автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления

□□34858В1

На правах рукописи

БЯЛИК АЛЕКСАНДР ДАВИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

- 3 ДЕК 2009

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2009

003485861

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждений высшего профессионального образования «Новосибирский Государственный технический университет»

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

ГРИДЧИН Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович

кандидат технических наук, доцент ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич

Ведущая организация- ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина»,

г. Новосибирск

Защита состоится: «23» декабря 2009 г. в «16—» часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 в ГОУ ВПО «ОмГТУ» по адресу: 644050, г. Омск., просп. Мира, 11, ауд. 8-421. Факс: 8(3812) 65-64-92 E-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ОмГТУ»

Автореферат разослан «18» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент Jvyj^ J/y В.Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа являются новым направлением развития датчиков механических величин. Главным достоинством таких датчиков по сравнению с традиционными тензорезистивными и емкостными является возможность их работы в пожаро- и взрывоопасных средах, в условиях сильных электромагнитных помех. Это позволяет использовать волоконно-оптические датчики для решения задач неразрушающего контроля процессов и изделий, в частности, таких элементов электроэнергетического оборудования, как высоковольтные трансформаторы.

Применение микроэлектронной технологии при создании таких датчиков позволяет создавать высокочувствительные и малогабаритные приборы. Однако к настоящему времени информация об особенностях проектирования, конструкционных решений, методах изготовления волоконно-оптических датчиков с применением микроэлектронной технологии имеет отрывочный и неполный характер. Это затрудняет их проектную разработку и реальное применение в составе измерительных систем.

Целью данной работы является комплексное рассмотрение вопросов проектирования, в частности, теоретический расчет преобразовательной характеристики, и изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа на основе технологии микроэлектроники и исследование их экспериментальных характеристик.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были:

1) Исследованы особенности преобразовательных характеристик датчиков;

2) Рассмотрены общие вопросы проектирования таких датчиков;

3) Исследованы особенности применения микроэлектронной технологии для создания чувствительных элементов датчиков.

4) Методами математического моделирования проведен расчет преобразовательных характеристик чувствительных элементов датчиков и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными;

5) Созданы экспериментальные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа с применением микроэлектронной технологии;

6) Исследовано действие изменений температуры на преобразовательные характеристики датчиков.

Научная новизна работы.

- В диссертационной работе предложено двухволоконное приближение для анализа частной преобразовательной характеристики оптической модуляции Р2 и исследовано влияние на нее различных конструктивных параметров;

- Показана целесообразность обобщения двухволоконной модели на кластер волокон оптического кабеля. Установлена возможность повышения чувствительности волоконно-оптических датчиков при слоистом расположении излучающих и приемных волокон;

Показана возможность управления частной преобразовательной характеристикой Р2;

- Предложено выражение для функции механического преобразования микрозеркала в нелинейном приближении по прогибам, исследовано влияние конструктивных параметров на ее чувствительность и нелинейность;

- Экспериментально и методом конечных элементов исследованы особенности функции механического преобразования р! для микрозеркала с различной геометрией;

Практическая ценность работы.

- Предложен алгоритм расчета полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа;

- Даны рекомендации по выбору режима работы волоконно-оптического преобразователя датчика;

- Разработан технологический маршрут изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков с использованием методов микроэлектронной технологии;

Предложены и реализованы методы компенсации температурной нестабильности блока электронной обработки и временной нестабильности источника оптического излучения амплитудных волоконно-оптических датчиков давления;

- Разработаны практические варианты конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления на диапазон 100-1500 Па и 0 - 2,5 МПа.

Реализация результатов работы.

1. Созданы лабораторные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давлений рефлектометрического типа;

2. Разработанный амплитудный волоконно-оптический датчик давления рефлектометрического типа применен в СибНИИЭ, г. Новосибирск в качестве измерителя перепадов давления трансформаторного масла в элементах конструкции силовых трансформаторов, а также в научной лаборатории кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «НГАВТ» в качестве измерителя давления жидкости в установке, использующей электрогидравлический эффект.

3. Результаты исследований применяются при чтении курса лекций «Компоненты микросистемной техники» для студентов по специальности 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1998 год., 1999 год., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-98», АПЭП-2000, АПЭП-2008 Международной научно-технической конференции «К01Ш8-2000», Новосибирск, 2000 год., Международной научно-технической конференции

IEEE «М1А-МЕ», Новосибирск, 1999 год., Международной научно-технической конференции «Electron devices and materials, EDM-2002». Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 21 печатных работах, из них: 3 работы в изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 2 работы в сборниках научных трудов НГТУ, 1 патент на изобретение РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 8 работ в сборниках трудов международных научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Работа изложена на 169 страницах основного текста и иллюстрируется 56 рисунками и 3 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 135 наименования.

Автор защищает следующие основные положения:

- Предложенный в работе подход к расчету полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа;

- Результаты исследования влияния конструктивно-технологических факторов на характеристики датчиков;

- Технологическую реализацию кремниевого микрозеркала и схемотехническую реализацию волоконно-оптических датчиков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы построения и применения волоконно-оптических датчиков для целей измерения. Анализ литературных данных показал перспективность разработки волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа. В таких датчиках световой поток подводится и отводится через набор оптических волокон к упругому микрозеркалу, имеющему вид жестко

защемленной диафрагмы, прогиб которого меняется под воздействием измеряемого давления, модулируя световой поток, падающий на фотоприемник.

Такие датчики просты по конструкции и дешевы по технологическому исполнению. Чувствительные элементы в виде упругого микрозеркала целесообразно изготавливать из кремния с помощью методов микроэлектроники. Амплитудная модуляция не требует обязательного применения когерентных источников света, а результаты измерений можно сравнительно просто анализировать. В датчиках удобно использовать серийно изготавливаемые оптические волокна, что снижает стоимость изделий. При изготовлении электронных блоков первичной обработки информации применимы серийно выпускаемые приборы и детали.

Однако характеристики, методы проектирования, технологии изготовления волоконно-оптических датчиков в настоящее время исследованы недостаточно полно, а применительно к датчикам давления отсутствуют. В литературе отсутствуют обобщенные сведения о теоретическом расчете преобразовательных характеристик таких датчиков и сравнение этих характеристик с экспериментальными данными. Описание основных параметров носит в основном оценочный характер либо относится к конкретным приборам, из чего не ясно, как повлияют изменения в конструкции на характеристики датчиков.

В главе сформулированы цель и задачи исследования. Во второй главе и частично в третьей главе формулируется математическая модель преобразовательной характеристики рассматриваемых датчиков.

Преобразовательная характеристика амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа может быть представлена в виде:

где р - измеряемое давление, и - выходной сигнал датчика, Ех, Е2, Е3 частные функции преобразования, которые соответствует 3 этапам преобразования:

Е) - функция механического преобразования описывает зависимость смещения микрозеркала ВОД под воздействием давления, - функция преобразования оптической модуляции описывает изменение интенсивности светового потока, отраженного от поверхности микрозеркала в зависимости от смещения последнего, Ез - функция электрического преобразования. Описывает изменение электрического выходного сигнала в зависимости от изменения интенсивности светового потока.

Преобразовательной характеристике соответствует разработанная в диссертации структурная схема ВОД давления, показанная на рис 1 .

Стабилизированный источник тока (1) металлический корпус (2) с ик- источником оптического излучения (3) и фотоприемником (4); оптические волокна (5), упругое микрозеркало (7), закрепленное на кремниевом основании (6); цифрой (8) обозначен ход световых лучей, блок электронной обработки (9); блок термостабилизации (10); индикатор (11)

Рисунок 1 - Структурная схема амплитудного волоконно-оптического датчика давления рефлектометрического типа

Функция преобразования оптической модуляции (Р2) определяет свойства ВОД давления как особого класса датчиков.

Все элементы конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа в смысле влияния на функцию Рг можно разделить на 2 группы: 1. элементы со

стандартизованными характеристиками; 2. элементы с вариабельными свойствами и характеристиками, которые могут изменяться при построении

вод.

К первой группе относятся: материал, форма, геометрические размеры, количество оптических волокон, источники и приемники оптического излучения, элементы, составляющие схему электронной обработки оптического сигнала. Ко второй группе относятся: относительное пространственное расположение излучающих и приемных оптических волокон и упругого микрозеркала [1].

Вопрос об оптимальном взаимном размещении излучающих и приемных волокон относительно друг друга и микрозеркала применительно к амплитудным датчикам в литературе детально не рассмотрен. В диссертации для количественного описания преобразовательной функции Р2 в основу анализа предложена двухволоконная модель (рис 2-а).

Рисунок 2 - Схема, объясняющая зависимость плотности светового потока в приемном волокне от взаимного расположения оптических волокон и отражающей поверхности а - без учета параметра у, б - с учетом параметра у

При анализе рассматривались два единичных волокна (одно приемное, другое излучающее) круглого сечения одинаковых диаметров, причем торцы лежат в одной плоскости, параллельной плоскости зеркала. Отражение зеркальное, любые потери не учитывались, в отраженном пятне интенсивность светового потока не зависит от координат, а характер прохождения оптического излучения соответствует законам геометрической оптики. В этом приближении преобразовательная функция Р2 имеет вид:

F =Ь*=± 1H /,, 2л-

л

а---sin а

—180- +p.JL_Anp

(1 + x-tg0)2 180

где

a=2-arccos

r2+a2-R2

-, /? = 2- arcsir

rsmL

R

r 2-a-r

I22J In - интенсивности светового потока, падающего на торец приемного волокна и испускаемого излучающим волокном соответственно, г - радиус сердцевины волокон; L/2 - расстояние от плоскости зеркала до плоскости, в которой лежат торцы оптических волокон; а - расстояние между осями волокон; 0 - угол расхождения светового пучка.

Графики зависимости функции преобразования F2 от расстояния L приведены на рис 3, на которых имеется ярко выраженный максимум и 2

квазилинейных участка, более

F2h-100%

Рабочие квазили^рйные участки преобразовательной

Расстояние, IVr

крутой восходящии и ниспадающий.

Из (6) следует выражение для чувствительности частной преобразовательной функции Р2 от расстояния до микрозеркала 8 = сШ2/(1х . Из анализа видно, что чувствительность уменьшается с ростом межосевого расстояния «а» и

Рисунок 3 - Зависимость функции уменьшением угла расхождения преобразования оптической модуляции Иг от

расстояния между торцами оптических волокон светового пучка «6». и отражающей поверхностью микрозеркала

при разных а (1 - а=3г, 2 - а=6г, 3 - а=9г) Выражение для Р2 в

диссертации обобщено на важный практический случай, когда торцы испускающих и приемных волокон, а также микрозеркало не лежат в строго параллельных плоскостях.

Чтобы учесть эту особенность в модель введен параметр у - угол между идеализированной (нормальной к оси оптических волокон) и фактической плоскостями отражения светового пучка (рис 2-Б). В этом случае световое пятно в плоскости приемного волокна будет иметь эллиптическую форму. Тогда выражение (2) для функции преобразования Р2 принимает вид:

к

2 / 111

Ч (а---БшаО + а, Ь, -шссоъЬ! аЛ-ху

2 180

ж-а„ -Ь,

(3)

,где аэ, Ьэ - большая и малая полуоси эллиптического светового пятна в плоскости приемного волокна соответственно, а - угол между точками пересечения эллипса и приемного волокна с координатами х и у.

Р2Н-100%

.....

-■-7=0 -•—у=2,5

■Л.....7=10

-▼-7=20

Расстояние. 17г.

Установлено (рис 4), что с ростом угла у увеличивается крутизна функции ¥2, уменьшается величина квазилинейного

участка, который при этом смещается в сторону меньших расстояний до микрозеркала.

Поскольку в датчике используется не два, а набор волокон, собранных в кабель, просуммировать вклад каждого волокна в преобразовательную характеристику. Из выражений для Р2 (2) и (3) следует сильная зависимость светового потока в приемном волокне от расстояния между осями волокон «а». При выполнении условия а/г >11 вклад излучающих волокон в преобразовательную функцию Р2 оказывается менее 0,5% . Это позволяет ввести понятие кластера - набора излучающих волокон, которые дают вклад в световой поток данного приемного волокна. Общая интенсивность светового потока,падающего на фотоприемник, определяется:

1.25

2.5

3.75

6.25

Рисунок 4 - Зависимости преобразовательной необходимо функции ¥2 от до микрозеркала. Угол у принимает значения 0, 2.5, 10, 20 градусов.

к к ^ а

где 1]а , па - вклад в интенсивность светового потока от излучающего волокна и количество излучающих волокон на расстоянии «а» до приемного в пределах кластера, Is - вклад данного кластера в общую интенсивность светового потока, к - общее число кластеров. Отметить, что параметр «а» принимает только дискретные значений, определяемых размерами кластера.

При рассмотрении выражений (2) и (3) оказывается, что общий световой поток Iss зависит от взаимного расположения излучающих и

В главе показано, что чувствительность частной преобразовательной функции F2 при

расположении излучающих и приемных оптических волокон чередующимися слоями (на рис 5-6) оказывается на 8-15% больше, чем при случайно-равномерном расположении (на рис 5-а). В частности, при рассмотрении волоконно-оптического кабеля с общим числом волокон N=300, при случайно-равномерным распределении оптических волокон и при их слоистом чередующимся распределении по площади торца кабеля приведенная чувствительность в рабочем диапазоне расстояний L/r составила соответственно 0,029 и 0,032. Данное положение подтверждается свидетельством на полезную модель РФ №26652.

В третьей главе рассмотрено обоснование выбора типа чувствительного элемента для датчиков давления рефлектометрического типа. Теоретически и экспериментально исследована частная функция преобразования Fi.

приемных волокон в оптическом кабеле.

Рисунок 5 - Случайно-равномерное (А) и слоистое (Б) расположение оптических волокон в кабеле

В диссертации предложено формировать упругое микрозеркало из кремния с использованием технологии трехмерного профилирования. Кремний как материал обладает механическими свойствами, допускающими высококачественную обработку поверхности и нанесения отражающих покрытий. В составе кремниевого микрозеркала должно быть кольцо жесткости, а тонкая часть (диафрагма) может быть как плоской, так и профилированной и иметь жесткий центр (рис 6).

Для определения преобразовательной функции Еь связывающей перемещение микрозеркала \¥ и давление р, в диссертации применялись вариационный и конечно-элементный методы.

11111

11111

Рисунок 6 - Схема кремниевого упругого микрозеркала и его нагружения. А - микрозеркало в виде плоской профилированной диафрагмы; Б - микрозеркало в виде профилированной диафрагмы с жестким центром; 1 - рамка, 2 - тонкая часть, 3 - боковой скос, 4 -жесткий центр; 2а, 2Ь - размеры сторон диафрагмы и жесткого центра, Ь и Ьж ц. -

Вариационный метод применялся для анализа микрозеркал в виде квадратной плоской жесткозащемленной диафрагмы (см. рис 6-а). При анализе исходили из преобразовательной характеристики микрозеркала в нелинейном по нагрузке приближении [2]

¿Д.(1пХ)"

У - ехр

(5)

Х =

ра

и>

У = —

^ - давление и прогиб микрозеркала в

где

безразмерной

форме, Ь - толщина микрозеркала, - изгибные жесткости, Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона.

1 1 \ -

\ \ \

\ \

\ \

\

1 1

О 5 10 13 20 25

Приведенное давление, X Рисунок 7 - Зависимость приведенной чувствительности упругого

микрозеркала от приведенного давления

5 10 15 20 25

Приведенное давление, X

Рисунок 8 - Зависимость приведенной нелинейности упругого микрозеркала от приведенного давления.

Удобная форма преобразовательной характеристики Б] позволяет получить важные для проектирования выражения для производных, через которые определяется чувствительность и нелинейность по перемещению (рис 7 и 8).

Метод конечных элементов применялся как для плоских, так и для профилированных микрозеркал. При расчете применялся пакет программ АШУБ.

Расчеты при помощи методов математического моделирования позволили выявить некоторые особенности преобразовательной характеристики И]. Результаты моделирования показывают, что в двойном логарифмической масштабе зависимость чувствительности микрозеркала от его толщины представляет собой семейство прямых линий, причем тангенс угла их наклона к и отрезок, отсекаемый на оси ординат Уо, зависит от наличия и ширины жесткого центра. Аппроксимируя результаты численного моделирования в полиномиальной форме, получаем:

1ё5 = У0+Ы8Л ¿=-2.7294-4.69527104 -Х+6.25109КГ1-X2

(6)

К = -4.78744 + 5.7363 • 10^ • X -1.39169 • 10"* • X

где 5 = с^/Ур -чувствительность микрозеркала, Ь - полуширина жесткого центра в микрометрах, 0 < X < 1500 мкм. Ошибка аппроксимации не превосходит 2%. Выражения (6) позволяют упрощенным путем определить чувствительность микрозеркала. Расчеты приведены для микрозеркала со стороной а = 5 мм.

Для экспериментальных исследований частной функции преобразования Б] упругих микрозеркал при воздействии на них избыточного статического давления на базе газового Не-Ые - лазера 1 (Х=0,63 мкм) был собран интерферометр Майкельсона, схема которой показана на рис 9.

Разрешение такой измерительной системы по перемещению составляет Х/4. Давление на упругое микрозеркало подавалось при помощи грузопоршневых манометров МП-04 и МП-6М класса точности 0,02 и рассчитанных на диапазон давлений 6,67-5-40 кПа и 40-ь600 кПа соответственно, в результате чего наблюдалась интерференционная картина, отражающая зависимость прогибов упругого микрозеркала от давления. Графики типичной частной функции преобразования Б) приведен на рис 10.

Рисунок 9 - Схема установки для исследования механических свойств микрозеркал. 1- лазер, 2- ход лучей лазера, 3

- полупрозрачное зеркало, 4 -зеркало, 5 - упругий чувствительный элемент, 6 -металлическая станина, 7 -штуцер, 8 - шланг для подачи давления, 9 - задатчик давления, 10- видеокамера, 11

- контрольный монитор, 12 -компьютер.

Рисунок 10 - Сравнительные функции преобразования Я], полученных в результате расчета методом конечных элементов, вариационным методом и в эксперименте для плоского микрозеркала

(А) и микрозеркала с жестким центром (Б).

Размеры микрозеркал а = 5 мм, Ь = 40 мкм, Ь = 1.8 мм, Ьжц = 420 мкм.

Данные, полученные в результате математического моделирования и при расчетах вариационным методом, согласуются с результатами эксперимента в пределах 5-7%. Соотношение чувствительности и нелинейности микрозеркал демонстрирует существенную роль размеров жесткого центра на характеристики микрозеркала. Как показывают расчеты, введение жесткого центра даже небольшой толщины Ьжц, удовлетворяющей соотношению Ьж.ц./Ь =1,05-1,15 обеспечивает лучшее соотношение нелинейность - чувствительность, чем для микрозеркала без жесткого центра.

В четвертой главе диссертации экспериментально исследуются лабораторные образцы амплитудных ВОД давления рефлектометрического типа.

Структурная схема разработанного датчика приведена на рис 1. Учитывая, что основным источником нелинейности является функция в диссертации предложено выбирать расстояние между торцом оптического кабеля и микрозеркалом в точке перегиба из условия с12Рг^х2 = 0, где Р2 определяется выражениями (2) и (3). На рис 11 приведены теоретические и экспериментальные зависимости преобразовательной характеристики Р2 , а также положение рабочей точки. Расчеты показывают существенную

Прогиб, мкм

Плоское микрозеркало -МКЭ ■ эксперимент Микрозеркало с жестким центром -----МКЭ ▲ эксперимент : I : А

...... Г-"* .......

........ ... ^ <*'' ..: ..... Б

50 100 150 200 250 300

Давление, кПа

зависимость преобразовательной характеристики к величине угла 0. При выборе 0 = 20,75° экспериментальные и теоретические зависимости согласуются в пределах 10%, а на восходящем участке - около 2%.

В диссертации показано, что наличие на отражающем покрытии микрозеркала участков с различными коэффициентами отражения , а также участков с микрорельефом дает новый способ управления преобразовательной характеристикой Р2. Было установлено, что наибольшая чувствительность достигается при отражении от гладкой зеркальной поверхности, однако при наличии на отражающей поверхности областей с разными коэффициентами отражения, функция Р2 на восходящем участке имеет характер ломаной (см. рис 11, график 4), причем отношение выходного сигнала к перемещению изменяется в 3-4 раза ( патент на изобретение, заявка №2180100. - 2002 г). При рациональном выборе рабочей точки и работе микрозеркала на линейном участке преобразовательной характеристики Р2, общая преобразовательная характеристика датчика

оказывается линейной.

На рис 12 приведены общие теоретические и экспериментальные

характеристики выходного сигнала, снятого с фотоприемника.

Расстояние, мкм

Рисунок 11 - Частные преобразовательные характеристики Иг амплитудного волоконно-оптического датчика давления

Рисунок 12 - Общая преобразовательная характеристика волоконно-оптического датчика. В качестве чувствительного элемента используется

упругое микрозеркало с жестким центром, а = 5 мм, Ь = 40 мкм, Ь = 1,8 мм, Ьжц = 420 мкм

Температурные исследования зависимостей начального выходного сигнала и чувствительности в диапазоне 20 + 90° С для ВОД показали, что соответствующие температурные коэффициенты (выражения 7 и 8):

1.5 2.0 2.5 Давление, Па" 105

а =

и0(Т0)-АТ 8{Т)-Б0(Т0)

100%

(7)

(8)

50(Г0)-А Т

где, Т0 и Т - минимальная и максимальная температуры соответственно, и0 и и - выходной сигнал при То и Т соответственно, Бо и Б - чувствительность при Т0 и Т соответственно лежат в диапазоне от 0,01 до 0,05%/град, что находится на уровне лучших существующих датчиков.

В пятой главе рассматриваются технологические аспекты формирования кремниевого микрозеркала, конструкции датчика в целом и его компонентов и измерительные характеристики датчика.

Конструктивно датчик состоит из трех основных частей: 1. Волоконно-оптический преобразователь (ВОП), кремниевое упругое микрозеркало, основание упругого микрозеркала, металлический корпус,

обеспечивающий соединение всех частей ВОП; 2. Волоконно-оптический кабель; 3. Блок электронной обработки сигнала.

Упругое микрозеркало изготавливается из монокристаллического кремния методами микромеханики (жидкостным анизотропным травлением). В экспериментально реализованном варианте микрозеркало имело жесткий центр. Размеры: а = 5 мм, b = 1.8 мм, Ьжц=180±0,5 мкм. Величина h определяется требованиями к диапазону измерений и в нашем случае для диапазона давлений 100-1500 Па составляет h = 20±0,5 мкм, для диапазона давлений 0-2,5 МПа составляет h = 120±0,5 мкм. Исходный материал - двусторонне полированные пластины (d= 76 мм, h= 180 мкм) монокристаллического кремния КЭФ - 4,5, (100). Схема технологического процесса представлена на рис 13.

В качестве защитной маски при профилировании использовался выращенный методом термического окисления оксид кремния Si02. толщиной 0,8 мкм. Такая толщина защитного слоя оказалась достаточной для успешного проведения операции профилирования при помощи жидкостного анизотропного травления.

Формирование рисунка маски осуществлялось при помощи фотолитографии. Само микропрофилирование осуществлялось в 33% водном растворе КОН (Т= 79±0,5°С) в реакторе типа «водяная баня» с использованием для контроля скорости травления пластин-спутников. Скорость травления составляет около 1,05 мкм/мин. Далее на поверхность микрозеркала для улучшения отражения ик-излучения проводилось вакуумное напыление алюминия толщиной 0.2мкм. Разделение пластин на отдельные кристаллы осуществлялось скрайбированием.

Для исключения влияния внутренних термомеханических напряжений микрозеркало устанавливалось на кремниевом основании размером 10 х 10 мм, толщина h = 4 мм с центральным отверстием 0 = 2,5 мм и канавкой для посадки микрозеркала. Схема технологического процесса формирования

основания приведена на рис 13. Канавка формировалась при помощи анизотропного травления в КОН.

Изготовление чувствительного элемента Изготовление

кремниевого основания

Исходный материал КЭФ-4,5 (100), С=7б мм, Ь=420 мкм

2а

Термическое окисление Т= 1150 С

1Ь

Исходный материал КЭФ-4,5 (100), Р=40мм, 11=4 мм

7. Соединение оптических волокон с блоком электронной обработки

Блок

тер мо стаб и л из ац и и

2Ь

Термическое окисление Т= 1150 С

За

Фотолитография

Электронный блок

Блок источников и приемников излучения

Ги^Л

ЗЬ Фотолитография Анизотропное

травление

Оптические волокна, собранные в кабель

4а

Анизотропное травление

5а Металлизация

Изго

гб! ление

4Ь

под ог т|и ческое цс кно

6. Сборка чувствительного элемента, основания и оптических волокон в единую конструкцию

Рисунок 13 - Основные этапы изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа

Волоконно-оптический кабель, примененный для изготовления датчика, представляет собой набор оптических волокон диаметром 45 мкм со случайным распределением приемных и излучающих волокон и затуханием 0,17 Дб/км. Волокна на одном торце заделаны в металлическую оправку таким образом, что торцы всех единичных волокон лежат в одной плоскости. Второй торец волоконно-оптического кабеля разделен на две части и заделан в патрон с источником и приемниками оптического излучения, в качестве которых были использованы ик -свето- и фотодиоды (АЛ -107 и ФД-256 соответственно). Выходной сигнал с фотоприемника поступал на электронную схему обработки, которая была выполнена на прецизионных

малошумящих ОУ 140УД17. Для обеспечения хороших измерительных характеристик ВОД давления рефлектометрического типа принципиально необходима термостабилизация источников и приемников излучения. В разработанном варианте использовался термостат с резистивным нагревом, в котором поддерживалась температура Т=50±0,3°С. Время выхода на режим такой схемы 5-7 мин. Для исключения влияния флуктуаций светового потока на работу датчика в разработанной конструкции использовалась дифференциальная схема: оптическое излучение, испускаемое светодиодом, падает на первый (рабочий) фотодиод, пройдя по оптоволокну, а на второй (опорный) непосредственно. В электронном блоке сигналы вычитаются один из другого, что позволяет устанавливать нуль датчика, а наличие термостабилизации и временную стабильность нуля и чувствительности датчика. Преобразовательные характеристики разработанных амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа на 2 диапазона измеряемых давлений показаны на рисунках 14 и 15. Чувствительность датчиков без учета коэффициента усиления электронного блока составила 0,211 мВ/В-кПа и 31 мВ/В-МПа соответственно, нелинейность - 1% и 0,85% соответственно.

Приближенно линеаризованная полная функция преобразования в случае амплитудных ВОД давления может быть описана выражением:

ивых. =5вод 'ку 'Р (9)

где р = номинальное давление, ку - коэффициент усиления блока электронной обработки, Бвод - чувствительность полной функции преобразования (выражение 10):

$ВОД ~ кф ' Ро ' $2 ' ' Л (10)

где кф - коэффициент преобразования фотоприемника, Ро - мощность излучения, испускаемого источником, 82 и 8! - чувствительности частных функций преобразования оптического и механического преобразования

соответственно, г) - коэффициент ослабления оптического излучения в ВОП, определяемый потерями на вводе излучения в оптические волокна и неидеальностью отражения от микрозеркала.

; в ' с ыходн игнал, ой В

I I кл г к Г •

1 к . ■

г' '

* Образец 1 ▲ Обпаэеи 2 —

. л г - ■ Образец ---Расчет 3

Дав]

"1 ■ ■ ■ ■ 1 ■ 1 1 1 |

О 20 40 60 80 100 120 140 160 160

Рисунок 14 - Преобразовательная характеристика волоконно-оптического датчика давления. Диапазон давлений 100-5-1500 Па

в с ыходн игнал, ой ; В *

........I ^ 'л I ✓ и- 1 г . к Г.....

\ У А к

* \ ■

•к Образец 1 А Обоазец 2 —

'л 1 1' : г ■ Об ---Ра разец счет 3

.. .. ■ . ^ ** ;

* Даш <Па I— |

1-1—-1--1--'--'-----1-—1--■-1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Рисунок 15 - Преобразовательная характеристика волоконно-оптического датчика давления. Диапазон давлений 0*-2,5 МПа

Описанная выше структура датчиков обладает значительной простотой и универсальностью конструкции. Универсальность конструкции выражается в том, что для создания датчика, рассчитанного на другой диапазон давления, необходимо лишь увеличить либо уменьшить толщину чувствительного элемента. Последняя операция осуществляется только лишь соответствующим изменением времени профилирования микрозеркала.

Одним из примеров реализации описанных в предыдущих разделах данной диссертационной работы служит применение разработанного ВОД для контроля надежности элементов конструкции экспериментальной установки, использующей высоковольтный трансформатор.

Исследуемым элементом конструкции являлись электрические вводы данного трансформатора. Их структурная схема показана на рисунке 16. Ввод представляет собой металлический токоведущий стержень, закрытый кожухом из диэлектрического материала. Кожух с помощью фланца крепится на корпусе трансформатора, а по краям, через уплотнительные кольца - к токоведущему стержню. Пространство между кожухом и токоведущим стержнем заполняется трансформаторным маслом, которое обеспечивает теплоотвод и электрическую изоляцию ввода. Контроль уровня масла в существующих трансформаторах осуществляется визуально, через индикаторную трубку в верхней части ввода. Уплотнительное кольцо в процессе эксплуатации трансформатора деградирует, что является главной причиной утечки масла. Как показывает практика, утечка 10-20% масла по уровню приводит к выходу из строя данного ввода и трансформатора в целом. Для предотвращения этого необходимо использовать автоматический дистанционный контроль уровня масла. Такой контроль можно осуществить, измеряя давление, например, на уровне фланца и сравнивая его с атмосферным. Для этой цели пригодным является разработанный датчик, поскольку информация о давлении передается по оптическому, а не электрическому каналу.

v

\ \ ; < ; 1 : 1 ;

> / s А

^ 4-—/ Г ч

Рисунок 16 - Структурная схема ввода высоковольтного

трансформатора.

1 - корпус трансформатора; 2 -токоведущий стержень; 3 -сильфон с индикаторной трубкой; 4 - уплотнительное кольцо; 5 -полости, заполненные

трансформаторным маслом; 6 -фланец для крепления ввода к корпусу трансформатора; 7 - технологическое отверстие во фланце с чувствительным элементом разработанного

датчика; 8 - волоконно-оптический кабель; 9 - кожух.

Разница между давлением масла в точке измерения и атмосферным давлением при длине ввода 0,5-1,5 м. и плотности масла 800-900 кг/м3 составляет 5-103 - 104 Па. Предел допустимого изменения уровня масла при постоянной температуре и, как следствие, давления составляет 10-15% или 5-102 - 102 Па.

В экспериментальной установке был использован высоковольтный силовой трансформатор TPMC - 110, рассчитанный на 110 кВ. Измеритель давления - амплитудный волоконно-оптический датчик, рабочий диапазон 100-1500 Па. На данное описанное использование разработанного датчика имеется акт о внедрении.

Другими примером использования разработанного амплитудного ВОД давления может служить экспериментальная установка для исследования свойств материалов с помощью электрогидравлического эффекта. Измерение изменений давления в разных точках установки позволяет определить оптимальное местоположение исследуемого образца для возникновения в его фазовой структуре требуемых изменений, в частности, усиление и ослабление у образцов ферромагнитных свойств. Схема установки показана на рис 17. В ходе эксперимента исследуемый образец (1) цилиндрической формы (длиной 100 мм и диаметром 30 мм) нагревался в печи (2) до 800° С, после чего резко опускался в емкость с водой (3).

Рисунок 17 - Схема установки для

исследования свойств материалов с помощью электрогидравлического эффекта

Синхронно с касанием образца поверхности воды с помощью генератора импульсных токов (ГИТ) (4) в емкости инициировался электрический разряд, что приводило к возникновению электрогидравлического эффекта (ЭГЭ). Вследствие этого с образца «срывалась» парогазовая оболочка, которая образуется при попадании образца в воду, из-за чего процесс остывания последнего проходил более интенсивно. Давление в емкости с водой измерялось при помощи датчика (5). Синхронизация разблокировки заслонок, удерживающих образец в печи (1), и запуска генератора импульсных токов (4) осуществлялась при помощи устройства управления (6).

Для того, чтобы выяснить, каким образом изменение скорости нарастания давления вследствие ЭГЭ влияет на процесс остывания и, как следствие, изменение фазовой структуры исследуемых образцов, измерение давление в емкости (3) измерялось в разных точках и на разном расстоянии от электродов ГИТ.

В качестве измерителя давления в эксперименте был использован разработанный и изготовленный согласно методикам и технологическому маршруту, описанным в настоящей диссертации, амплитудный волоконно-оптический датчик давления. В качестве чувствительного элемента датчика использовалась кремниевая (100) мембрана, размер: 5 х 5 х 0,12 мм. Максимальное давление Ртах= 2,5 МПа. На данное описанное использование разработанного датчика имеется акт о внедрении.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1) амплитудные волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа следует рассматривать как отдельный класс датчиков со специфическими особенностями проектирования, конструкции и технологией изготовления;

2) Предложена математическая модель преобразовательной характеристики амплитудных волоконно - оптических датчиков давления рефлектометрического типа;

3) Исследованы механические свойства чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и их влияние на преобразовательные характеристики ВОД;

4) Экспериментально подтверждена правильность предложенной теоретической модели преобразовательных характеристик ВОД;

5) Даны предложения по выбору оптимального режима работы волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа;

6) Предложен технологический маршрут изготовления волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа методами микроэлектронной технологии;

7) Рассмотрена концепция конструктивной реализации ВОД. Показано, что для обеспечения характеристик ВОД необходимо использовать схему сравнения сигнала с рабочего фотоприемника с сигналом с опорного фотоприемника и термостабилизацию блока электронной обработки датчиков;

8) Изготовлены экспериментальные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа и исследованы их основные экспериментальные характеристики;

9) на примере внедрений показана возможность использования разработанных амплитудных волоконно-оптических датчиков давления

рефлектометрического типа для решения задач неразрушающего контроля процессов и изделий, в частности, в пожароопасных средах, в условиях наличия сильных электромагнитных полей, а также резких перепадов давления.

В приложении приведены основные характеристики элементов электронного блока амплитудного волоконно-оптического датчика давлений рефлектометрического типа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гридчин, В. А. Математическое моделирование мембранных чувствительных элементов амплитудных волоконно-оптических датчиков давления / В.А. Гридчин, А.Д. Бялик // Автометрия - 2005 - том 41 - №3-с. 56-63.

2. Гридчин, В.А. Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, использующих кремниевые мембранные чувствительные элементы /В.А. Гридчин, А. Д. Бялик// Приборы - 2005 -№7 - с.25 - 29.

3. Бялик, А.Д. Исследование основных параметров преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа/ А.Д. Бялик // Омский научный вестник - 2009. -№3(83)- с. 161-164.

Патенты, свидетельства на полезную модель:

4. Патент 2180100 РФ, 7 в 01 Ь 11/02. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин / Бялик А.Д. (РФ). - № 2000101105; заявл. 12.01.2000; опубл. 27.02.2002 - 6 с.

5. Свидетельство на полезную модель 26652 РФ 7 в 01 Ь 11/02

Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин / Бялик А.Д. (РФ). - № 2002114123; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.12.2002-4 с.

Научные работы, опубликованные в других изданиях:

6. Бялик, А.Д. Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления/А. Д. Бялик // Сборник трудов НГТУ - 2003 - №4- с. 159-164.

7. Бялик, А.Д. Экспериментальное исследование передаточных амплитудных волоконно-оптических датчиков давления /А. Д. Бялик // Сборник трудов НГТУ - 2004 - №1 - с.3-8.

8. Бялик, А.Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики как элементы систем управления и контроля в электроэнергетике / А.Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и дальнего востока - 2008. - №1 - с. 278-282.

9. Бялик, А.Д. Методика расчета функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков как элементов систем управления и контроля электроэнергитического оборудования / А.Д. Бялик II Научные проблемы транспорта Сибири и дальнего востока - 2008. - №1- с. 276-278.

10. Бялик, А.Д. Особенности преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа / А.Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и дальнего востока - 2009. - №1 - с. 338-341.

Труды и тезисы трудов научно-технических конференций

11. Круглое, В.В. , Бялик А.Д. Диффернциальный волоконно-оптический измеритель малых давлений/ В.В. Круглов, А.Д. Бялик // Тезисы Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» - Новосибирск, 1998 - с. 43-45.

12. Гридчин, В.А. Волоконно-оптические преобразователи механических величин /В.А. Гридчин, В.В. Круглов, А.Д. Бялик // Труды Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-98), том 4 (Сенсорная электроника) -Новосибирск, 1998 - с. 4-6.

13. Круглов, В.В. Исследование характеристик ВОП давления, использующих волоконные ответвители / В.В. Круглов, А.Д. Бялик // Тезисы Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» - Новосибирск, 1999 - с. 122 - 124.

14. Kruglov, V.V. Fiber-optic transdusers of mechanical quantities / V. V. Kruglov, A.D. Byalik // Abstracts of the third Russian-Korean international symposium of science and technology (Korus'99)-Novosibirsk- 1999 - vol. 2-p. 696.

15. Gridchin V.A. Fiber-optic transdusers of mechanical quantities / V. A. Gridchin, V.V. Kruglov, A.D. Byalik // Proceedings of the IEEE-Russia conference «1999 high pover , microwave electronics: measurements, identificatiton, applications» (MIA-ME'99) - Novosibirsk - Russia - September 21 -23 - 1999 - p. Ш36 - III37.

16. Gridchin, V. A. Calculation of deflection and mechanical stresses in plates of the rectangular form by variational and numerical methods / V. A. Gridchin, A.V. Shaporin, J. H. Lee, Byalik, A.D. // Proceedings The 4-th Corea-Russia International Symposium on Science and Technology, 2000 - p. 196 - 202.

17. Нечаев, В.Г. Экспериментальнное исследование характеристик кремниевых мембранных чувствительных элементов / В.Г. Нечаев, А. Д. Бялик // Труды Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2000) -2000 - том 4 (Сенсорная электроника) - с. 40-43.

18. Бялик, А.Д. Экспериментальное исследование характеристик волоконно-оптических датчиков параметров вибрации /А. Д. Бялик II Труды Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы

электронного приборостроения» (АПЭП-2000) - 2000 - том 4 (Сенсорная электроника) - с.36-39.

19. Byalik, A.D. Temperature dependences of fibre-optical sensors of mechanical values / A.D. Byalik, I. A. Voronin, A. M. Zlobin / Siberian Russian workshop and tutorials on electron devices and materias EDM -2002, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, V. 1, p 116-118, Erlagol, 2002

20. Byalik, A.D. The device of digital data processing from the fibre-optical sensor of mechanical values / A.D. Byalik, I. A. Voronin / Siberian Russian workshop and tutorials on electron devices and materias EDM -2002, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia, V. 1, pi 19-120, Erlagol, 2002.

21. Бялик, А.Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики как элементы установок для измерения параметров электроэнергетического оборудования // Труды Международной науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2008», том 2, с. 22-23, Н-ск, 2008 г.

Личное участие автора в работах с соавторами составляет не менее 50%

Список используемой литературы.

[1]. Зак, Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией / Е.А. Зак - М,: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

[2]. Любимский, В.М. Проблемы проектирования интегральных тензопреобразователей давления на основе слоев поликристаллического кремния: Диссертация на соискание д-ра техн. наук: 05.27.01 НГТУ, Новосибирск, 2005 - 294 с.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса,20, тел./факс (383) 346-08-57, ngtu@ngs.ru формат 60 х 84/16, объем 2.0 п.л., тираж 120 экз., заказ № 1593, подписано в печать 17.11.09г.

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СТРУКТУРНЫЕ, КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ. ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1.Общая структура преобразования в волоконно-оптических датчиках.

1.2. Классификация, принципы построения и особенности волоконно-оптических датчиков.

1.3. Общие конструкционные проблемы волоконно-оптических датчиков давления.

1.4. Классификация оптических волокон, использующихся в волоконно-оптических датчиках.

1.5. Классификация источников и приемников излучения, использующихся в волоконно-оптических датчиках.

1.6. Чувствительные элементы для волоконно-оптических датчиков.

1.6.1. Материалы для изготовления чувствительных элементов.

1.6.2. Технологические приемы изготовления чувствительных элементов для волоконно-оптических датчиков давления.

1.7. Варианты конструкций и схемных решений волоконно-оптических датчиков.

1.8. Некоторые принципы построения электронных блоков обработки сигнала волоконно-оптических датчиков.

Выводы по главе №1. Постановка задачи.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

ДАВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА.

2.1. Введение.

2.2. Элементы конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа со стандартизованными характеристиками элементов конструкции.

2.3. Элементы конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа с вариабельными свойствами и характеристиками.

2.3.1 Преобразовательные характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа в двухволоконном приближении.

2.3.2 Преобразовательные характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа в многоволоконном приближении.

2.3.3 Расчетные характеристики амплитудного волоконно-оптического датчика давления рефлектометрического типа.

Выводы по главе №2.

3.ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТ А.

3.1. Введение.

3.2. Расчет преобразовательной функции упругого микрозеркала при помощи вариационного метода.

3.3. Моделирование прогибов упругого микрозеркала методом конечных элементов.

3.4. Экспериментальное исследование частной преобразовательной функции

Выводы по главе №3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ.

4.1. Введение.

4.2. Структура разработанного волоконно-оптического датчика давления.

4.3.Преобразовательные характеристики волоконно-оптических датчиков. 103 4.3.1. Частная преобразовательная характеристика Р2 для плоских полированных отражающих поверхностей.

4.3.2. Преобразовательные характеристики для отражающих поверхностей с чередующимися участками с различными коэффициентами отражения.

4.3.3. Преобразовательные характеристики для отражающих поверхностей с микрорельефом.

4.4. Общие преобразовательные характеристики волоконно-оптических датчиков статического давления.

4.5. Температурные зависимости общей преобразовательной характеристики волоконно-оптических датчиков.

Выводы по главе №4.

5. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ

ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ.

5.1.Введение.

5.2 Волоконно-оптический преобразователь.

5.2.1 Общая структура и назначение отдельных частей волоконно-оптического преобразователя.

5.2.2. Технологический маршрут изготовления упругого микрозеркала и основания для упругого микрозеркала.

5.2.3. Сборка и юстировка волоконно-оптического преобразователя.

5.3. Волоконно-оптический кабель.

5.4. Блок электронной обработки.

5.5. Преобразовательные характеристики разработанного волоконно-оптического датчика давления.

5.6. Применение амплитудных волоконно-оптических датчиков в экспериментальных установках, использующих электрогидравлический эффект.

5.7. Методика проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа.

Выводы по главе №5.

Использование волоконно-оптических датчиков (ВОД) является перспективным в тех отраслях науки и техники, где необходима высокая чувствительность измерительных систем к измеряемым параметрам в сочетании с требованиями пожаро-, взрыво- и электробезопасности, нечувствительности к внешним электромагнитным полям и агрессивным средам.

Вместе с тем, такие датчики имеют относительно высокую стоимость и большие габариты, а также специфические источники погрешностей, из-за чего ВОД целесообразно применять в тех случаях, когда не могут использоваться более традиционные тензорезистивные и ёмкостные датчики.

Развитие волоконно-оптических датчиков получило новый импульс с применением технологии микроэлектроники и микросистемной техники. Открылись хорошие возможности на пути миниатюризации ВОД и уменьшении их стоимости при сохранении высокой чувствительности к механическому воздействию.

Общие проблемы построения волоконно-оптических датчиков давления рассматриваются в данной диссертации.

Объект исследования: амплитудные волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа, преобразовательные характеристики и общие принципы проектирования таких датчиков.

Основные задачи исследования: комплексное рассмотрение вопросов проектирования, в частности, теоретический расчет преобразовательной характеристики, и изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа на основе технологии микроэлектроники и исследование их экспериментальных характеристик.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были:

1) Исследованы особенности преобразовательных характеристик датчиков;

2) Рассмотрены общие вопросы проектирования таких датчиков;

3) Исследованы особенности применения микроэлектронной технологии для создания чувствительных элементов датчиков.

4) Методами математического моделирования проведен расчет преобразовательных характеристик чувствительных элементов датчиков и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными;

5) Созданы экспериментальные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа с применением микроэлектронной технологии;

6) Исследовано действие изменений температуры на преобразовательные характеристики датчиков.

Научная новизна работы:

- В диссертационной работе предложено двухволоконное приближение для анализа частной преобразовательной характеристики оптической модуляции Б? и исследовано влияние на нее различных конструктивных параметров;

- Показана целесообразность обобщения двухволоконной модели на кластер волокон оптического кабеля. Установлена возможность повышения чувствительности волоконно-оптических датчиков при слоистом расположении излучающих и приемных волокон;

Показана возможность управления частной преобразовательной характеристикой ¥2;

- Предложено выражение для функции механического преобразования Р| микрозеркала в нелинейном приближении по прогибам, исследовано влияние конструктивных параметров на ее чувствительность и нелинейность;

Экспериментально и методом конечных элементов исследованы особенности функции механического преобразования Б] для микрозеркала с различной геометрией;

Практическая ценность работы:

- Предложен алгоритм расчета полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа;

- Даны рекомендации по выбору режима работы волоконно-оптического преобразователя датчика;

Разработан технологический маршрут изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков с использованием методов микроэлектронной технологии;

Предложены и реализованы методы компенсации температурной нестабильности блока электронной обработки и временной нестабильности источника оптического излучения амплитудных волоконно-оптических датчиков давления;

- Разработаны практические варианты конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления на диапазон 100-1500 Па и 0 - 2,5 МПа.

Личный вклад автора:

Личный вклад автора в диссертационную работу определяется общей формулировкой и обоснованием целей и задач исследований, выбором методов их решения. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных работ, разработке технологических маршрутов и операций. Автору принадлежит также анализ и интерпретация полученных результатов.

Лично автором предложена методика определения полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа;

Автором предложена модель для анализа частной преобразовательной характеристики оптической модуляции как важной составной части общей функции преобразования. В процессе анализа показана возможность управления частной преобразовательной характеристики оптической модуляции и предложены рекомендации по выбору режима работы волоконно-оптического преобразователя датчика;

Автором совместно с доцентом кафедры ГШ и МЭ НГТУ Кругловым В.В. разработан технологический маршрут изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков с использованием методов микроэлектронной технологии, предложены и реализованы методы компенсации температурной нестабильности блока электронной обработки и временной нестабильности источника оптического излучения амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, разработан практический вариант конструкций амплитудных волоконно-оптических датчиков давления на диапазон 100-1500 Па и 0-2,5 МПа.

Автором лично в эксперименте и совместно с ассистентом кафедры ПП и МЭ НГТУ Шапориным A.B. при помощи методов конечных элементов исследованы зависимости прогибов от давления упругих микрозеркал с жестким центром как чувствительных элементов исследуемых датчиков для различных геометрических размеров микрозеркал.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждена экспериментальной частью исследования, патентом РФ, полученным по результатам исследований, разработанными и изготовленными лабораторными образцами датчиков.

Реализация результатов работы:

- Созданы лабораторные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давлений рефлектометрического типа;

- Разработанный амплитудный волоконно-оптический датчик давления рефлектометрического типа применен в СибНИИЭ, г. Новосибирск в качестве измерителя перепадов давления трансформаторного масла в силовых трансформаторах, а также в научной лаборатории кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» ФГОУ ВПО «НГАВТ» в качестве измерителя давления жидкости в установке, использующей электрогидравлический эффект.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1998 год., 1999 год., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-98», АПЭП-2000, АПЭП-2008 Международной научно-технической конференции «KORUS-2000», Новосибирск, 2000 год., Международной научно-технической конференции IEEE «М1А-МЕ», Новосибирск, 1999 год., Международной научно-технической конференции «Electron devices and materials, EDM-2002».

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 21 печатной работе, из них: 3 работы в изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 2 работы в сборниках научных трудов НГТУ, 1 патент на изобретение РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 7 работ в сборниках трудов международных научно-технических конференций.

Автор защищает следующие основные положения:

- Предложенный в работе подход к расчету полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа;

- Результаты исследования влияния конструктивно-технологических факторов на характеристики датчиков;

- Технологическую реализацию кремниевого микрозеркала и схемотехническую реализацию волоконно-оптических датчиков.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения. Работа изложена на 167 страницах основного текста и иллюстрируется 54 рисунками и 3 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 133 наименования.

Выводы по главе №5.

В результате проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1) конструктивно реализована концепция построения амплитудных ВОД давления рефлектометрического типа на примере датчиков, рассчитанных на диапазон давления 100-1500 Па и 0-2,5 МПа;

2) разработана конструкция волоконно-оптического преобразователя для амплитудного датчика давления рефлектометрического типа, предложен технологический маршрут изготовления кремниевых чувствительных элементов и кремниевых оснований для чувствительных элементов таких датчиков на основе технологии микроэлектроники, последовательность операций сборки ВОП в единую конструкцию;

3) в результате исследований показано, что для улучшения характеристик ВОД необходимо использовать схему сравнения с опорным сигналом и термостабилизацию источников и приемников излучения и электронного преобразователя сигнала;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы показано, что:

1) амплитудные волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа следует рассматривать как отдельный класс датчиков со специфическими особенностями проектирования, конструкции и технологией изготовления;

2) предложена математическая модель преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа;

3) экспериментально и при помощи методов математического моделирования исследованы механические свойства чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и их влияние на преобразовательные характеристики ВОД. Показано, что в пределах 5-7% данные экспериментов согласуются с результатами математического моделирования;

4) экспериментально подтверждена правильность предложенной теоретической модели преобразовательных характеристик ВОД;

5) даны предложения по выбору оптимального режима работы волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа;

6) предложен технологический маршрут изготовления волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа методами микроэлектронной технологии;

7) рассмотрена концепция конструктивной реализации ВОД. Показано, что для обеспечения характеристик ВОД необходимо использовать схему сравнения сигнала с рабочего фотоприемника с сигналом с опорного фотоприемника и термостабилизацию блока электронной обработки датчиков, что уменьшает начальный разбаланс выходного сигнала датчика до ± 25 мкВ;

8) изготовлены экспериментальные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа, рассчитанных на диапазон давления 100-1500 Па и 0-2,5 МПа, и исследованы их основные экспериментальные характеристики;

9) на примере внедрений показана возможность работы ВОД в пожароопасных средах, в условиях наличия сильных электромагнитных полей, а также резких перепадов давления.

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

2. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики /Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др. Л.: «Энергоатомиздат», 1990. - 256 с.

3. Зак, Е.А. Бесконтактные фотоэлектрические стекловолоконные вибропреобразователи / Е.А. Зак, Г.А. Злодеев, В.Д. Малинский // Измерительная техника — 1976 — №5 с. 43—45.

4. Зак, Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией / Е.А. Зак М,: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

5. Vaganov, V.l. Construction problems in sensors / V.l. Vaganov // Sensors and actuators, A 1991-№28 - p. 161-172.

6. Зак, Е.А. Особенности проектирования рефлектометрических ВОД перемещений / Е.А. Зак, А.Л. Тув // Измерительная техника 1997 - №1 -с. 28-30.

7. Таланчук, П.М. Сенсо ры в контрольно-измерительной технике / П.М. Таланчук, С.П. Голубков Киев: Тэхника, 1991 - 146 с.

8. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб М.: Мир, 1989 -208 с.

9. Жилин, В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления /В.Г. Жилин М.: Энергоатомиздат, 1987 - 156 е.

10. Бадеева, Е.А. Классификация амплитудных волоконно-оптических преобразователей / Е.А. Бадеева, В.А. Мещеряков, Т.И. Мурашкина // Датчики и системы. 2003. - №2. - с. 20 - 25.

11. Мурашкина, Т.И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления / Т.И. Мурашкина, В.И. Волчихин. Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 1999. - 173 с.

12. Мурашкина, Т.И. Волоконно-оптические датчики для внутриобъектовых волоконно-оптических сетей сбора данных / Т.И. Мурашкина, В.П. Каршаков, Ю.А. Артемов // Радиотехника. 1995. - №10. - С. 29 - 31.

13. Пивкин, А.Г. Волоконно-оптические датчики аттенюаторного типа для летательных аппаратов / А.Г Пивкин, В.А. Мещеряков, Т.И. Мурашкина и др. // Датчики и системы. 2003. - №4. - С. 11 - 14.

14. Пивкин, А.Г. Волоконно-оптические датчики аттенюаторного типа для космической техники / А.Г Пивкин, Т.И. Мурашкина Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 2005. - 152 с.

15. Конюхов Н.Е. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства / Н.Е. Конюхов, А.А. Плютт, П.И. Марков // М.:Энергоатомиздат», 1985 89 с.

16. Пивкин, А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом / А.Г. Пивкин, Е. А. Бадеева, А.В. Гориш и др.. М. : МГУЛ, 2004 - 246 с.

17. Tohyama, О. A fiber-optic silicon pressure sensor for ulra-thin catheters / O. Tohyama, M. Kohashi, K. Yamamoto // Sensors and actuators, A 1996 -№54 - p. 622-625.

18. Young-Tae, L. High temperature pressure sensor using double SOI structures with two A1203 films / L. Young-Tae, S. Heedon, M. Ishida // Sensors and actuators», A 1994 - № 43 - p. 59-64.

19. Obieta, I High-temperature polysilicon pressure microsensor / I. Obieta, E. Castano,. F.J. Gracia // Sensors and actuators», A 1995 - №46-47 - p. 161-165.

20. Kaltsas, G Frontside bulk silicon micromachining using porous-silicon technology / G. Kaltsas, A.G. Nassiopoulou // Sensors and actuators, A 1998 -№65-p. 175-179.

21. Klaassen, E. H. Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures / E. H. Klaassen, K. Petersen, J.M. Noworolski // Sensors and actuators, A -1996 №52 - p. 132 - 139.

22. Loke, Y. Fabrication and characterization of silicon micromachined threshold accelerometers / Y.loke, G.H. McKinnon, M.J. Brett // Sensors and actuators», A -1991 -№29- p.241-250.

23. Zhang, Q. A new approach to convex corner compensation for anisotropic etching of (100) Si in KOH / Q. Zhang, L. Liu, Zh. Li // Sensors and actuators, A-1996-№56- p. 251 -254.

24. Marty, J. Fiber-optic accelerometer using silicon micromachining techniques / J. Marty, A. Malki, C. Renouf // Sensors and actuators, A 1991 - №25- 27 -p. 9 - 13.

25. Li, Y.X. SIMPLE A technique of silicon micromachining using plasma etching / Y.X. Li, P.J. French, P.M. Sarro // Sensors and actuators, A -1996 -№57 - p.223-232.

26. Wen, H. Ko A fiber optic reflective displacement micrometer / H. Ko. Wen, Kow-ming Chang, Gwo-Jen Hang //Sensors and actuators, A-1995-№49- p.51 -55.

27. Dzuiban, J. A. Silicon optical pressure sensor / J. A. Dzuiban, A. Goreska-Drzazga, U. Lipowicz // Sensors and actuators, A 1992 - №32 - p.628 - 631.

28. Libo, Y. Fiber-optic diaphragm pressure sensor with automatic intensity / Y. Libo// Sensors and actuators, A 1991 - №28 - p.29 - 33.

29. Marty, J. Fiber-optic accelerometer using silicon micromachining techniques / J.Marty, A. Malki, C. Renouf // Sensors and actuators», A 1995 -№46-47 -p. 470 -473.

30. Strandman, C. A production process of silicon elements for a fibre-optic pressure sensors / C. Strandman, L. Smith, L. Tenerz // Sensors and actuators», A 1997- №63 -p.69-74.

31. Lange, V. Static and dynamic characterization of Si membranes/ V. Lange, G. Higelin // Sensors and actuators, A 1995 - №46-47 - p.47 - 50.

32. Петерсен, К.Э. «Кремний как механический материал»/ К.Э. Петерсен // ТИИЭР, май 1982- т.70- с.5-49.

33. Li, X. Maskless etching of three-dimensional silicon structure in КОН / X. Li, M. Bao, S. Shen // Sensors and actuators, A 1996 - №57 - p. 47 - 52.

34. Tu, X.-Z. Vertical-membrane optical-fiber pressure sensor/X.-Z. Tu, J.N. Zemel // Sensors and actuators, A 1993 - №39 - p. 49-54.

35. Romanov, S.I. Characterization of porous silicon layers containing a buried oxide layer»/ S.I. Romanov, A.V. Dvurechenskii // Sensors and actuators, A -1993- №39 p. 49-54.

36. Shikida, M. Differences in anisotropic etching properties of KOH and TMAN solutions / M. Shikida, K. Sato, K. Tokoro // Sensors and actuators», A 2000 -№80- p. 179-188.

37. Черняев, B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров/ В.Н.Черняев М.: Радио и связь, 1987- 252 с.

38. Ning, Y.N. Fibre-optic interferometric systems using low-coherence light sources/ Y.N. Ning, K.T.V. Grattan, A.W. Palmer // Sensors and actuators», A -1993- №30- p. 181 192.

39. Butler, C. A novel non-contact sensor for surface topography measurement using a fiber optic principle/ C. Butler, G. Gregoriou // Sensors and actuators», A -1992- №31 p. 68-74.

40. Даниелян, Г. JI. Волоконно оптические датчики микроперемещений / Г. JI. Даниелян, Ю.Н. Федин // Приборы и системы управления. - 1998 -№8 - с. 23 - 26.

41. Gambling, W.A. Optical fiber for sensors/ W.A. Gambling // Sensors and actuators, A- 1991- №25-27- p. 191 196.

42. Peters, D. Integrated optics based on silicon oxinitride thin films deposited on silicon substrates for sensor applications/ D. Peters, K. Fischer, J. Muller // Sensors and actuators, A 1991 -№25 - 27 - p. 425 - 431.

43. Peters, D. Integrated optics based on silicon oxinitride thin films deposited on silicon substrates for sensor applications/ D. Peters, K. Fischer, J. Muller // Sensors and actuators, A 1991 - №25 - 27 - p. 425 - 431.

44. Маркузе, B.C. Оптические волноводы/В.С. Маркузе -М.: Мир,1974 58 с.

45. Клер, Ж.-Ж. Введение в интегральную оптику / Ж.-Ж. Клер М.: Советское радио, 1980 - 86 с.

46. Световоды с дискретной коррекцией для передачи информации / подред. А. Г. Мурадяна М.: Связь, 1975- 56 с.

47. Бутусов, М.М. Волоконно-оптические системы передачи / М. М. Бутусов, С. М Верник и др. М.: Радио и связь, 1992 - 320 с.

48. Мещеряков, В.А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов / В.А. Мещеряков, Т.И. Мурашкина, Е.А. Мурашкина // Датчики и системы 2001.- №9. - с. 14 - 18.

49. Справочник по основам инфракрасной техники / под ред. JI.3. Криксунова- М.: Советское радио, 1978 153 с.

50. Иванов, В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник / В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин М.: Энергоатомиздат, 1988 - 196 с.

51. Справочник. Полупроводниковые приборы. Высокочастотные диоды. Диоды импульсные.Оптоэлектронные приборы.//М.:Кубк, 1996 г.

52. Справочная книга по светотехнике. / под ред. Ю. Б. Айзенберга, М.: Энергоатомиздат, 1983 122 с.

53. Ишанин, Г.Г. Источники и приемники излучения. Учебник для ВУЗов./ Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, A.JI. Андреев / Санкт-Петербург, "Политехника", 1991 г.

54. Физический энциклопедический словарь. / A.M. Прохоров и др. под ред. A.M. Прохорова // М.: Советская энциклопедия, 1984 852 с.

55. Светотехника, источники света и технология их производства. //

56. Межвузовский сборник научных трудов, Саранск, 1990 г.

57. Свечников, C.B. Элементы оптоэлектроники /C.B. Свечников — М.: Советское радио, 1971 256 с.

58. Ишанин, Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов / Г.Г. Ишанин Л.: Машиностроение, 1986 - 175 с.

59. Павлов, А. В. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов/ A.B. Павлов, А.И. Черников М.: Энергия, 1972 - 240 с.

60. Пихтин, А.Н. Оптическая и квантовая электроника / А.Н. Пихтин -М.: Высшая школа, 2001 573 с.

61. Коган, JI.M. Полупроводниковые излучающие диоды / Л.М. Коган // М.: Энергоатомиздат, 1983 73 с.

62. Аксененко, М.Д. Приемники оптического излучения. Справочник./ М.Д. Аксененко, М.Л. Бараночников М.: Радио и связь, 1987- 296 с.

63. Ландау, Л.Д.Теория упругости/ Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц / М.: Высшая школа, 1977 - 373 с.

64. Лехницкий, С.Г. Анизотропные пластинки /С. Г. Лехницкий ОГИЗ, Гостехиздат,1947 - 208 с.

65. Гридчин, В. А. Проектирование кремниевых интегральных тензопреобразователей с квадратными упругими элементами/ В.А. Гридчин // Межвузовский сборник научных трудов «Полупроводниковые тензорезисторы» Новосибирск, НЭТИ, 1985 - с.97-108.

66. Гридчин, В.А. Физика микросистем», ч. 1/ В.А. Гридчин, В.П. Драгунов Новосибирск, НГТУ, 2004 - 415 с.

67. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник./И.А. Биргер: под ред. И.А. Биргера -М.: Машиностроение, 1968 831 с.

68. Гридчин, В.А. Пределы применимости модели малых прогибов тензопреобразователей мембранного типа / В.А. Гридчин, А.П. Лисофенко, С.А. Афанасьев // Межвузовский сборник научных трудов «Полупроводниковая тензометрия» Новосибирск, НЭТИ, 1988 - с. 71-76.

69. Лурье, С.А. Исследование достаточности условий существования разложений граничных условий функций по однородным решениям взадачах изгиба прямоугольных ортотропных пластин / С.А. М.: МАИ, 1983 - 46 с.

70. Kendall, D. L. Critical technologies for the micromachining of silicon / D. L. Kendall, С. B. Fleddermann, K. J. Malloy // Semiconductors and semimetals -1995- vol.37 c. 28-33

71. Krassow, H. Wafer level packaging of silicon pressure sensors/ H. Krassow, F. Campabadal, E. Lora-Tamayo // Sensors and actuators», A 2000 - № 82 -p. 229-233.

72. Walles G. Field assisted glass-metal sealing /G. Walles, D. I. Pomerantz // Journal of applied physics vol.40 - № 10- p.3946- 3949.

73. Zubel, I. Silicon anisotropic etching in alkaline I. The geometric description of figures developed under etching Si (100) in various solution / I. Zubel, I. Barycka // Sensors and actuators», A 1998 - №70 - p. 250 - 259.

74. Гудков, Ю.И. Применение микропроцессорных средств в устройствах на основе волоконно-оптических датчиков / Ю.И. Гудков, Зак Е.А // Измерительная техника — 1996- №12— с. 21-24.

75. Culshaw В. Fibre optic sensor: integration with micromachined devices / B. Culshaw // Sensors and actuators», A 1995 - №46 - 47 - p. 463 - 469.

76. Круглов, B.B. Волоконно-оптический датчик давления / В.В. Круглов, А.Г. Годнев // Приборы и системы управления 1993 - №5 - с. 25-26.

77. Круглов, В.В. , Бялик А.Д. Диффернциальный волоконно-оптический измеритель малых давлений/ В.В. Круглов, А.Д. Бялик // Тезисы Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» Новосибирск, 1998 - с. 43-45.

78. Kruglov, V.V. Fiber-optic transdusers of mechanical quantities / V. V. Kruglov, A.D. Byalik // Abstracts of the third Russian-Korean international symposium of science and technology (Korus'99)-Novosibirsk 1999 - vol. 2-p. 696.

79. Капании, M. Волоконная оптика» / M. Капани M.: Мир - 1967 - 186 с.

80. Даниелян, Г. JI. Многоканальные волоконно-оптические жгуты/ Г. JI. Даниелян, Ю.Н. Федин //Приборы и системы управления -1998 -№8-с.27-28.

81. Носов Ю.Р., Сидоров А.Н. «Оптроны и их применение» // Москва, «Радио и связь», 1981 г.

82. Бялик, А.Д. Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления/А. Д. Бялик // Сборник трудов НГТУ 2003 - №4- с. 159-164.

83. Гридчин, В.А. Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, использующих кремниевые мембранные чувствительные элементы /В.А. Гридчин, А. Д. Бялик// Приборы 2005 -№7 -с.25 -29.

84. Бялик, А.Д. Особенности преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа / А.Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и дальнего востока 2009. - №1 - с. 338-341.

85. Свидетельство на полезную модель 26652 РФ 7 G 01 L 11/02

86. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин / Бялик А.Д. (РФ). № 2002114123; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.12.2002-4 с.

87. Rogers, A. J. Intrinsic optical fibre current sensors / A. J. Rogers // Sensors review- 1994- vol. 18, 1 p.17-22.

88. Pinnock, R. A. Optical pressure and temperature sensors for aerospace applications / R. A. Pinnock//Sensors review 1994- vol. 18, 1 - p. 32-38.

89. Гридчин, В.А. Физические основы сенсорной электроники. Часть 1. Сенсоры механических величин: учебное пособие / В.А. Гридчин -Новосибирск: НГТУ, 1995 107 с.

90. Гридчин, В.А. Математическое моделирование мембранных чувствительных элементов амплитудных волоконно-оптических датчиков давления / В.А. Гридчин, А.Д. Бялик // Автометрия — 2005 том 41 - № 3 -с. 56-63.

91. Любимский, В.М. Проблемы проектирования интегральных тензопреобразователей давления на основе слоев поликристаллического кремния: Диссертация на соискание д-ра техн. наук: 05.27.01 НГТУ, Новосибирск, 2005 294 с.

92. Драгунов, В.П. Нелинейность упругих элементов микромеханических систем»/ В.П. Драгунов // Микросистемная техника 2004 - № 5 - с. 21-27.

93. Драгунов, В.П. Анализ прогибов полупроводниковых мембран в нелинейном приближении / В.П. Драгунов // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: материалы IX научно-технической конференции Москва, 2002 - с. 84 - 85.

94. Cockshott, С. P. Compensation of an optical fiber reflective sensor / C.P. Cockshott, S.J. Pacaud // Sensors and actuators», A 1989 - №17 - p. 167-171.

95. Peiner, E. A micromachined vibration sensor based on the control of power transmitted between optical fibres / E. Peiner, D. Scholz, A. Schlachetzki / / Sensors and actuators», A 1998 - №65 - p. 23-29.

96. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера, Практическое рукаводство/ А.Б.Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева М: Едиториал УРСС,2003 -272 с.

97. Чигарев, A.B. ANSYS для инженеров. Справочное пособие / A.B. Чигарев, A.C. Кравчук, А.Ф.Смалюк // М.: Машиностроение-1, 2004 512с.

98. Басов К.А. ANSYS Справочник пользователя / К.А. Басов // М.: ДМК Пресс, 2005 640с.

99. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки / С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер -М., 1963 -635 с.

100. Румшинский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство / Л.З. Румшинский // М.: Наука, 1971- 192 с.

101. Халилулин К.А. «Обработка результатов измерений» // Ленинград Механический институт, 1990 г.

102. ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми сигналами ГСП. Общие технические условия // ГК СССР по стандартам, М.: Изд-во стандартов, 1985 -25 с.

103. ГОСТ 28836-90 Датчики силоизмерительные тензорезистивные. Общие технические требования и методы испытаний // ГК СССР по управлению качеством продукции и стандартам, М.: Изд-во стандартов, 1990-30 с.

104. Алиев, Т.М. Измерительная техника / Т. М. Алиев, / A.A. Тер-Хачатуров М.: Высшая школа, 1991 - 384 с.

105. Круглов, В.В. Исследование характеристик ВОП давления, использующих волоконные ответвители / В.В. Круглов, А.Д. Бялик // Тезисы Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» Новосибирск, 1999 - с. 122 - 124.

106. Бялик, А.Д. Экспериментальное исследование передаточных амплитудных волоконно-оптических датчиков давления /А. Д. Бялик // Сборник трудов НГТУ 2004 - №1 - с.3-8.

107. Бялик, А.Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики как элементы систем управления и контроля в электроэнергетике / А.Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и дальнего востока 2008. - №1 - с. 278-282.

108. Бушев, В.В. Серия микроэлектронных датчиков давления МИДА / В.В. Бушев, В.М. Николайчук, В.М. Стучебников // Датчики и системы -2000-№1- с. 21-27.

109. Патент 2180100 РФ, 7 G 01 L 11/02. Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин / Бялик А.Д. (РФ). № 2000101105; заявл. 12.01.2000; опубл. 27.02.2002 - 6 с.

110. Ettouhami, A. Thermal buckling of silicon capacitive pressure sensor / A. Ettouhami, A. Essaid, N. Ouakrim // Sensors and actuators, A 1996 - №57 -p. 167-171.

111. Rosengren, L. A system for implantable pressure sensors/ L. Rosengren, P. Rangsten, Y.Backlund // Sensors and actuators, A 1994 - №43 - p. 55-58.

112. Tohyama, О. A fiber-optic microsensor for biomedical applications / O. Tohyama, M. Kohashi, K. Yamamoto //Sensors and actuators, A 1998 - №66 -p.150-154.

113. Xiao, Z. Diafragm deflection of silicon interferometer structures used as pressure sensors / Z. Xiao, O.Engstrom, N.Vidovic // Sensors and actuators, A— 1997-№58- p.99-107.

114. Raatikainen, P. Fiber-optic liquid-level sensor / P. Raatikainen, I. Kassamakov, R. Kakanakov // Sensors and actuators, A 1997- №58- p.93-97.

115. Dzuiban, J. A. Silicon optical pressure sensor / J. A. Dzuiban, A. Goreska-Drzazga, U. Lipowicz // ж-л «Sensors and actuators, A 1992 - №32 - p.628-631.

116. Zook, J. D. Fiber-optic vibration sensor based on frequency modulation of light-excited oscillators / J. D. Zook, W.R. Herb, C.J. Bassett // Sensors and actuators, A 2000 - №83 - p.270-276.

117. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах / B.C. Гутников // JL: Энергоатомиздат, 1988 -206 с.

118. Алексенко, А. Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем /

119. A. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб // М.: Радио и связь, 1985.

120. Карпов, В.И. Планирование контрольных испытаний на подтверждение средней наработки до отказа высоконадежных датчиков /

121. B.И. Карпов // Приборы и системы управления 1995 - №4 - с. 22-25.

122. Юткин, JI.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л.А. Юткин Л.; Машиностроение, 1986 - 253 с.

123. Драгунов В.П. Полупроводниковый датчик для измерения быстроменяющегося давления газа / В.П. Драгунов // Приборы и системы управления 1993 - № 5 - с.23-24.

124. Коптев, Ю.Н. Волоконно-оптические датчики космического базирования / Ю.Н. Коптев, A.B. Гориш // Радиотехника- 1995 №10 - с. 7-9.

125. Михайлов, П.Г. Пьезодатчики быстропеременных, импульсных и акустических давлений / П. Г. Михайлов, В.И. Бутов, Т.Н. Политменцева // Радиотехника- 1995- №10 с. 36-37.

126. Драгунов В.П. Физические основы и принципы проектирования интегральных полупроводниковых датчиков переменных давлений: Диссертация на соискание д-ра техн. наук: 05.27.01, 01.04.10 НГТУ, Новосибирск, 2005 495 с.