить Р и, следовательно, связанную с ним измеряемую физическую величину (давление, перемещение и др.).

%|&х Цп'т

При этом, как показали результаты численного моделирования> оптимальным с точки зрения максимальной чувствительности и динамического

диапазона датчика является такое соотношение пропусканий плеч интерферометра, чтобы около 80 7. излучения поступало в измерительное плечо, связанное с чувствительным элементом, а остальное делилось поровну (т.е. коэффициенты Кг, Кг, Кз должны соотноситься как 8:1:1). Длины плеч интерферометра должны быть разными для обеспечения различных фазовых набегов, например, одной из возможных комбинаций является 1.1=21 м, Ьа=9 м, 1-з=27 м.

Кроме регистрации АЧХ измерение ? может осуществляться путем включения интерферометра с чувствительным элементом в цепь обратной связи автомодуляционного генератора. Частота модуляционных колебаний определяется частотой локального максимума АЧХ и, следовательно, однозначно связано с Г. Это позволяет перейти к непосредственной частотной индикации измеряемых воздействий.

Таким образом, предложенные в третьем разделе диссертации методы преобразования выходных сигналов ВОД с чувствительными элементами амплитудного типа позволяют, благодаря применению волоконно-оптических интерферометров, перейти от измерений интенсивности оптического излучения к измерению фазы или частоты модуляционных колебаний. При -этом поскольку колебания мощности источника излучения, пропускания подводящих световодов и чувствительности фогоприемника одинаково сказываются на веек плечах интерферометров, то они не влияют на их фазовые и частотные характеристики и, следовательно, на точность измерении. Это определяет повышенную устойчивость измерительной информации, полученной предложенными методами, к дестабилизирующим"воздействиям.

Погрешность измерений при этом можно условно разделить на две составляющие. Первая из них обусловлена погрешностью преобразования измеряемой физической величины в пропускание чувствительного элемента, определяется его конструкцией и одинакова как для традиционных амплитудных датчиков, так и для предложенных в работе ВОД. Вторая составляющая представляет собой погрешность определения фазы и частоты колебаний, а также в случае измерения АЧХ трехплечевого интерферометра погрешность относительных измерений интенсивности оптического излучения. Учитывая, что точность этих измерений выше точности абсолютных измерений интенсивности, необходимых в амплитудных датчиках, можно сделать вывод о более высокой точности предложенных ВОД. В то же время сохраняются достоинства амплитудных ВОД, связанные с миниатюрностью чувствительного элемента и удобством преобразования измеряемых воздействий в изменение пропускания световода.

В четвертом разделе предложены и исследованы методы частотного представления измерительной информации. Как выше уже отмечалось, час-

тотные ВОД могут быть реализованы на основе автогенераторов с волокон ными фазосдвигающими.элементами в цепи обратной связи. При исследова нии процессов в динамических системах с запаздывающими связями в большинстве случаев необходимо использовать нелинейные дифференциальны* уравнения с отклоняющимся аргументом. Известен ряд работ по теории нелинейных систем с запаздыванием, в частности, в области теории их колебаний. Исследование таких систем является очень сложной задачей. Однако при использовании автогенератора в качестве датчика представляю: интерес в основном два вопроса: необходимый для появления генерацш коэффициент усиления (условие самовозбуждения) и частота генерации, Благодаря рассчитанным во втором разделе амплитудным и фазовым характеристикам волоконных фазосдвигающих элементов эти параметры могут быть определены из условий баланса амплитуд и фаз без обращения к нелинейным дифференциальным уравнениям.

Так, для автогенератора оптических колебаний (лазера) с волоконным резонатором уравнения баланса амплитуд и фаз имеют вид

Ky/R -1 , ФР + Фу" 2ЛЛ, П= 0, 1, 2,...,

где Ку - коэффициент усиления усилительного элемента (активной среды), R - коэффициент отражения ответвигеля, q>D и Фу - соответственно фазовые сдвиги в резонаторе и усилителе. Для резонатора с одним ответвите-лем (поз.5, табл.1) фазовый набег равен

(1-R) sin 5

Фр - arete--

(1+R) cos Б - 2^15

и при условии малых расстроек (5й)рТ << 1) после некоторых преобразований может быть представлен в виде

Sojp Фр - -— ,

До>р

где &>р » щ - Up; Ыр - резонансная частота (шрТ = 2кп, п= 0,1,2,...); Т « nL/c - задержка в световоде длиной L; п - коэффициент преломления световода; Дшр = Шр/Q - ширина полосы пропускания резонатора;

1 + /"R

Q = фрТ - - добротность резонатора.

1 - /~R

Полученный в работе с помощью дисперсионных соотношений Крамер-

са-Кронига фазовый набег в активной среде для однородно уширенной (ло-ренцовой) линии усиления

8«л , <РУ = - 1п Ку ,

где 5о)л = ш - - отстройка частоты ш от центральной частоты линии усиления ыл; Дыл - ширина линии усиления, позволил определить частоту генерации

%Дал/1пКу + Шд/кор

( 9 )

До)п/1пКу + Ди>р

Соотношение (9) описывает зависимость частоты генерации от параметров активной среды и резонатора и тем самым определяет зависимость выходного сигнала датчика как от измеряемого, так и от дестабилизирующих воздействий.

Технологически более просто реализуется автомодуляционный генератор, в котором оптоэлектронный тракт, состоящий из источника излучения, волоконного фазосдвигающего элемента и фотоприемника,- включен в цепь" обратной связи электронного усилителя.

Теоретически условия генерации автоколебаний в такой системе определяются уравнениями баланса амплитуд и фаз:

Ки(ш) Кв(ш)"КфП(й») КУМ = 1 ,

Ри(<о) + Фв(ы) + (Рфп(о)) + <Ру(£о) - 2шп , ш - 0,1,2,...,

где Ки. в, фп. у(м) и ?и.в. фп.у(^) - соответственно амплитудно- и фазо-частотные характеристики излучателя, волоконного фазосдвигающего элемента, фотоприемника и усилителя.

При использовании простейшего фазосдвигающего элемента в виде отрезка световода длиной I условие самовозбуждения примет вид

Ку(си) = 10Г2г(5фП5и) + Ю'^оЬ + 1г(1-К)Г,

где Ку(ы) - коэффициент усиления в децибелах; Б<зп* 0,5 А/Вт - чувствительность фотоприемника; Би* (1-100) Ю-3 Вт/А - крутизна ватт-амперной характеристики излучателя; ос (2-10) дБ/км - затухание в световоде; К - коэффициент связи ответвителя, выводящего излучение из автогэнера-

тора. Последнее выражение получено в приближении равномерности АЧХ оп-тоэлектронного тракта в полосе генерируемых частот. При условии, что наиболее узкополосным элементом автогенератора является усилитель и с учетом его дисперсионных свойств определена частота генерации

0>уТу + Ш^С

О) = -;- , ( 10 )

Ьс+ Ьэи+ Ь3фп+ Гу

где шу - центральная частота усилителя; Ту = 21пКуУйшу ; Дшу - ширина полосы усиления; шс= 1с= пЬ/с - задержка в световоде; -

задержка в излучателе (для полупроводникового лазера

Ьагг Т1п<1 + (1п- 1см)/Пи- (1П~ 1см), где х - время жизни носителей; 1п - пороговый ток; 1СМ - ток смещения; 1П - пиковый ток в импульсе); 1ЭфП- задержка в фотоприемнике (<;ЭфП*> 10~в - Ю-11 с в зависимости от типа фотодиода).

Выражение (10) показывает, что так как 1с>> 1аи+ Ьа®п+ Ту , рассматриваемый автогенератор обладает повышенной стабильностью частоты. Это позволяет снизить требования к стабильности электронных элементов, а следовательно, и к условиям их работы, что особенно важно для бортового применения.

Соотношения (9), (10) определяют зависимость частоты генерации, являющейся выходным сигналом датчиков, от измеряемых и дестабилизирующих параметров и служат основой для расчета и анализа характеристик (динамического диапазона, погрешности, чувствительности и т.д.) конкретных конструкций датчиков.

С целью подтверждения"теоретических результатов были проведены экспериментальные исследования автогенераторного датчика деформаций, направленные на определение его выходной характеристики и оценку погрешностей, вносимых модовой дисперсией и колебанием амплитуды сигнала. Результаты экспериментов показали, что выходная характеристика датчика является, линейной и практически совпадает с теоретически рассчитанной (отличие не превышает 5 X). Порог чувствительности датчика составил ~ 10~4 . м при длине световода, образующего фазосдвигающий элемент, ~ 100 м.- Эксперимент показал также, что изгибы волокна и другие воздействия на него, приводящие к изменению модового состава и интенсивности излучения, распространяющегося по световоду, не приводят к погрешности измерений, превышающей Ю-4 - 10~3 X.

В этом же разделе рассмотрены принципы построения частотных ВОД, основанных на применении кремниевых микрорезонансных структур. Известен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных исследованию возможности оптического возбуждения резонанса в кремниевых мик-

роструктурах (мембранах, балках, консолях и т.д.) с помоп^ью оптического излучения, модулированного по интенсивности на частоте низшей гармоники собственных колебаний микроструктуры fp. В работе предложен более перспективный с точки зрения создания мультиплексных систем ВОД, инвариантный по отношен™ к конкретным значениям подход, при котором возбуждение собственных колебаний микрорезонатора осуществляется немодулированным когерентным оптическим излучением за счет образования чисто оптическими средствами положительной обратной связи в зоне колебаний резонатора. Для этого на кремниевый чувствительный элемент и на торец облучающего световода наносится отражающее покрытие (либо они полируются). В результате образуется интерферометр типа Фабри-Перо с базой, равной расстоянию между торцом световода и кремниевой микроструктурой. В работе рассмотрены механизмы возбуждения колебаний в такой структуре, основанные как на механическом давлении света, так и на термооптическом эффекте. Интенсивность падающего на мембрану светового излучения носит периодический характер с максимумами при значениях базы интерферометра, кратных длине волны оптического излучения. Поэтому и сила воздействующего на мембрану светового давления и сила, приводящая в движение мембрану в результате последовательного протекания двух процессов - разогревание (остывание) поверхности мембраны вследствие поглощения какой-то части энергии светового изучения и тепловое расширение (прогиб вследствие жесткого защемления мембраны по краям) твердого тела, будут"носить также периодический характер. Добротность резонатора включает в себя пять составляющих, связанных с потерями определенного вида: термоупругие потери, потери на фонон-фононовое взаимодействие, потери на излучение звуковых волн, потери от демпфирования колебаний окружающим мембрану газом и поверхностные потери .

В результате исследований на ПЭВМ математической модели описанного резонатора обнаружено существование, при определенных условиях, устойчивых незатухающих колебаний мембраны на частоте Как следует из проведенных численных экспериментов, значения интенсивностей возбуждающего . и отраженного от мембраны излучений монотонно возрастают с ростом" толщины мембраны при поддержании постоянной величины амплитуды колебаний, что связано с требованием большей оптической мощности для "раскачивания" мембраны с возросшей массой. Увеличение коэффициента отражения мембраны, которому прямо пропорциональна добротность оптического резонатора, приводит к снижению значения требуемой для поддержания постоянного уровня амплитуды колебаний интенсивности светового излучения и к увеличению интенсивности отраженного луча. С увеличением диаметра мембраны при постоянных величинах входной оптической мощности

и толщины мембраны амплитуда незатухающих колебаний увеличивается что связано со сложным характером взаимодействия изменяющихся упруги; свойств мембраны, величины гермоупругих потерь и потерь, связанных ( внешним демпфированием. Так, например, отношение термоупругих потерь 1 потерям от внешнего демпфирования (при входной оптической мощност! 1 мВт, толщине и диаметре мембраны равных 4 мкм и 2 мм соответственно составило значение 1:8. При этом добротность резонансной системы сос тавила 8200 в воздухе.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность ; позволили определить условия возбуждения кремниевых микрорезонаторо: лазерным излучением с постоянной интенсивностью, что открывает перспективный путь создания на базе кремниевой технологии ВОД с частотны] выходным сигналом, и основанных на них сетей.

В пятом разделе разрзбоганы научно-методические рекомендации т построению и метрологическому обеспечению сетей ВОД.

Для решения задачи сбора информации с ВОД предложен адаптивный 1 числу измерительных каналов программный способ демультиплексирования позволяющий существенно сократить состав аппаратуры в многоканальны: измерительных системах. Принципиальным отличием данного способа является то, что групповой сигнал от всех датчиков преобразуется в цифровую форму и вводится в ЭВМ, где по разработанному алгоритму и происхо дит разделение информации и определение значении сигналов конкретны датчиков. В работе разработана и реализована на ЭВМ математическая мо дель измерительной системы, основанной на программном способе демуль типлексирования, позволившая исследовать взаимосвязи между следуюшщ характеристиками системы: числом измерительных каналов; видом измеряе мого воздействия; центральными частотами датчиков; диапазонами измене ния измеряемых параметров; объемом анализируемого фрагмента групповог сигнала; значением критерия (порога) обнаружения сигнала конкретног датчика. По результатам математического моделирования разработаны ре комендации по выбору режимов работы системы, определены требования накладываемые программным способом- демультиплексирования на выходны сигналы датчиков. В частности установлено, что центральная частот каждого датчика должна быть как минимум в сто раз меньше тактовой час тоты оптоэлектроннои части системы", а длительность импульсов выходны сигналов,.при которых обеспечивается устойчивая работа, не должна пре вышать О,5 мкс при частоте следования - 1 кГц. Получены зависимости позволяющие при заданных характеристиках системы определить максималь ное число каналов, разделяемых программным способом демультиплекоирс вания. Установлено, что при тактовой частоте л. 1 МГц, частотах датчу

КО5 , Л9Ж£ДЦ1л В Д1!лП££ОК9 , 1. . . 1) КГЦ, Д9БИа1ДИИ ЧБСГОТЫ ДаТчИКОВ -- и % от центральной частоты максимальное число гарантированно разделяемых каналов равно 49.

С целью экспериментального исследования программного способа демультиплексирования разработана физическая модель, содержащая шитатор группового оптического сигнала (для пяти датчиков); волоконно-оптическую линию связи (-. 400 м); оптоэлектронный блок, преобразующий оптический групповой снгнал в цифровую форму, ЭВМ (1ЕМ РС АТ) и программное обеспечение. Экспериментальные исследования физической модели практически подтвердили работоспособность предложенного способа демультиплексирования. Полученные зависимости характеристик разделения от девиации частот датчиков, длительностей оптических импульсов и др. совпадают с теоретическими.

Проведенный анализ особенностей применения и метрологического обеспечения датчиков показал актуальность разработки подходов, максимально направленных на проведение поверки датчиков на месте их эксплуатации. Условно методы поверки датчиков могут быть разделены на три основные группы. Методы поверки с проверкой разрешенных состояний сводятся к непосредственному сравнению контролируемых параметров с константами (границами поля допуска) и выявлению запрещенных состояний, соответствующих наличию отказа или сбоя в контролируемых датчиках.

Методы сравнения (дублирования) основаны на сравнении реакций на зондирующие сигналы поверяемого датчика и эталонного устройства.

Мажоритарные методы основаны на сравнении выходных реакций некоторого избыточного количества датчиков, одновременно выполняющих одни и те же информационные функции.

Классифицированные методы поверки удобно представить з виде своего рода формализованной библиотеки методов,из которых в зависимости от особенностей датчиков и решаемых ими задач можно сделать выбор оптимального. В этом случае множество возможных методов поверки М предста-еимо в виде :

М С П 0 = < у. . о : 71 Е П, о 6 0 У .

= " v * v

где П = ■{ я, >- множество показателей, характеризующих процесс понёрки:

О = { 0 >- множество показателей, характеризующих датчик, как объект поверки;

М = { множество показателей, характеризующих метод

позерки.

Лсходя лз этих предпосылок каждый метод поверки может быть

рЗКТ^рИЗОБЗК ДБумЯ иОДмпилёСТБЗмИ ПОК£3£Т9.Л5И;

М4г= {и1}, г = ГГ~п и М12= -с Ш2 >, ГГ~£ ;

с, V

М;1 С , М12 С М1

Подмножество М^1 показывает, каких, значений показателей процесса поверки я, можно добиться, используя метод поверки, при условии,что : датчике б^дут обеспечены показатели 0 со значениями, соответствующими подмножеству М^2.

В качестве элементов подмножеств М!1 и М12 используются показатели, приведенные в табл.2 и ранжированные по степени их важности.

Перечень известных методов поверки и численные значения множества их показателей, присвоенные им методом экспертных оценок, представлены в табл.3. В случае, если не удавалось получить одно значение показателя, ему присваивалось несколько значений, которые в табл.3 соединены знаком ИЛИ ( V ).

Использование табл.3 позволяет осуществить выбор метода поверки для различных условий применения датчиков.

Таблица 2

Наименование показателей Характеристика показателей Примечание

градации показателей условия градации показателей

1 2 3 4

Показатели процесса поверки { т1^}

Достовер- ГП11- 4 при 0,99 < Р < 1 ; Р-вероят-

ность ность по-

поверки ГП11» 3 при 0,95 < Р < 0,99 ; лучения

■1 2 0,9 < Р < 0,95 ; правильно-

ГП1 = при го резуль-

л тата по-

Ш11» 1 при Р < 0,9 . верки

Время . Ш21- 3 при Тп = Ти ; Ти-время

поверки измерения

Тп ГП2 = 2 при Ти< Тп< 10ТИ ;

Ш21- 1 при ■ Тп> 10 Ти •

Период, вре- тз1= 3" при Тмх> тмпи ; Тмпи-меж-

мени до Л поверочныи

проведения тз1= 2 при Тмх = тМПи ; интервал

очередного «1 датчика

контроля МХ тз1» 1 при Тмх< Тцпи ,

датчика

данным ме~

Продолжение таблицы 2

4

тодом ,Тмх

Стоимость ГП4г = 2

реализации л

метода 1Т14 = 1

поверки

Вид воздей- ГЛ51 = 3

ствия на

ЧЭ датчика ГП5 = 2

при его 4

поверке ГП5 = 1

Способ по- ГП61 = 4

лучения

информации те1» 3

о МХ датчи- *

ков те1» 2

те1' 1

Способ при- ГП71 = 2

нятия реше- л

ния о год- ГП7 - 1

ности повер

датчика

Вид оценки ГГ81 = 2

годности

поверяемого те1» 1

датчика

Степень тдх= 3

автоматизации процесса поверки

Шд1= 2 ггд1= 1 тю1= 3

при Сп = С„ ; при Сп > Сп .

при детерминированном входном воздействии ; при стохастическом входном воздействии ; при отсутствии входного воздействия .

при прямых измерениях ;

при прямых измерениях с вычислением ;

при косвенных измерениях с вычислением ; при регистрации временной функции .

при оценке по обобщенному параметру ;

при оценке по совокупности параметров . .

при количественной оценке МХ при допусковой оценке МХ .

при 0,8 <Ка< 1 ; при 0,5 <Ка< 0,8 ; при Ка< 0,5 .

Си-стоимость измерения параметров с помощью датчиков

Уровень Що1= 3 при достаточности квалифика-

требуемой ции обслуживающего персонала

квалификации объекта, где размещен пове-

персонала, ряемый датчик

осуществляю- шю= 2 при потребности в специалис щего поверку тах-метрологах средней

квалификации ; ию= 1 при потребности в специалистах метрологах высокой квалификации.

Показатели, характеризующие поверяемый датчик

■С т2 }

ТИП БЫХОД-

Ш12= 2

1

2

3

ОКОНЧЕНиэ Таблицы *

1 2 3 4

ного сигна- лов ;

ла датчика ГП12= 1 для аналоговых выходных сиг-

налов .

Уровень 2 Ш2 = 4 при отсутствии возможности

доступности вывода датчика из рабочего

проведения 9 режима ;

поверки 1Л2 = 3 при возможности вывода дат-

датчика чика из рабочего режима и

невозможности его демонтажа

О и подачи эталонных сигналов;

ГП2 = о при возможности вывода дат-

чика из рабочего режима, по-

дачи эталонных сигналов и

о невозможности его демонтажа;

ГП2 = 1 при возможности вывода дат-

чика из рабочего режима и

его демонтажа с объекта .

Наличие глз2= 3 если имеется естественная

структурной о избыточность ;

избыточности ГПз*- 2 если имеется возможность

введения искусственной

избыточности ;

1лз2= 1 если избыточности и возмож-

ности ее введения нет .

Наличие Ш42= 3 если имеется естественная

информацион- 9 избыточность ;

ной избыточ- Ш4 = 2 если имеется возможность

ности введения искусственной

избыточности ;

Ш4 = 1 если избыточности и возмож-

ности ее введения нет .

Число оце- ГП52= 2 для многопараметрических

ниваемых 9 датчиков ;

метрологи- 1 для однопараметрических

ческих па- датчиков .

датчика при

поверке

Степень те2= 3 при Кг/ 0,5 ;

' охвата

раметров о

датчиков 2 при 0,5 <КП< 0,8 ;

поверкой о

те - 1 при Кп> 0,8

Таблица 3

NN Наименование метода Вектор показателей Вектор показателей,

поверки процесса поверки характеризующих дат-

пп чик

1 Метод внешнего обра- 344; 142; 1\/2; 2; 1424 142; 1; 1;

зцового сигнала 3; 4 2; 1; 2; 142 142; 142

(меры)

2 Метод внутреннего опорного сигнала 243; 3; 4 142; 243; 2; 2; 2; 243; 243 142; 344; 3; 1; 1; 2

3 Метод имитационной 142; 1; 243; 1; 1; 142; 3; 1, 1 ; 142; 2

модели 1; 1 2; 142; 1 ; 1; Ш

4 Метод встроенных калибраторов 243; 4; 2 2; 1У2; 1; 3; 1; 2 3 1У2; 3; 3; 1

5 Метод поверки по ре- 243; 2; 142; 1; 3; 142; 243; 1; 243;

перным точкам с про- 3; 1 1; 1У2; 2 142; 2

веркой линейности

градуировочной ха-

рактеристики датчика 142; 3; 1;

6 Метод таблиц функций 2УЗ; 1; 243: 2; 1; 243; 1; 2

неисправности 1; 1 2; 142; 1 142; 142; 1;142

7 Метод сравнения с 344; 2; 142; 142; 1;

образцовым прибором 2; 4, 2; 1; 2; 1У2 142

8 Метод сравнения с 142; 2; 2\/3; 2; 3; 142; 3; 243; 1; 1;

шунтовым градуиро- 4; 2- 2; 142; 2VЗ 243

вочным элементом

9 . Метод сравнения с об 2УЗ;. 2УЗ: 1У2; 2; 3; 1; 1; 142; 243; 1; 243;444

разцовым прибором с 142; 142; 142

проверкой линеиности 142; 142

датчика

10 Метод трех приборов 142; 2; 2УЗ; 2; 2;\Л/ 2; 1У2; 2 142; 344; 1; 243;

2; 2; 1; 3

11 Метод Вальда 142; 2; 2иЗ: 2; 2; 142; 3; » 243; 1;

2- 2- 2; 1Ч2\ 2 3

12 Групповой метод 2; 2; 243; 2; 2; 2; 142; 344; 1; 243;

2; 2; 1У2; 1У2 1; з

13 Метод контрольных 142; 3:1; 1; 1; 2; 142; 1У2; 1; 243;

проверок 2; 3; 142 1; 3

14 Метод динамической 142; 2; 2; 1; 2УЗ; 1\12; 344; 1; 1; 1;

поверки 2; 2; 2; 2УЗ; 1У2 2

15 Метод предваритель- 142; 3; 1; 1У2; 142; 142; •>• 1; 1;

ной линеаризации 243; 2; 1; 2; 243; 243

градуировочной ха- 142

рактеристики 1У2; 142;

16 Метод анализа изме- 3; 2УЗ; 2; 2; 2; 1; 1;

нения выходного сиг- 2; 2; 243; 142 . 3

нала при различных

включениях элементов

схемы датчика

В общей постановке задача выбора оптимального метода поверки дат-таков является типичной задачей многокритериальной оптимизации, характеризующейся наличием относительно большого числа факторов (показателей процесса поверки), влияющих на выбор метода (габл.З), а также не-соторой свободой в выборе одного из группы подходящих для конкретного датчика методов поверки. При ее решении необходимо учитывать приклал-юй характер задачи и обеспечивать соответствие предлагаемого метода

позерки особенностям образца техники, агрегата или системы, на которых используются датчики. Поэтому процедура рационального выбора метода поверки должна быть основана на участии в ней эксперта , располагающего информацией о прикладном характере решаемых датчиками в целом задач, особенностях . их использования и т.д.

Исходной информацией для эксперта являются, во-первых, его знания условий применения датчика, и, во-вторых, библиотека методов бездемон-тажной поверки (табл.3), содержащая перечень методов Мь каждый из которых характеризуется соответствующими значениями вектора показателей датчика М^2(табл.2) и процесса поверки и^(та6л.2). В общем случае эксперт может решать задачу выбора любым из известных методов оптимизации. В качестве одного из возможных вариантов в работе рассмотрена процедура работы эксперта, предусматривающая последовательное использование наиболее известных и распространенных методов оптимизации: метода главного критерия, метода ранжирования критериев и метода обобщенного критерия (свертки).

В этом же разделе проведена оценка эффективности реализации результатов исследований, основанная на анализе погрешностей измерений, возникающих в бортовых условиях в сетях ВОД с частотным и фазовьа представлением измерительной информации, которая показала, что их сумма находится на уровне сотых долей процента, что в (100 - 2000) раг меньше, чем в сетях амплитудных ВОД. При этом рост затрат на создание ВОД, вызванный преобразованием их выходных сигналов в частотную ил фазовую форму, составляет (20 - 65Д.

В заключении дана характеристика полученных научных результатов I приведены сведения об их внедрении и апробации.

Таким образом, осуществленное в ходе диссертационных исследованш теоретическое обобщение и решение новой научной проблемы разработга теоретических основ и базирующихся на них технических решений, обеспечивающих создание сетей ВОД, устойчивых к внешним дестабилизирующая воздействиям, позволяет разрабатывать и применять в бортовых условия; волоконно-оптические датчики и измерительные системы на их основе.

Разработанный математический и методический аппарат может быт использован в практике научной и производственной деятельности пр разработке световодных датчиков и других волоконно-оптических уст ройств, а также при решении задач по метрологическому обеспечению из мерительных систем.

Перечень основных публикаций по материалам диссертации

1. Кузин А.Ю. Метод возбуждения микрореэонаторных волоконно-опти-:ких датчиков // Измерительная техника.- 1995.- N 11.

2. Кузин А.Ю. Измерение параметров и моделирование процесса хао-чации колебаний в волоконно-оптическом автомодуляционном генераторе Измерительная техника.- 1995.- N 11.

3. Кузин А.Ю., Математическая модель датчика угловой скорости на юве лазера с кольцевым волоконным резонатором // Измерительная тех-са.- 1996.- N 3.

4. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Частотные волоконно-оптические датчики эезонансными микроструктурами // Тезисы докладов научно-технической !ференции "Диагностика, информатика и метрология".- Санкт-Петербург, 35.

5. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Исследование метода возбуждения воло-мо-оптического микрорезонаторного датчика // Тезисы докладов VII ^российской научно-технической конференции "Датчик-95".- Гурзуф, }5.

6. Кузин А.Ю., Степанов А.Ю. Основные требования к современным ?дствам поверки датчиков // Тезисы докладов научно-технической кон-эенции "Датчик-94".- Гурзуф, 1994.

7. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Метод возбуждения микрореэонаторных юконно-оптических датчиков // Тезисы докладов научно-технической ференции "Датчик-94".- Гурзуф, 1994.

8. Кузин А.Ю., Строителев В.Н., Степанов А.Ю. Методические основы щонального выбора методов бездемонтажной поверки датчиков // Тезисы сладов научно-технической конференции "Датчик-94".- Гурзуф, 1994.

9. Кузин А.Ю., Строителев В.Н., Степанов А.Ю. Подход к выбору ме-(ов поверки датчиков // Измерительная техника.-1993.- N 11.

10. Кузин А.Ю., Строителев В.Н. Совершенствование систем контроля основе датчиков // Измерительная техника.-1993.- N 6.

11. Кузин А.Ю., Степанов А.Ю. Методический подход к выбору спосо-! бездемонтажной поверки микроэлектронных датчиков // Тезисы докла-i Международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и юрматика".- Зеленоград, 1993.

12. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Мультиплексирование информации в сис-ie частотных волоконно-оптических датчиков // Тезисы докладов Между-юдной научно-технической конференции "Распознавание-93".- Курск, 13.

13. Кузин А.Ю., Строителев В.Н. Направления совершенствования во-:онно-оптических датчиков /У Тезисы докладов Международной науч-технической конференции "Распознавание-95". - Курск, vir-?

14. КуЗИН А.Ю., СхрОИТЭЛсВ В.H. НаЛраВЛбККЯ CGâSpmSHGxBOBSHi систем контроля на основе датчиков // Тезисы докладов научно-техничес кой конференции "Датчик-93".- Гурзуф, 1993.

15. Кузин А.Ю., Строителев В.Н. Пути развития систем контроля ! основе датчиков // Контроль и диагностика.- 1993.- N 2.

16. Кузин А.Ю., Жевидь C.B., Цыплаков Ю.В. Волоконно-оптичесю преобразователь давления.- A.c.N 1769026, 1992.

17. Кузин А.Ю., Мальцев П.П. Анализ требований к современным дат чикам // Тезисы докладов научно-технического совещания "Электрою форм-92".- Москва, 1992.

18. Кузин А.Ю., Дубинин А.Ф., Жевидь C.B. Система сбора данных программным способом демультиплексирования информации // Тезисы доклг дов VI Всесоюзной конференции по проблемам управления развитием систем.- Москва, 1991

19. Кузин А.Ю., Цыплаков Ю.В. Волоконно-оптические датчики / Техника и вооружение.- 1991.- N 2.

20. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Исследование программного способа де мультиплексирования измерительной информации в сети частотных волоком но-оптических датчиков // Труды в/ч 55215.- 1991.- вып.15.

21. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Характеристики волоконно-оптичесга интерферометров при амплитудной модуляции входного излучения // Радис техника.- 1990.- N 2.

22. Кузин А.Ю., Жевидь C.B. Способ регистрации при частотном раз делении сигналов в сети волоконно-оптических датчиков,- A.c.N 162681S 1990.

23. Кузин А.Ю., Цыплаков Ю.В. Устройство для измерения давления. A.C. N 1620867, 1990.

24. Кузин А.Ю., Способ измерения коэффициента зеркального отраже ния прозрачных объектов.- A.c.N 1577498, 1990.

25. Кузин А.Ю., Дубинин А.Ф. Построение системы сбора данных s основе волоконно-оптических датчиков с частотным представлением инфор мации // Контроль и диагностика.- 1989.- N 2.

26. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Метод перехода к частотным измерена ям в амплитудных волоконно-оптических датчиках // Метрология.- 1989. N7.

27. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Волоконно-оптический датчик даллею // A.C.N 1506313, 1989.

28. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Информационная система на основе вс локонно-оптических датчиков с частотным представлением информации / Тезисы докладов на V Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические сис

ЗЕ

Т-гмЫ П*гр*ЭДЗчп " :v:. , ¿'гоЪ.

29. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Волоконно-оптические датчики с временным представлением информации и информационные сети на их основе ■ Тезисы докладов на XLII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио.- М., "Радио и связь", 1987.

30. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Применение функциональных итераций к анализу колебательных процессов э волоконно-оптическом автогенераторе // Радиотехника.- 1987,- N 3.

31. Кугин А.Ю., Горшков Б.Г. Принципы построения световсдных датчиков для бортовых полностью оптических информационных сетей .■/ Тезисы докладов V Межведомственному научно-техническому семинару.- Москва, ВВИА им.проф.Н.Е.Жуковского, 1986.

32. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Волоконно-оптические датчигл на основе резонансных структур и возможности их бортового применения // Тезисы докладов V Межведомственному научно-техническому семинару,- Москва, ВВИА им.проф.U.E.Жуковского, 19Э6.

33. Кузин А.Ю., Кутахов В.П. Многопроходные кольцевые волоконно-оптические интерферометры // Радиотехника.- 1986.- N 5.

34. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Измеритель давления // A.c. N 1298555, 1986.

35. Кузин А.Ю., Горшков Б.Г. Волоконно-оптический датчик деформации // A.C.N 1226045, 1984.

36. Кузин А.Ю., Горшков В.Г. Волоконно-оптический датчик давления // A.C.N 1200648, 1984.