автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Пьезоэлектрические переключатели оптических каналов в системах связи

АЗЕРБАЙДЖАНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОД

На правах рукописи

1 С .:1 м

РАГИМОВ ОРУДЖ АББАС оглы

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ

05.12.13 — устройства радиотехники и средств связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ — 1995

Работа выполнена на кафедре «Автоматическая электросвязь»

доктор технических наук, профессор Мирсалимов P.M.

кандидат технических наук, доцент Мамедов А.Г.

Ведущее предприятие — Институт Космических Исследований природных ресурсов Азербайджанского Национального Аэрокосмического Агентства, г. Баку.

Защита состоится « 26 » мая 1995 г. в 14^ часов на заседании специализированного совета Н 054.04.01 при Азербайджанском Техническом Университете. 370602, г. Баку, ГСП, проспект Г.Джавида, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Азербайджанского Технического Университета.

Автореферат разослан « 22 » апреля 1995 г.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор, академик АН Украинской Республики Джагупов Р.Г. кандидат технических наук, доцент Гасанов А.Н.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь специализированного сое к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выбранного направления исследования. Основной тенденцией развития современных систем управления в системах связи является широкое применение оптоволоконных каналов для передачи информации с использованием световой энергии.

В настоящее время находят решение многие проблемы, связанные с созданием средств приема и передачи информации по световодным каналам. В частности, разработаны эффективные источники световой энергии, созданы оптоволоконные устойства для ее передачи на расстояние, существуют высокотехнологичные преобразователи свет-электрический сигнал и т.д. Анализ применяемых в настоящее время средств приема и передачи световой энергии по оптоволоконным каналам показывает, что одной из сложных проблем в этой области является отсутствие надежных устройств для переключения каналов. Это связано с особенностями оптоволоконных устройств и возможности управления световыми потоками.

По этой причине создание простых и надежных оптических переключателей является актуальной задачей, решение которой способно повлиять на расширение областей применения оптоволоконной электроники в технике ¿вязи.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов энергетического согласования световодных волокон пьезоэлектрических переключателей каналов и создание эффективных способов компенсации гистеризиса в пьезоэлектрических элементах.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- создать математические модели согласованных оптических волокон;

- разработать алгоритмические и аппаратурные способы компенсации гистерезиса в пьезоэлектрических переключателях оптических каналов.

Методы исследования. При создании математических моделей согласования световодных волокон были использованы элементы теорий дифракции и поля. Моделирование базировалось на операторных методах и применении функций Гаусса и Грина.

Математическая модель биморфного пьезоэлемента с учетом гистерезиса строилась на использовании функции Прейсажа.

Реализация результатов и практическая ценность работы. Предложены методики расчета оптоволоконной пары переключателя и даны рекомендации для их применения. Разработан датчик нулевого положения для компенсации гистерезиса пьезоэлемента. Предложен переключатель с волоконно-оптической обратной связью и с регистрацией изменений емкости пьезокерамического элемента. Разработанные пьезоэлектрические переключатели были применены в Бакинском производственном объединении телефонной связи.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на республиканской конференции, проведенной в г. Баку. По результатам выполненных исследований опубликованы 10 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, в том числе 107 страниц основного машинописного текста, 40 страниц с рисунками.

Научную новизну работы составляют:

- математические модели согласованных световодных волокон;

- аппартурно-алгоритмический метод коррекции гистерезиса в пьезоэлектрических переключателях;

- табличный метод компенсации гистерезиса биморфного пьезоэлектрического преобразователя, применяемого в оптических переключателях систем связи;

- аналитические методы описания гистерезисной характеристики и компенсации гистерезиса переключателя;

акустический способ компенсации гистерезиса пьезоэлектрических переключателей.

Выносимые на защиту положения.

1. Эффективность согласования световодных волокон в пьезоэлектрических переключателях.

2. Математические модели согласования световодных волокон.

3. Аппаратурно-алгоритмические методы коррекции гистерезиса в пьезоэлектрических переключателях оптических каналов.

4. Аналитические методы описания гистерезисной характеристики пьезоэлемента и компенсации гистерезиса.

5. Акустический способ компенсации гистерезиса пьезоэлектрических переключателей в системах связи.

Краткое содержание работы.

В введении приведена общая характеристика работы, а также даны основные направления исследований.

Первая глава работы посвящена изучению состояния предмета исследований и формулировке решаемой проблемы.

Существующие устройства оптической коммутации световодных каналов строятся на основе использования отклонения светового луча и классифицируются по следующим группам:

- управляющие преломляющие устройства;

- двоякопреломляющие устройства;

- акусто-оптические отклоняющие устройства;

- управляемые отражатели.

Управляемые преломляющие устройства в отклоняющих системах используют два основных вида рефракции: рефракция на границе раздела диэлектриков и рефракция за счет градиента показателя преломления. Отклоняющие устройства с рефракцией первого вида чаще всего выполняются в виде призм с переменным показателем преломления.

Известен ряд способов получения переменного коэффициента преломления, которые могут найти применение в отклоняющих устройствах такого типа. Чем и др., а также Хаас, Йоганнес и Шоле использовали квадратичный электрооптический эффект в призмах из танталового ниобата калия (КТ1Ч) и ВаТЮз- В этих веществах можно получить достаточно большие изменения показателя преломления. Однако, из-за низкого качества имеющихся кристаллов эффективных устройств создать не удалось.

При построении оптических коммутаторов, работающих на принципе отклонения светового потока, необходимо реализовать линейное изменение градиента показателя преломления оптической призмы, от управляющего напряжения - электрооптический метод.

Для получения линейного изменения Фаулер, Бэрер и Блум применили электроды специальной формы, с помощью которых в образце создавалось поле, изменяющееся по квадратичному закону. Кроме того, в некоторых веществах довольно большие градиенты показателя преломления можно создать за счет неравномерной оптической накачки.

Преломляющие элементы электрооптического типа с непосредственным возбуждением обычно обладают нелинейностью и

кроме того, в сильной мере подвержены влиянию изменений температуры.

Этих недостатков лишены отклоняющие системы с двойным лучепреломлением.

В общем случае отклоняющая ячейка с двойным лучепреломлением состоит из модулятора поляризации луча и двоякопреломляющего поляризационного дискриминатора. В модуляторе происходит изменение плоскости поляризации падающего (входного) светового луча, в дискриминаторе же это изменение преобразуется в линейное или угловое смещение выходного пучка.

Отклоняющие устройства с двойным лучепреломлением характеризуются функционально прямой связью угла отклонения от приложенного управляющего сигнала, а также отсутствием частотных искажений и нагрева. Их основной недостаток заключается в том, что используемые в нем материалы при больших скоростях переключения (и высоких акустических частотах) инерционны и не обеспечивают достаточной эффективности.

Предполагалось, что для отклонения светового пучка могут быть эффективны акустооптические устройства.

Такие отклоняющие устройства используют явление дифракции света в среде взаимодействия светового луча с акустическими волнами. Отклоняющая ячейка состоит из следующих элементов: светозвукопровода, в котором происходит акустооптическое взаимодейтсвие, и электроакустического преобразователя для возбуждения акустических волн. Недостатком акустических отклоняющих устройств, используемых для коммутации оптических каналов является сложность конструкции и малая эффективность.

Более эффективную коммутацию можно реализовать используя пьезоэлектрический переключатель в качестве устройства перемешающего световод.

Отклоняющие устройства, в которых для переключения оптических каналов используется пьезоэлектрические переключатели, являются наиболее простыми и надежными.

Использование в качестве привода отражающего зеркала биморфных пьезоэлектрических элементов, позволяет получит угловое отклонение до 5 градусов при малой мощности возбуждения на низких частотах. Однако, применение перемещающихся в пространстве зеркал для переключения оптоволоконных каналов, возможно только для

переключения одной пары каналов. Для большего их числа практически невозможно получить достаточного энергетического согласования. Поэтому, в оптоволоконных переключателях предпочтительными являются системы, в которых, с помощью пьезоэлектрических элементов перемещается несущее информацию световое волокно. Другим способом оптической коммутации может быть перемещение несущего информацию световолокна перед набором световолокон, на которые требуется скоммутировать световой луч, т.е. коммутация путем стыковки волокон. Такую коммутацию можно реализовать используя, в качестве устройства, перемещающего световод, пьезоэлектрический привод.

Однако, для создания высокоэффективного оптического переключателя такого типа необходимо решение по меньшей мере 2-х проблем.

Первая из них относится к созданию способов эффективного энергетического согласования несущего информацию волокна с коммутируемыми. Вторая проблема связана с необходимостью компенсации гистерезиса пьезоэлемента, так как существование этого вредного явления исключает возможность точного позиционирования несущего информацию волокна (волокна источника) по отношению к коммутируемым.

Решению первой проблемы посвящена вторая глава, решению второй проблемы посвящены третья и четвертая главы работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию потерь энергии в зазорах между оптическими волокнами. В частности, выводится соотношение между разориентацией волокон и эффективностью согласования для компонент одномодовых волоконнооптических линий. Результат представляет собой компактное описание эффективности согласования и включает в себя не только разориентацию волокон, но и влияние аберраций.

Расходящийся пучок из волокна источника проходит через оптическую систему, которая формирует его изображение подверженное аберрациям. Входной зрачок приемного волокна должен располагаться в плоскости этого изображения, однако это зависит от точности исполнения переключателя. В реальной системе только часть пучка попадает в приемное волокно. Проблема заключается в том, чтобы связать эффективность согласования по мощности с координатами волокон, а также со свойствами оптической системы.

С формальной стороны соотношения, определяющие эффективность согласования, выводятся путем использования серии последовательных шагов, в ходе которых определяется распределение поля излучения в разных плоскостях оптической системы. Распределение поля в плоскости выходного зрачка источника, должно проходить через торец волокна-источника и тесно связано с картиной мод в волокне.

Распределение поля в плоскости выходного зрачка рассчитывается на основе теории дифракции и обуславливает картину поля в плоскости изображения, которая должна проходить через торец приемного волокна. Эффективность согласования по мощности будет равна квадрату модуля интеграла перекрытия между распределением поля в плоскости изображения и картиной мод приемного волокна.

Такая концепция эффективности согласования удобна, поскольку соответствует распространению света в оптической системе от волокна источника к приемному волокну. Однако, на пути к результату необходимо вычислять тройной интеграл: один для перекрытия и по одному для каждого из дву» этапов вычисления по теории дифракции. Для удобства вычислений интеграл перекрытия можно преобразовать к любой удобной плоскости в оптической системе. Если он преобразован к плоскости выходного зрачка, то эффективность согласования по мощности Т можно представить как единичный интеграл с подынтегральным выражением, которое является произведением трех простых членов: распределения дальнего поля картины мод волокна источника хр$', распределения дальнего поля картины мод приемного волокна грц' и когерентной передаточной функции оптической системы Ь

ще Я - расстояние от плоскости выходного зрачка волокна до его параксиального изображения, а - координата вдоль оптической оси системы.

В уравнении (1) члены \р5' , V«', и Ь являются непосредственно измеряемыми величинами, которые известным образом связаны с параметрами волокна и оптической системы. Выражение для интеграла перекрытия в плоскости выходного зрачка является наиболее удобным для вычисления этой эффективности, а выражение (1) позволяет

(1)

установить связь между эффективностью согласоваания по мощности и характеристиками волокна и оптической системы.

Картина мод волокна-источника обозначена как Ц>з(Х), нормализована таким образом, чтобы суммарная мощность равнялась

иЩ2

единице, то есть / на торце волокна и

(1Х= 1 и определяет распределение поля ;точника. Для плоского торца волокна эти два распределения отличаются лишь позиционным сдвигом 1р5(Х5-г}5) и линейным фазовым множителем ехр , который зависит

от угла между осью волокна и плоскостью источникка. Здесь У5 -единичный вектор, параллельный оси волокна источника

Излучение из волокна источника распространяется к выходному зрачку, образуя расходящееся волновое поле, которое описывается фраунгоферовой дифракцией распределения поля

. При этом распределение поля во входном зрачке является распределением дальнего поля волокна ^>5(Х5-Х05), Центры распределения тр5 и входного зрачка не обязательно совпадают, наоборот, в общем случае они разнесены на величину

Для плоского торца волокна распределение во входном зрачке является просто изменением в масштабе Фурье-преобразованием картины мод, умноженным на фазовый множитель, который представляет сферическую волну. Позиция этого распределения поля гр5(Хе— Х0$) соответствует той точке входного зрачка, в которой продолжение оптической оси волокна пересекает плоскость ее входного зрачка. Такая локализация зафиксирована в уравнениях дифракции посредством линейного фазового множителя .

Обычно, но не всегда, распределение дальнего поля можно измерить непосредственно. Если распределение дальнего поля тр5(Х5) действительно содержит вариации фазы, то их можно восстановить, используя интенферометрические методики измерений.

Распределение дальнего поля во входном зрачке дает соответствующее распределение в выходном зрачке, которое затем распространяется в плоскости изображения, чтобы там сформировать свое поле.

В результате распределение поля в выходном зрачке является измененным в масштабе распределением дальнего поля волокна источника, умноженным на два дополнительных фазовых множителя,

один из которых представляет сферическую волну, сходящую к параксиальному изображению волокна-источника, а другой равен когерентной передаточной функции изолированной оптической системы. Чтобы оставались справедливыми предыдущие замечания по поводу надлежащего выбора плоскости изображения, эти два фазовых множителя выбираются таким образом, чтобы первый представлял сферическую волну, сходящую в точку, а второй - передаточную функцию которая включает и оптическую систему и аберрации разюстировки.

Волновое поле выходного зрачка, которое, как показано в работе, сходится в точку и формулирует распределение поля в плоскости изображения А^Х,), которое описывается дифракцией Френделя для распределения поля в выходном зрачке. Это поле изображения описывается двойным интегралом, который появляется как результат вычисления дифракции на двух этапах. Распределение поля А1 в плоскости изображения определяет распределение Af поля, падающего на торец приемного волокна. Для плоскости торца волокна эти два распределения Af и Л,- отличаются только линейным фазовым множителем ехр ??, где /к-единичный вектор, параллельный

оси приемного волокна.

Хотя поле изображения содержит всю оптическую мощность, которая излучалась волокном источника, не вся это мощность передается в приемное волокно, если только картина мод в нем Ц>К(Х) не будет идентичной с полем А}{Х), попадающим на торец

приемного волокна. Поле изображения не будет содержать всю излученную мощность, если реальная диафрагма перекрывает часть излучения или имеется поглощение в оптической системе. Если два распределения Ц>К и А^ неодинаковы, эффективность согласования по

Уощности _Т _ представляется как квадрат модуля интеграла А7(Х)Ц>К(Х)с1Х. В этом интеграле картина мод приемного волокна

нормализована, так что суммарная мощность равна единице, то есть

/ |^(Х)|2с«=1.

Во второй главе рассмотрены вопросы согласования одномодовых волокон посредством одноэлементной тонкой линзы. Для этого случая эффективность согласования Т можно записать как

2

Т=

2 Ь

—/ехр[-(1 + 62)ХДг]ехр

.. ЩХ)

-ил-5-

(IX

(2)

где Хе=Хё'/Нц'\ Хг=Хе'/Ьг'\ Ь=НХ'/НГ'. В формуле (2) Ь, Хе' , Хг' , и Л/ соответственно, расхождение двух гауссовых распределений, нормализованные координаты и радиусы входного и выходного зрачков светопровода, а А - длина волны светового излучения.

Для линзы без аберрации (Ж(Х=0)) уравнение (2) можно решить точно, чтобы получить эффективность согласования как функцию размера апертуры. Это удобно сделать, выражая интеграл (2) в полярных координатах (г,Ф). Ввиду того, что, в гауссовых распределениях отсутствует зависимость от Ф:

Т=

2 Ъ -ш>х

— / ехр [ - (1 + Ь2)г2 \birdr

2

(3)

о

В уравнении (3) верхний предел интегрирования по г определяется как /"тах=Ь.Г'1И$' соответствует физической апертуре диафрагмы, которая перекрывает пучок.

Результирующая эффективность согласования из уравнения (3)

т(ь\\. . „

р) [1-ехр(-^4ах)] (4)

где /3 = 0,5(1 + Ь2)

Как видно из уравнений (2) - (4) Эффективность согласования определяется разориентацией, которая в пьезоэлектрических переключателях обусловлена влиянием гистерезиса. При этом угловая разориентация оказывает наибольшее влияние на эффективность согласования волокон в многопозиционным режиме с изменяющимся числом коммутируемых каналов (работа в так называемых гистерезисных петлях).

Из этого следует, что для улучшения эффективности согласования в пьезоэлектрических переключателях необходимо компенсировать влияние гистерезиса.

В третьей главе диссертации рассматриваются аппаратурно-алгоритмические способы компенсации гистерезиса пьезоэлектрических элементов. Одним из способов такой компенсации является табличный метод, который, однако, не обеспечивает работу пьезокерамических переключателей в многопозиционном режиме с изменяющимся числом коммутируемых каналов, т.к. требует значительного объема памяти. Поэтому, использование метода не це-

лесообразно для многопозиционных переключателей и оправдано в том случае, если коммутируется один оптический канал.

Кроме этого существует еще несколько методов для коррекции петель гистрезиса. Одним из них является метод гармонический линеаризации, смысл которого состоит в том, что нелинейность системы из-за гистерезиса компенсируется путем использования управляющего напряжения электропривода, сформированного в соответствии с уравнением (5).

Используя метод гармонической линеаризации нами получено уравнение:

, с , и2,п/2 dU

${Ц)=кхи+кгиг+кги5-уит(\--sisn <5>

^т

где К\, К2, -коэффициенты линеаризации, U-напряжение,

, и\п/2. аи

уит 1-—г- sign— - дополнительная функция, позволяющая

\ ir* 1 at

ит

линеаризировать функцию £(i/).

Практические результаты при использовании этого метода показывают, что он не обладает достаточной точностью потому, что основан на аппроксимирующем уравнении, и при работе переключателя происходит накопление ошибок.

Другие методы компенсации основаны на более точном описании использовании модели Прейсажа.

Пользуясь этой моделью можно записать

л 2

№=J 1фГфиф(Г)с1Ф (6)

я ~ 2

где f(t) - функция гистерезисной кривой, /ф-единичный вектор в направлении, которое определяется полярным углом Ф; Гф -оператор Прейсажа для этого направления; U0(t) -проекция U(t) в направлении 1ф.

Следующая формула является действительной для скалярной модели Прейсажа:

Гфиф{1) = //у(аф,Ф)уа Мф{1)с1аф, (7)

а> JS

гДе Уаф~ гистрезисные операторы, которые определяются петлями на входной-выходной плоскости с значениями а и /3. Из уравнений (6) и (7) получаем

2 - -V

/(0=Др Jj/jj (a,ß,0)yaßU0(t)dadß^ с1Ф (8) ,

~2

В изотропной двумерной среде функция у должна быть независима

от Ф, что приводит к следующей изотропной модели ; л 2

m=fl0 |/Jy (cz,ß)yaß[/0(i)dadß^i d0 (9)

~2

Однако эту модель можно расширить для трехмерной системы. В этом случае

d2P{a,ß,<j>)

= " dadß ' (10)

где функция Р определена экспериментальными данными с помощью первых транзитивных кривых:

£Г

$ Р(асо$ффсо$ф)со^ф = X (4 - faß) (11)

л

-- »

2

Компенсация гистерезиса с помощью описанного метода является достаточно сложной, потому, что требует описания всех предыдущих транзитивных кривых и операторов, ya>ß для каждой петли. Из вышесказанного следует, что для компенсации гистерезиса с помощью векторной модели необходимо описание работы переключателя в частных петлях.

Использование функции Прейсажа для коррекции гистерезиса позволяет существенно повысить точность этой операции. Однако, даже в этом случае, использование чисто алгоритмического способа коррекции возможно только в весьма ограниченные отрезки времени, т. к. ошибка обладает способностью накапливаться, а также действует фактор непостоянства величины остаточной деформации пьезо-элемента. По этим причинам появляется необходимость использования датчика или индикатора нулевого положения пьезоэлемента.

Принцип действия системы коррекции с таким датчиком заключается в следующем. В тот момент, когда управляющее входное

напряжение равно нулю, происходит измерение сигнала, поступающего от датчика нулевого положения. Если коррекция осуществлена без ошибки, то сигнал, поступающий от датчика, должен быть равен 1. Если в процессе периодических переключений накопились ошибки, суммарное значение которых превышает пороговое значение, определяемое заданной точностью привода, сигнал, поступающий от датчика, будет отличаться от 1 на соответствующую величину. Эта величина измеряется, кодируется и вводится в ЭВМ, с помощью которой формируется команда «упр. код», определяемая величиной напряжения, подводимого к пьезоэлементу.

Использование датчика нулевого положения значительно упрощает алгоритм коррекции гистерезиса пьезоэлемента и существенно повышает точность коммутации (позиционирования).

В четвертой главе рассмотрены аппаратурные способы компенсации гистерезиса пьезоэлемента и описаны несколько устройств, выполняющих эту функцию.

Точность алгоритмических и аппаратурно-алгоритмических способов компенсации гистерезиса, рассмотренных в главе 3, определяется либо емкостью таблицы корректирующих цифр, либо корректностью описания гистерезисной петли, или же точностью и частотой включения датчика нулевого положения. Эти причины побуждают проведение дополнительных исследований в направлении поиска таких технических решений, которые позволили бы использовать корректировку нулевого положения пьезопривода. Наличие такого датчика обеспечило бы коррекцию гистерезиса не только в нулевой точке, но и в других положениях пьезопривода, в том числе и при максимальных отклонениях.

В результате анализа литературы было установлено, что необходимую для данного случая чувствительность, а также конструкцию могут обеспечить два датчика, один из которых акустический, а второй, основанный на фиксации емкости пьезоэлемента, которая изменяется в процессе его деформации по гистерезисному закону.

При использовании акустического способа переключатель выполняется в виде биморфного пьезоэлемента, на одну пластину которого подается управляющее напряжение, приводящее к перемещению подвижного конца элемента переключателя, а на другую—синусоидальное напряжение резонансной частоты, которое

создает акустические колебания, распространяющиеся через упругую"-' среду к приемному пъезоэлементу. В результате на выходе, приемного7*" пъезоэлемента возникает напряжение резонансной частоты, величина которого зависит от перемещения подвижного элемента переключателя. Зависимость выходного напряжения приемника., от расстояния между ним и излучателем описывается следующим, уравнением: 1,1

К1 цт^МЯС^ЩЛ-.

где К[, К], К у -коэффициенты электромеханической связи, пц, ту -соответственно, масса приемника и излучателя; А/,у -масса коле-бающейся воздушной среды; qj, и (2у - соответственно, коэффициенты упругости пьезоэлементов приемника, излучателя и среды; Ъ[, Ь] - соответственно, коэффициенты вязного трения в приемнике и излучателе; Лу, Су - соответственно, сопротивление регистрирующего прибора и емкость пьезоэлемента излучателя; £/,• -постоянное питание пьезопривода; Ь -перемещение пьезоэлемента.

Акустическое устройство работает следующим образом. С помощью датчика выбирается номер канала. Нахождение датчика на нужном канале определяется сигналом, который возникает на выходе приемного пьезоэлемента. Этот сигнал преобразуется в код с помощью АЦП и запоминается в памяти микро-^ВМ, так же как и каждый канал, определяемый соответствующим кодом. При необходимости изменить положение пьезоэлемента с одного канала на другой, микро-ЭВМ изменяет напряжение на пьезоэлементе и он начинает двигаться. При этом расстояние между излучателем и приемником изменяется. Следовательно, амплитуда выходного сигнала на выходе приемника изменяется, и это приводит к изменению кода на выходе АЦП. Микро-ЭВМ сравнивает код нового канала, который сохранен в памяти, с получаемым кодом из АЦП. Если они одинаковы, пьезоэлемент прекращает движение, останавливаясь на нужном канале.

Недостатком этого метода является сложность регистрации выходного напряжения на выходе приемника из-за интерференции всех видов колебаний, которые создают погрешность в измерении расстояния между пьезопластинками.

Более эффективным является устройство переключателя с системой компенсации гистерезиса оптическим путем. Устройство

конструктивно состоит из нескольких параллельно расположенных неподвижных оптических волокон, одного подвижного волокна и биморфного пьезоэлемента. Несколько параллельно расположенных волокон и одно волокно с подвижным концом располагается на специальном держателе, обеспечивающем совмещение их центров. • Под действием прикладываемого к биморфному пьезоэлементу напряжения изменяется его кривизна и изгибается конец подвижного волокна.

При переключении производится контроль последовательных положений перемещаемого волокна. Управление световодными коммутаторами осуществляется с помощью специальной системы, работающей следующим образом. Оператор с помощью задатчика выбирает номер канала. В результате на его выходе появляется двоичный код—А, соответствующий выбираемому каналу. Этот код поступает на компараторы, на которые поступает также двоичный код В с выхода счетчика. Компараторы выполены таким образом, что один компаратор выдает на выходе логическую "1", если код А равно В. При равенстве кодов А и В на выходах обоих компараторов устанавливается логический "О".

Предположим, что код В меньше кода А. Тогда логическая "1" с выхода одного компаратора поступает на логические элементы "И". В результате импульсы с генератора начинают поступать через элемент "И" на суммирующий вход счетчика. Выходной код с выхода счетчика поступает на цифро-аналоговый преобразователь, где он преобразуется в аналоговый сигнал, который после усиления, поступает на биморфный пьезоэлемент. В результате биморфный пьезоэлемент начинает изгибаться и его свободный конец, к которому прикреплено световодное волокно, начинает перемещаться, освещая поочередно фотоприемники. Сигналы с выходов фотоприемников усиливаются и подаются на входы формирователей, на выходе которых появляются импульсы. Эти импульсы через схему "ИЛИ" поступают на суммирующий вход счетчика через открытый элемент "И".

Биморфный пьезоэлемент, а соответственно и световодное волокно, с укрепленной на нем линзой, будет перемещатся до тех пор, пока код В на выходе счетчика не станет равен коду А на выходе датчика. В момент равенства кодов А и В на выходах обоих компараторов установится логический "О", при этом, прекращается подача импульсов на счетчик и биморфный пьезоэлемент останавливается, подключая световодное волокно к выбранному каналу. При

необходимости изменения номера канала, оператор устанавливает с помощью датчика новое значение кода.

Предположим теперь, что код А с выхода датчика меньше кода В с выхода счетчика. При этом логическая "1" появляется на выходе другого компаратора и будут открыты логические элементы "И". В этом случае импульсы с генератора поступают на вычитающий вход счетчика в блоке управляющего напряжения. Код на выходе счетчика изменится, что приведет к изменению напряжения, подаваемого на биморфный пьезоэлемент. В результате его свободный конец будет перемещать световодное волокно в обратном направлении. При прохождении отверстий матрицы на выходе логического элемента "ИЛИ" появляются импульсы, которые поступают через открытый элемент "И" и на вычитающий вход счетчика. Так же, как и в предыдущем случае, движение биморфного пьезоэлемента происходит до тех пор, пока коды А и В не сравняются.

Существенный интерес с практической точки зрения представляет устройство, в котором положение пьезоэлемента в простанстве определяется с помощью изменения его емкости в процессе коммутации.

Такое устройство работает следующим образом. Если на биморфный пьезоэлемент скачкообразно подавать напряжение то происходит перемещение его свободного конца, на котором укреплено зеркало.

При движении биморфного пьезоэлемента на резисторе, включенном последовательно с ним, возникает импульс напряжения определенной формы. Если снять напряжение с биморфного пьезоэлемента, то он будет двигаться в обратную сторону, и на резисторе будет возникать напряжение обратной полярности, иной формы. Сравнивая эти напряжения, можно сделать вывод, что длительность импульса по меандру различна, при движении биморфного пьезоэлемента в прямом и обратном направлениях, что позволяет ввести коррекцию движения конца биморфного пьезоэлемента и устранить гистерезис.

Для этого длительность импульса преобразуется в код который фиксируется в памяти микро-ЭВМ, в которой сравниваются два кода: код, пропорциональный длительности импульса, при повышении напряжения, и код, пропорциональный снижению напряжения на биморфном пъезоэлементе. При этом на выходе источника управляющего напряжения изменение напряжения питания биморф-

ного пъезоэлемента происходит до тех пор, пока код на выходе счетчика, пропорциональный снижению напряжения, не станет равным коду, пропорциональному повышению напряжения, хранимому в памяти микро-ЭВМ.

Преобразование длительности импульса в код происходит следующим образом. При движении биморофного пъезоэлемента на резисторе возникает импульс напряжения. Этот импульс поступает через диод на вход триггера Шмидта, на выходе которого формируется единичный импульс, поступающий на один из входов элемента "И", второй вход которого подключен к генератору тактовых сигналов. На выходе схемы "И" образуется последовательность импульсов, поступающих на вход счетчика, который и преобразует их в код, передаваемый в память микро-ЭВМ.

Если снять напряжение с биморфного пъезоэлемента, то он будет двигаться в обратную сторону и на резисторе будет возникать напряжение обратной полярности, которое поступает на вход триггера Шмидта через другой диод и инвертирующий усилитель.

Процесс преобразования длительности импульсов, возникающих на резисторе, при движении биморфного пъезоэлемента в обратном направлении, аналогичный.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет следить за длительностью импульсов, при движении биморфного пъезоэлемента в прямом и обратном направлениях, и в случае расхождения, корректировать движение пъезоэлемента до полного устранения погрешности от гистерезиса.

В этом устройстве форма импульса напряжения, которое возникает на резисторе, связана с процессом заряда емкости биморфного пьезоэлемента.

Диаграммы, приведенные в работе, показывают импульсы напряжения, которые возникают на резисторе после каждого скачкообразного изменения напряжения, подаваемого на биморфный пъезоэлемент. Из этих диаграмм видно, что, во-первых, время заряда увеличивается после каждого скачка напряжения, во вторых, длительности заряда и разряда не равны.

Изменение времени заряда связано с изменением емкости пъезоэлемента, которая увеличивается с ростом напряжения.

Теоретический анализ показывает, что зависимость емкости пъезоэлемента от приложенного электрического поля описывается уравнением, отражающим физические свойства пьезоэлектрической среды.

Основные результаты работы

В результате проведенных исследований были созданы основные математические модели согласования световодных волокон при аппаратурно-алгоритмических методах коррекции гистерезиса в пьезоэлектрических переключателях.

Особенностью разработанных переключателей является высокая надежность, простота конструкции, дешевизна производства и повышенная точность.

Анализируя и обобщая содержащуюся в работе информацию, можно сформулировать следующие основные результаты:

1) установлено, что для повышения эффективности согласования световодных волокон в пьезоэлектрических переключателях необходимо компенсировать явление гистерезиса в пьезоэлектрических элементах;

2) получено уравнение, описывающее эффективность согласования световодных волокон, которое является произведением трех простых членов: распределения дальнего поля картины мод волокна источника, распределения дальнего поля картины мод приемного волокна и когерентная передаточная функция оптической системы;

3) получены диаграммы, описывающие влияние размеров апертуры и разориентации волокон на эффективность системы;

4) разработан табличный метод для коррекции гистерезиса в пьезоэлектрических переключателях;

5) на основе функции Прейсажа получено уравнение, описывающее петлю гистерезиса, определены недостатки этого метода при коррекции гистерезиса пьезоэлектрических переключателей оптических каналов;

6) рассмотрен метод линеаризации гармоник, на основе которого получено уравнение описыващее петлю гистерезиса;

7) разработан датчик нулевого положения коррекции гистерезиса пьезоэлектрических переключателей и установлено, что погрешность датчика зависит от величины перемещения биморфного пьезоэлемента;

8) разработан акустический метод для коррекции гистерезиса пьезоэлектрических переключателей и получено уравнение, описывающее зависимость между перемещением биморфного пьезоэлемента и выходным напряжением на приемнике. Были опре-

делены недостатки этого метода при коррекции гистерезиса пьезоэлектрических переключателей оптических каналов;

9) разработано устройство переключателя с волоконно-оптической обратной связью для компенсации гистерезиса и определены потери при соединении световодных волокон;

10) разработано устройство переключателя с импульсным управлением и получены уравнения, описывающие зависимость емкости биморфного пьезоэлемента от механического напряжения, вызванного приложением электрического поля.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. А.Н.Гасанов, О.А.Рагимов. "Оптимальная организация обработки потока требований в узловых предприятиях сетей связи". Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции

Первичные преобразователи неэлектрических величин в цифровые коды". 1990 г. г. Баку.

2. М.Г.Гасанов, О.А.Рагимов. "Определение положений светового луча в пьезоэлектрическом дефлекторе" г.Баку Азерб.НИИНТИ №14 1993 г.

3. М.Г.Гасанов, А.Н.Гасанов, О.А.Рагимов "Определение параметров пьезоэлектрического преобразователя для защиты от перенапряжений" АзНИИНТИ № 17, 1993 г, г. Баку.

4. О.А.Рагимов. Пьезоэлектрические переключатели с учетом компенсации гистерезиса пьезоэлемента. АзНИИНТИ № 36. 1993 г. Баку.

5. А.И.Мамедов, М.Г.Шахтахтинский, М.А.Курбанов, О.А.Рагимов. "Особенности получения высокоэффективных многофазных композитов" Известия АН Азерб. Республики. 1994 г. № 1. г. Баку.

6. А.И.Мамедов, О.А.Рагимов, Э.М.Гамидов, М.А.Курбанов. "Физические основы создания пьезорезонансных преобразователей на основе пьезокомпозитов". Известия АН Азерб. Республики № 1. 1994 г. г. Баку

7. М.Г.Гасанов, Б.И.Бахшалиев, О.А.Рагимов. "Математическая модель пьезоэлектрического дефлектора светового луча с учетом механических колебаний пьезоэлемента". АзНИИНТИ № 13. 1994 г. г.Баку.

8. Р.Г.Джагупов, О.А.Рагимов. "Возможные способы компенсации гистерезиса пьезоэлемента, используемого для переключения оптических каналов связи". АзНИИНТИ № 28. 1994 г. г. Баку.

9. О.А.Рагимов. Акустический способ для компенсации гистерезиса пьезооптических переключателей. АзНИИНТИ № 32. 1994 г. г. Баку.

10. М.Г.Гасанов, О.А.Рагимов. Математическая модель биморфного пьезоэлемента, применяемого в дефлекторе светового луча, Тематический сборник научных трудов АзТУ 1994. г.Баку

Личный вклад диссертанта в работах выполненных в соавторстве состоит в следующем:

В работе 1 автору принадлежит разработка методов организации обработки потока в узловых предприятиях сетей связи.

В работе 2 автору принадлежит разработка функциональной схемы пьезоэлектрического оптического дефлектора сканирования световых сегментов.

В работе 3 автору принадлежит формулировка принципа применения пьезоэлементов в качестве преобразователей для защиты от перенапряжений.

В работе 5 и 6 автору принадлежит разработка методик получения высокоэффективных многофазных композитов и высокоэффективных пьезоэлементов, используемых в качестве высокочувствительных пьезорезонансных преобразователей.

В работах 7, 8 и 10 автору принадлежит разработка математических моделей, соответственно, пьезоэлектрического дефлектора светового луча, компенсации гистерезиса пьезоэлемента с применением микро-ЭВМ, используемого для переключения оптических каналов связи и биморфного пьезоэлемента для управления направлением световых лучей.

РЭЬИМОВ ОРУЧ АББАС оглу

РАБИТ8 СИСТЕМЛЭРИНДЭ ОПТИК КАНАЛЛАРЫН ШЕЗОЕЛЕКТРИК ЧЕВИРИЧИЛЭРИ

РЕ3.1УМЕ

Муасир деврдэ оптик верилиш системлэринин инкишафы илэ элагэдар оптик шуанын истигамэтинин идара едилмаси асас проблемлэрдэн биридир. Бунунла элагэдар диссертасща ишиндэ оптик шуанын истигамэтини идарэетмэ усуллары анализ олунмушдур. Оптик шуанын истигамэтинин идарэ едилмэси учун тэтбиг олунан асас гургулардан бири щезоелектрик оптик канал чевиричилэридир. Бунунла элагэдар оптик канал чевиричилэриндэ истифадэ олунан п]езослементлардэки Иистеризисин арадан галдырылмасы усуллары арашдырылмышдыр. Нэтичэдэ рабитэ системлариндэ оптик лифлэрин коммутасщасы заманы бир оптик лифдэн дикэринэ етурулэн ишыг енержисинэ тэ'сир едэн асас амиллэрдэн биринин щезоелементлэрдэки Ьистеризис олдугу муацан едилмишдир.

Рабите системлэринда щезоелектрик оптик канал чевиричилэриндэ истифадэ олунан щезоелементлэрдэки Ьистеризиси арадан галдырмаг учун оптик шуанын дифракаф нэзэри^эси, оператор методу, елэчэ дэ Гаусс вэ Грин функацалары тэтбиг едилмиш вэ мувафиг ррфзи моделлэр гурулмушдур. Ьистеризисин арадан галдырылмасы мэгсэди илэ, Ьэмчинин чэдвэл вэ Ьармоник хэттилэшдирмэ методу тэтбиг олунмуш, нэтичэдэ ишыг селини идарэ едэн гургунун имканларыны мэЬдудлашдыран хусуси^этлэр ашкар едилмишдир.

Бундан элавэ, щезоелементлэрин Ьистеризисини арадан галдырмаг учун "О" вэзи^этли веричи, акустик вэ оптик метод тэтбиг олунмушдур. Алынмыш тэнликлэрдэ биморф щезоелементлэрин Ьэрэ-кэти илэ габуледичинин чыхыш кэркинлщи арасындакы асылылыг ифадэ олунмушдур.

Апарылмыш тэдгигатлар нэтичэсиндэ оптик канал чевиричилэриндэ истифадэ олунан щезоелементлэрин тутумунун кэрилмэдэн вэ електрик саЬдсиндэн асылылыгыны нэзэрэ алмагла оптик лифли тэнзимлэмэ гургулары тэтбиг едилмиш вэ рабитэ системлэриндэ оптик

RAHIMOV ORUJ ABBAS oglu

THE PIESOELECTRIC CONVERTER OF OPTIC CHANNEL IN COMMUNICATION SYSTEMS

RESUME

In connection with the devolopment of the nowdays optic transmission system one of the main problems is to control the direction of the optical beam. Connected with these problems the methods of putting the direction of optic beams in order to have been analized in the dissertation. One of the main equipments in controlling the direction of the optic beams is optic channel converter. The methods of getting rid of histerisis in piezoelements that are used in optic channel converter have also been analized in the dissertation.

In the reason has been found that one of the main reflecting elements to the electric energy that are passed from one optic fiber to another during the commutation in communication systems in piesoelement histerisis.

Using the difraction theory of optic beams, methods of operator, Gaussian and Grin functions mathematic methods have been worked out in order to get rid of the piesoelement histerisis. To remove the histeresis, the table and harmonic linerizing methods have also been used and as a result the distinctions, limiting the possibilités of the optic beam control device have been discovered.

A base in "0" position acustic and optic methods have been put into practice. The dependence between the move of bimarphs piesoelements and the output of the receiver have been shown in equations.

Taking into consideration the dependence of piezoelements capasitance on the tensity and elecrtical field value, optic fiber type regulating devices have been used and the effective control devices, which are used in communication systems as optic channel converters, have been constructed.