автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта

На правах рукописи

Звей Нэй Зо

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА

Специальность 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 я ДПР 2013

Москва-2013

005051849

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Системы автоматического и интеллектуального управления» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бусурин Владимир Игоревич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мельников Валерий Ефимович кандидат технических наук Лизунов Александр Александрович

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно-исследовательский

технологический институт «Техномаш»

Защита диссертации состоится «QQ » ¿трвЛЯ* 2013 г. в час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.125.01 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) «МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, ул. Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ».

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим отправлять по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, ул. Волоколамское шоссе, д. 4. Ученый совет МАИ.

Автореферат разослан « IJj » J-L(X.j)ffUX 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.01

кандидат технических наук, доцент ( ¿у ^ А. В. Корнеенкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы исследования. В последние годы наметилась тенденция развития и совершенствования оптических преобразователей. Они используются в тех случаях, когда определяющими являются малые размеры, масса и возможность работы при повышенных температурах, в условиях воздействия электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасных средах.

В частности, такие условия являются характерными для объектов авиационной и космической техники. Например, при разработке систем управления авиационными двигателями необходимо использовать данные о давлении в различных зонах, в которых высокая температура газов исключает использование полупроводниковых устройств. В настоящее время определение давления газовой среды внутри камеры сгорания осуществляется по косвенным признакам. Для приближения преобразователя к высокотемпературной области измерения возможно построение его оптических узлов на основе кварца. Известны оптические преобразователи с отражательной мембраной и принимающими и передающими волоконными световодами, в которых внешнее механическое воздействие (давление, сила), приводит к прогибу мембраны, и отраженное мембраной оптическое излучение перераспределяется на торце принимающего волоконного световода. Но чувствительность таких оптических преобразователей невелика. Чтобы повысить чувствительность, можно использовать преобразователи на основе управляемого оптического туннельного эффекта с переменным зазором между световодом и подвижной пластиной. Для измерения давления и силы целесообразно использовать преобразователи внешних воздействий на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина», выполненной из кварцевого стекла, что обеспечивает возможность работы при повышенных температурах. Вместе с тем отсутствует полное математическое описание взаимодействия оптического излучения с переменными нанозазорами в таких преобразователях, что не позволяет производить точный расчет их характеристик и параметров.

Поэтому разработка и исследование оптических преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, способных обеспечить получение достоверной информации о механических воздействиях, и их уточненных математических моделей, является актуальной задачей.

Целью работы является улучшение характеристик преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина», выполненных из кварцевого стекла и способных работать при повышенных температурах в составе систем автоматического управления авиационными двигателями.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- разработать и исследовать уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения

давления и силы;

- исследовать влияние конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта;

- произвести анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов на характеристики преобразователей на основе оптического туннельного эффекта и разработать методы их компенсации;

- исследовать возможность расширения диапазона измерения преобразователей давления и силы за счет введения обратных связей по положению воспринимающего элемента и исследовать их статические и динамические характеристики;

- провести экспериментальное исследование характеристик преобразователей на основе оптического туннельного эффекта;

- разработать методику расчета преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта.

Научная новизна работы:

- предложены уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, которые учитывают переменность нанозазора для различных точек контакта оптического излучения с модулируемой гранью призмы, что обеспечивает уменьшение погрешности расчетов характеристик преобразователей давления и силы;

- предложена новая структура преобразователя давления и силы, которая отличается введением дополнительной обратной связи по положению воспринимающего элемента, компенсирующей влияние изменения формы мембраны, что обеспечивает расширение диапазона измерения давления и силы;

- предложено новое решение, использующие температурные изменения свойств взаимосвязанных биметаллической и кварцевой мембран преобразователя на основе оптического туннельного эффекта, что позволяет производить измерение температуры в заданном диапазоне;

- методика расчета преобразователей давления и силы с оптическим туннельным эффектом основана на обеспечении заданного диапазона чувствительности, что приводит к реализации квазилинейной функции преобразования.

Методы исследования

При разработке математических моделей преобразователей внешних воздействии на основе оптического туннельного эффекта использовались основные положения волновой и геометрической оптики, применялись методы теории упругости, прикладной механики.

При исследовании характеристик преобразователей для измерения давления, сил, электрических напряжений, температуры использовались положения теории интегрального исчисления, чувствительности, погрешностей, методы численного анализа. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений и математическая обработка полученных результатов. Исследование моделей преобразователей производилось с применением программного пакета (МаЛСАО).

Основные положения, выносимые на защиту:

- уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, которые учитывают неравномерность прогиба мембраны при воздействии давления и силы и расходимость оптического излучения, что уменьшает погрешность расчетов характеристик преобразователей;

- обеспечение малой температурной погрешности за счет использования кварцевых элементов преобразователя и способы компенсации температурной погрешности;

- полезная модель преобразователя температуры на основе оптического туннельного эффекта и биметаллических воспринимающих элементов, обеспечивающих работу в заданном температурном диапазоне;

- результаты экспериментального исследования влияния электрического поля на оптическое туннелирование при использовании пьезоэлектрического элемента и структурную схему преобразователя электрических напряжений на основе оптического туннельного эффекта;

- обеспечение расширенного диапазона измерения преобразователя на основе оптического туннельного эффекта за счет введения обратной связи, компенсирующей влияние изменения формы мембраны;

- методика расчета преобразователей механических воздействий с оптическим туннельным эффектом, основанная на обеспечении заданного диапазона чувствительности.

Практическая ценность исследования

Использование полученных в работе уточненных математических моделей преобразователей на основе оптического туннельного эффекта позволяет повысить точность расчета их характеристик.

Показано, что преобразователи на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина», выполненные полностью из кварцевого стекла, способны работать при повышенных температурах (до 500 °С) с малой температурной погрешностью, что позволяет их использовать в системе автоматического управления авиационными газотурбинными двигателями в различных температурных зонах.

Результаты исследования влияния механических воздействий (давления, силы) и электрического напряжения на оптическое туннелирование в системе «призма-зазор-мембрана» и предложенное техническое решение преобразователя с компенсирующей обратной связью позволяют создавать преобразователи, отличающиеся расширенным диапазоном измерения.

Разработанная методика позволяет производить расчет основных параметров преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта с обеспечением заданного диапазона их чувствительности.

Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована соответствием полученных результатов известным, а также проведенными экспериментальными исследованиями.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в учебном процессе по дисциплине «Оптические и волоконно-оптические устройства и системы» кафедры «Системы автоматического и интеллектуального управления» МАИ. На основе результатов работы созданы 2 объекта интеллектуальной собственности, подтвержденные патентом на полезную модель и патентом на изобретение.

Апробация работы. Основные научные результаты исследований по теме диссертации докладывались на 17-ой, 18-ой и 19-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика » (МИЭТ, 2010, 2011, 2012 г.г.); Научной сессии НИЯУ МИФИ-2011 - Научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике (МИФИ, 2011); Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике (МИФИ, 2012); Х1Х-ом, ХХ-ом и ХХ1-ом международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2010, 2011, 2012 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных статьи в изданиях перечня ВАК, 10 публикаций в виде тезисов докладов на научных конференциях. Получен 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований, и одного приложения. Работа изложена на 172 страницах текста, содержит 93 рисунка и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, определены научная новизна и положения, выносимые на защиту, практическая ценность, достоверность научных положений, реализация результатов работы, даны сведения об апробации и структуре диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор методов и средств измерения давления р и силы /■" при повышенных температурах. Предложено использовать преобразователи давления р и силы Г на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина» выполненной полностью из кварцевого стекла, что обеспечивает возможность работы при повышенных температурах.

Исследована обобщенная структура и функция преобразования преобразователей на основе оптического туннельного эффекта (ОТЭ), определяющая зависимость мощности оптического излучения Рфп на фотоприемнике с учетом отражательной способности границы раздела сред «призма-воздух-мембрана» от зазора й между основанием призмы и мембраной, зависящего от приложенного к пластине внешнего воздействия (давления р, силы Г).

Подтверждены условия, что в первичном преобразователе показатели преломления призмы 1ц и мембраны могут быть одинаковыми и должны быть больше показателя преломления зазора п2, и в таком случае происходит полного внутреннего отражения (ПВО), а угол падения 0 должен быть в диапазоне агсБ 1 п(п2/п 1 )<0<я/2. Для эффективной модуляции величина зазора с1 между основанием призмы и пластиной должна быть меньше длины волны излучения л.

Показано, что для обеспечения максимального диапазона перемещений пластины необходимо, чтобы угол падения излучения был на несколько градусов больше минимального значения 0т;п, определяемого как втт=агсзт{п21п\). Для материала пластины - кварц и воздушной газовой среды между призмой и подвижной пластиной осевой угол падения излучения может быть равен 0=47°...49°.

Сформулированы частные задачи исследования, которые необходимо решить для разработки преобразователей давления и силы на оптическом туннельном эффекте.

Во второй главе приведена разработка и исследования уточненных математических моделей преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения давления и силы, которые учитывают неравномерность прогиба мембраны при воздействии давления и силы и расходимость оптического излучения, что уменьшает погрешность расчетов характеристик преобразователей.

Для определения суммарной мощности оптического излучения РФП произведен учет различной величины зазора для точек контакта оптического излучения с модулируемой гранью призмы (рис. 1).

ь^иембрана

прогиб мембраны оптическое пятно

ИИ

ФП

Рис.1. Общий вид места пересечения луча с гранью призмы С учетом отражательной способности границы раздела сред «призма-воздух-подвижная пластина» от зазора ё между основанием призмы и мембраной 11[(1(р, /■')]-/(с1) при создании источником излучения круглого оптического пятна радиусом г„ на перпендикулярной поверхности, зависящей от приложенного внешнего давления р или силы мощность оптического излучения РфП, достигающего фотоприемника, для точек контакта оптического излучения с модулируемой гранью призмы определяется как:

Азл((" ( ! )

Уфп =Е0.соъв | { Н(с1(г))-г-сЬ-11<р,

О

О

где

Л(</(г)) = 0,5

Фх 2± = агс'£

4/Т ! 1 "> Т 4,т ' ^ ехр(- — в - л-," ) + ехр( —</(/■)0-п~,~ ) + 2со$(^ )

4л" / т ^ 4я I *> ^

4/Т I т т т" 4л" I т ~

47т I о у Т 4т I *>

ехр(- —в - п.,- ) + ехр(—Лтоу/^-зт-^-и-,- )+2со5(0р[ , + Ф-,^ ^

2Н| со 51П- (2 - н^

^ С05~ в - вт- 0 + я'

2 со $ 0 ^п/ Б 1 п

¿р. , = агс1Я

' ' п ' • 1 п

/7 ^ С О Б ~ У - /7Г 0 + 77

2А7| СО Б 0^77^ Б!!!" (? - 71^

-V . 2 л-"Г!1 +

Г ^ Я + 77 ± ;

— 1

СОБ2 (3 - ( П? МП2 в - \

, 2 |„2! I 1 2 7

{"2 1 М 2 '

Щ<1(г)) - отражательная способность, зависящая от зазора с1(г), с1(г) = с10-™(р, Г, г), с!о - начальный зазор,п'(р) - прогиб мембраны от приложенного давленияр или силы .1-. ; , , , , /?м - радиус

\6 E-h ■«

8.Т•/:•/! ' Л 16,тЛ'/7 ' м

мембраны, - толщина мембраны, г - текущий радиус, Е - модуль упругости материала, /и - коэффициент Пуассона, рш(<р) - граница эллиптической области д,(<р}=ъ■ Ь\/(Ь2• ссе^о)-а:• ап>), <Р - полярные угол координат эллиптической области, а,Ь - полуоси эллипса (Ь=гсв, а=гск/со$0), Е0 . освещенность условной перпендикулярной поверхности [Е„=Рт1т1-ГРш - оптическая мощность источника излучения,

Получены зависимости мощности отраженного излучения Рфи от измеряемого давления р при переменных углах падения излучения в при использовании параметров: /?м=0,5мм, /?м= 1,5мм (рис. 2, а) и от измеряемой силы при: /7М=0,43мм, /?м=5мм (рис. 2, б). При этом конструктивные параметры мембраны (Лм, Лм) выбраны с учетом начального зазора и прогиба мембраны около одного микрометра под действием давления и силы.

АК мВт

0-5

_ 44 —

ч 1—

\ Чч— —

V» V*

1

р_МПа

0,4 0.6

ЯЛ

а) б)

Рис. 2. Зависимость мощности оптического излучения />ФП при вибрации угла падения излучения 0, РИц=1мВт, /*са=0,2мм, с/0=1мкм, «1=1,54 (кварц), п2=\ (воздух), /=\ ,3мкм: а) от давления р; б) от силы ^

Определено, что при выбранных конструктивных параметрах диапазон измеряемых давлений составляет до ЮМПа, а измеряемых сил до 1Н.

Определено, что в первичном преобразователе .. с одинаковыми показателями преломления п{ и больше показателя преломление п2 и углом падения в между агсз1п(пг1>1\) и тс/2 чувствительность к перемещению пластины в диапазоне меньше длины волны излучения А увеличивается с увеличением угла в падения оптического излучения. При уменьшении длины волны Л. оптического излучения чувствительность первичного преобразователя к перемещению пластины увеличивается, что следует учитывать при выборе источника излучения.

При исследовании влияния переменности прогиба мембраны под воздействием давления и силы на функцию преобразования преобразователей давления р и силы /-" на основе оптического туннельного эффекта определена погрешность расчетов мощности оптического излучения Рфп уточн с учетом предложенной уточненной математической модели по сравнению с приближенной моделью для мощности оптического излучения РФП прибл при разных параметрах преобразователя /?м, йм, с1 и гсв. Показано, что при больших диапазонах измеряемых давлений и сил погрешность заметно увеличивается, и необходимо использовать уточненную математическую модель. Уменьшение толщины мембраны Ам и начального зазора с]п, увеличение радиуса мембраны /?м приводится к уменьшению диапазона измерения и к увеличению погрешности расчетов, проводимых по приближенной модели Рфп при5л по сравнению уточненной Рфп уточн-

Определено, что величина радиуса гсв круглого оптического пятна сильно влияет при моделировании на характеристики оптических преобразователей давления и силы. Показано, что погрешность расчетов функции преобразования значительно уменьшается при использовании уточненной математической модели (рис. 3).

а) б)

Рис.3. Зависимость погрешности расчетов для Лип уточн по сравнению с 1Л при гсв=\>аг, Ам=0,5мм, /?м= 1,5мм: а) от давления; б) от силы

ФП приб.

При расчете величины погрешности между Рфп уточи и РфП прж>л определено, что только на начальном участке диапазона измеряемых давлений и сил возможно использование как уточненной, так и приближенной моделей.

В третьей главе проведен анализ влияния дестабилизирующих факторов на характеристики преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, включающих влияние изготовления конструктивных параметров и влияние температуры, и разработка методов их компенсации.

Исследовано влияние погрешностей изготовления конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы, происходящих из-за изменений начального зазора с!0, угла падения в, радиуса и толщины мембраны Ам. Уменьшение угла падения излучения и изменения зазора, вызванные увеличением толщины мембраны, приведет к незначительному уменьшению погрешности преобразователей.

При влиянии температуры величина зазора а между призмой и мембраной не только зависит от прогиба мембраны под действием давления и силы, но также зависит от температурного расширения пленки, обеспечивающей начальный зазор а0. Для случая малых перемещений прогиб мембраны и» в свою очередь зависит от конструктивных параметров (радиуса мембраны Ям, текущего радиуса г и толщины мембраны /;м). Однако деформация мембраны также зависит от воздействия температуры, которая влияет на модуль упругости материала Е(Т) и коэффициент Пуассона ¡и(Т). В таком случае зазор ё между призмой и мембраной определится как:

(1(р, Т)= (¡о + А<1(Т) - и- (р, Е, Т), (2)

где ла(Т)=ТКЕ(Т-Т„)а0 - температурное изменение расстояния между призмой и мембраной, ТКЕ - температурный коэффициент линейного расширения материала; Т - температура окружающей среды.

Получено, что при увеличении температуры, прогиб мембраны уменьшается, а начальный зазор а0 между призмой и мембраной увеличивается, т. е. приводит к увеличению величины изменения зазора а (рис. 4).

с1(773К)-<1(273К) при р=10МПа

а

<1(773К)-а(2731С) при р=5МПа

I

а(373К)-<1('273К) при р=10МПа Ч

а(373К)-с!(273Е) при р=5МПа

Рис.4. Абсолютная погрешность величины зазора при вариациях давления и температуры Следует, что мощность оптического излучения Рфп несколько увеличивается при увеличении температуры, т.е. приводит к появлению температурной погрешности преобразователя давления. Причем, некоторому значению мощности Ли| соответствует набор давлений р или силы /*" и температур Т. Поэтому для определения давления р или силы в заданной точке необходимо знать, при какой температуре Т производилось измерение давления р или силы Р. Для этого необходимо дополнительно измерять температуру и передавать данные о температуре на блок обработки. Данные о зависимости

выходной мощности от давления р или силы Г в определенных температурных диапазонах ЛТ, могут быть записаны в запоминающем устройстве. Выходной код давления р или силы Г, измеряемого преобразователем, определяет набор ячеек, а адрес конкретной ячейки выбирается по результатам измерения температуры Т преобразователем температуры и сопоставлению с температурным диапазоном ЛТ,. В результате получим информацию об измеряемом давлении р или силе /•" с учетом определенной температуры Т окружающей среды.

При использовании верхнего закрепления мембраны и дополнительной прокладки с температурным коэффициентом линейного расширения ТКЕ ~ 1,2 10"6 К"1 температурная погрешность мощности оптического излучения Рфи составит 0,2% в диапазоне /?=0..10МПа и 7~=273....773К, т.е. дополнительная температурная погрешность уменьшится более чем в 2 раза. При этом зазор между призмой и мембраной будет равен:

^ Т) =с/0 + (Т) - ЫдпСО - м<р, Т), (3)

где Айкп(Т) - температурное линейное расширение дополнительной прокладки.

При исследовании температурного изменения свойств взаимосвязанных биметаллической и кварцевой мембран с системой «призма-зазор-мембраны» предложено новое решение для построения преобразователя температуры, основанного на принципе ОТЭ, что позволяет производить измерение температуры в заданном диапазоне. Преобразователь температуры на основе ОТЭ (рис. 5) содержит источник оптического излучения 1, первичный преобразователь (ПП) 3, включающий призму полного внутреннего отражения 7, отражательную мембрану 9 и прокладку 8, расположенную между ними, приемник оптического излучения, а также световоды 2 и 4, соединяющие источник и приемник оптического излучения 5, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, блок обработки информации б, преобразующий электрический сигнал приемника оптического излучения в измеренное значение температуры. На внешней поверхности мембраны установлена пластина из биметаллического сплава 10.

Рис.5. Структурная схема преобразователя температуры на основе ОТЭ

с биметаллическим воспринимающим элементом В таком преобразователе зазор с1 между призмой и мембранами -биметаллической и кварцевой определится как:

с/(Т) = ¿о- Д>(Т), (4)

где Трго - прогиб центра мембраны.

При наличии двух мембран - биметаллической и кварцевой -одинакового радиуса с одновременным воздействием температуры Т и противодействующей силы Т7 прогиб центра мембраны определится как:

/■Л-/:.(Г-70).2.4(/,2 •¿■6им>-^.<1-/'2> (5)

_РИМ_

Р<Т>" Л 16л- /;3

м м

где А6им - толщина биметаллической мембраны, Е5им - модуль упругости биметаллической мембраны.

Следовательно, отражательная способность преобразователя, зависящая от зазора й(Т), является функцией конструктивных параметров и температуры: Ят = / (Г, >71, п2, из, А в, с!,,). В результате получим мощность оптического излучения РФП т преобразователя на основе оптического туннельного эффекта, достигающего фотоприемника, которая является функцией температуры Р<ъп т =

ЛТ).

В четвертой главе предложена структура и исследованы характеристики преобразователя на основе оптического туннельного эффекта, обеспечивающего расширение диапазона измерения давления и силы за счет введения обратной связи по положению воспринимающего элемента, компенсирующей влияние изменения формы мембраны, и предложена методика расчета преобразователей давления и силы.

В преобразователе давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном измерения предлагается соединение воспринимающей мембраны с дополнительной прокладкой, представляющей собой пьезокерамический актюатор, на который подается напряжение по цепи обратной связи (ОС) (рис. 6). Выходное напряжение £/вых , поступая по каналу ОС на пьезоактюатор, за счет обратного пьезоэлектрического эффекта изменяет линейный размер пьезоактюатора, что приводит к изменению зазора (I в зоне контакта оптического излучения со структурой «призма-воздушный зазор-мембрана». В результате отражательная способность /?/с!((УВых)7 структуры «призма-воздушный зазор-мембрана» становится функцией выходного напряжения. В случае отрицательной ОС, действие цепи ОС приводит к расширению диапазона измерения давления. Изменение параметров цепи ОС позволяет настраивать диапазон измерения преобразователя давления на основе ОТЭ.

Р

Рис.6. Преобразователь давления на основе ОТЭ с расширением диапазоном измерения: 1- источник излучения, 2 - фотоприемник, 3 -преобразователь «ток-напряжение», 4- усилитель напряжения, 5 - призма полного внутреннего отражения,«? - пьезоактюатор, 7 - мембрана

Величина зазора структуры «призма-воздушный зазор-мембрана» такого преобразователя определяется начальным зазором d,h прогибом мембраны под воздействием давления wjp) и изменением зазора за счет действия цепи ОС Ad(lfUBbl%):

dip, UBbJ=do-wJp)+Ado(l/BbJ. (6)

Зависимость выходного напряжения преобразователя £/вых от давления с учетом суммарных потерь кп может быть представлена следующим образом:

' Л,и ' ^п

где R[d(p,UBUJJ - отражательная способность структуры «призма-воздушный зазор-мембрана», зависящая от зазора d, Rw - резистор преобразователя «ток-напряжение».

Структурная схема преобразователя давления на основе ОТЭ с ОС включает в себя (рис. 7): ЧЭ - чувствительный элемент преобразователя -мембрана, преобразующая давление р в перемещение dp\ ПЭ — пьезоэлектрический элемент (пьезоактюатор), преобразующий напряжение, поступающее по цепи ОС в перемещение du ; M(R) - структура «призма-воздушный зазор-мембрана», преобразующая мощность оптического излучения Лии в мощность излучения, регистрируемую фотоприемником (фотодиодом) Лмъ с учетом отражательной способности R, которая зависит от величины зазора

dp1-и- преобразователь «ток-напряжение», преобразующий ток фотодиода /фд

усилитель напряжения обратной связи.

■tpi

в выходное напряжение 1/вых; УСщос) -

ЧЭ

Рии

с/о d?u

M(R)

Рфп

ФД

(к

/фд

I-U

ПЭ и ос

LrBbEC(p)

Рис.7. Структурная схема преобразователя давления с обратной связью

Результаты моделирования функции преобразования преобразователя давления на основе ОТЭ с отрицательной ОС приведены на рисунке 8 для следующих значений параметров функциональных звеньев: ,Рии=10мВт; ¿д=0,35мкм; АФД =0,4 А/Вт; км(р)= 5,,од>,, =0,5-(Д/?л.+ AR\\У^d1; кх.

и=1кОм. Из графиков видно, что введение отрицательной ОС и увеличение коэффициента усиления куСа в цепи ОС приводит к расширению диапазона измерения давления. Используя пьезоактюатор с большим коэффициентом преобразования кпъезо, можно добиться увеличения диапазона измерения давления более, чем в 10, по сравнению с преобразователем без ОС.

а) б)

Рис.8. Зависимость выходного напряжения преобразователя давления на основе ОТЭ с ОС: а) при £т,езо=1' Ю~9м/В и кУСи=уаг, б) при АуСц=50 и кпъезо=уаг Проведено теоретическое и экспериментальное исследование кварцевого преобразователя на основе ОТЭ с плоскопараллельным зазором, управляемым с помощью электрического напряжения, и экспериментально определены величины управляющих электрических напряжений, прикладываемых к кольцевой пьезоэлектрической прокладке, для управления оптическим лучом в системе «призма полного внутреннего отражения -пластина».

Для экспериментальной проверки функции преобразования величины зазора в изменение оптической мощности при нарушении полного внутреннего отражения была использован преобразователь, в котором вместо гибкой мембраны использовалась плоскопараллельная пластина (диск), также изготовленная из плавленого кварца (рис. 9). Для регулирования зазора в качестве одного из элементов конструкции применялся пьезопакет. Коллимирующие устройства, в которых применялись градиентные линзы, устанавливались перпендикулярно катетным граням призмы. Для экспериментального исследования в качестве источника оптической мощности использовался модуль, работающий в режиме генерации излучения с длиной волны 1.31 мкм. Значение оптической мощности на входе преобразователя составило 1.7 мкВт. Электрическое напряжение поступало на преобразователь от

призма полного внутреннего отражения. 2- подвижный диск. 3- пьезопакет, 4-коллимирующее устройство. 5- волоконный световод

В первичном преобразователе электрического напряжения величина зазора (У определяется толщиной пьезопакета, которая зависит от электрического напряжения и, подаваемого на пьезопакет. В случае монотонного изменения напряжения ¡7, подаваемого на пьезопакет, зависимость величины зазора от напряжения можно задать кусочно-линейной функцией:

\а(и ~и0) при и > Ип с! = <

[О при и < Ьт0 ^ ^

где а - чувствительность пьезопакета, (У0 - напряжение, которому соответствует нулевая величина зазора.

В таком случае с учетом отражательной способности преобразователя, зависящая от изменения зазора с1(а(и-110)), функция преобразования преобразователя электрического напряжения, определяемая как зависимость мощности выходного оптического излучения Рфп от электрического напряжения, с учетом суммарных потерь кп может быть представлена следующим образом:

[/>0-Ап-Л[ф-С/0)] при и>и0

О . при I] < иа

(9)

где Р0- оптическая мощность, поступающая на вход преобразователя.

Рис.10. Функция преобразования ПП электрического напряжения (квадратные маркеры - эксперимент, сплошная линия - расчетная кривая)

Предложена методика определения конструктивных параметров преобразователей основана на обеспечении работы в заданном диапазоне чувствительности и обеспечивает реализацию требуемого диапазона измерения давления и силы. При этом для получения функции преобразования на квазилинейном участке необходимо выбрать диапазон изменения зазора с помощью отклонения толщины и радиуса мембраны от номинальных значений.

Функция преобразования преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта (рис. 11) с учетом уточненной математической модели для определения мощности оптического излучения Лип может быть представлена в виде:

Г 2 л- V

^ных(р)= Е^в | [ К(<1(г))-г-Фс1<р -5ФЛ-А:,и-К,

О о ,1

где 5ФД-чувствительность фотоприемника, А/Вт;

А',_и- коэффициент преобразователя ток-напряжение; КБО- коэффициент преобразования блока обработки.

(Ю)

Источник излучения

Первичный 1'" ' Фото ил —»{ Преобразователь — Блок обработки

преобразователь! диод ток-напряжекие

С :вы>; (р)

Рис. 11. Структурная схема преобразователя давления на основе ОТЭ

Для определения диапазона изменения зазора с1 предлагается производить анализ изменения чувствительности преобразователя:

л_ Д(</(г)+А</)-/г(Л(г)) . (П)

Ас! (г)

и определять участок, на котором чувствительность уменьшается не более, чем в п раз от максимального значения, т.е. до 5=5макс/« , например, в 2 раза (рис. 12).

О 2*1СГ7 4- 10' 7 6-10'"7 8x10- 7

г/, м

Рис. 12. Чувствительность отражательной способности Я сред к зазору при в=\>аг и Я= 1,3мкм

С учетом обеспечения заданного диапазона перемещений мембраны выбираются параметры мембраны (например, Лм=1,5мм и /гм=0,745мм), и определяются зависимости выходной мощности оптического излучения />ФП и выходного напряжения С/цыхад от давления при условии 5=5макс/2, при воздействии /?=0... 1 ОМПа, 0=51°, Д=1,3мкм, Рии=10мВт, 5ФД=0,4А/Вт, Кос= 1 кОм и ¿/=0,05мкм-0,35мкм (рис. 13). При этом преобразователь «ток-напряжение» реализован на операционном усилителе (ОУ) (/ч„и / Лид=^ос> где —

резистор в цепи по обратной связи ОУ): блок обработки обеспечивает нормирование выходного сигнала.

а) б)

Рис.13. Зависимость мощности оптического излучения РФи (а) и выходного напряжения 1/Вых(Р) (б) от давления р=0... ЮМПа

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

В результате выполнения данной диссертационной работы получены следующие основные научные результаты.

1. Разработаны уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения давления и силы, которые учитывают переменность нанозазора для различных точек контакта оптического излучения с модулируемой гранью призмы, обеспечивающие уменьшение погрешности расчетов характеристик преобразователей давления и силы.

2. Исследовано влияние конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта и определены погрешности расчетов мощности оптического излучения РФП уточн с учетом предложенной уточненной математической модели по сравнению с приближенной моделью для мощности оптического излучения РФП пРибя, определяющей приближенно по центральному лучу источника излучения с учетом допущения постоянства зазора.

3. Исследовано влияние температуры на характеристики преобразователей на основе оптического туннельного эффекта и определены величины дополнительной температурной погрешности, которая уменьшена за счет использования кварцевых элементов преобразователя, и предложены способы компенсации дополнительной температурной погрешности.

4. Предложена полезная модель преобразователя температуры на основе оптического туннельного эффекта и биметаллических воспринимающих элементов, обеспечивающего работу в заданном температурном диапазоне при исследовании взаимодействие биметаллических воспринимающих элементов с системой «призма-зазор-мембрана».

5. Экспериментально исследовано влияние электрического поля на оптическое туннелирование при использовании пьезоэлектрического элемента и

предложена структурная схема преобразователя электрических напряжений на основе оптического туннельного эффекта.

6. Разработана структурная схема преобразователя, обеспечивающего расширение диапазона измерения давления и силы за счет введения обратной связи по положению воспринимающего элемента, компенсирующей влияния изменение формы мембраны.

7. Предложена методика расчета конструктивных параметров преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, основанная на работе в заданном диапазоне чувствительности, которая обеспечивает реализацию требуемого диапазона измерения давления и силы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Бусурин В. И., Шток К. В., Звей Нэй Зо. Преобразователи давления и силы на основе оптического туннельного эффекта // Приборы. 2010. № 2. с. 1-5.

2. Бусурин В.И., Казарьян A.B., Чижов B.C., Звей Нэй Зо. Исследование характеристик преобразователей электрического напряжения и температуры на основе оптического туннелирования // Мехатроника, Автоматизация, Управления. 2011. № 12. с. 40^4.

3. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Моделирование и компенсация температурной погрешности преобразователя давления на основе оптического туннелирования // Вестник МАИ, 2012, № 1, с. 149-156.

4. Бусурин В.И., Казарьян A.B., Жеглов М.А., Звей Нэй Зо. Моделирование преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с настраиваемым диапазоном измерения // Вестник МАИ, 2012. № 4, с. 128-133.

Другие публикации автора:

5. Звей Нэй Зо. Моделирование преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта // 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», 28 - 30 апреля 2010 г. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2010.-е. 116.

6. Бусурин В.И., Гуськова Е.А., Звей Нэй Зо. Компенсация температурной погрешности преобразователя давления на основе оптического туннелирования // 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2011». 19-21 апреля 2011 г. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2011. - с. 102.

7. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Нгуен Зуй Динь. Анализ характеристик преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном // 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012». 18-20 апреля 2012 г. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2012.-с. 94.

8. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Огурцова A.A. Компенсация температурной погрешности преобразователя давления на основе оптического туннелирования // Научная сессия НИЯУ МИФИ-201 1. Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике. 26-28 января 2011 г. Тезисы докладов. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011-е. 32-33.

9. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Дворникова О.Д., Мищенко O.A. Исследование математической модели преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта // Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике. 25 января - 27 января 2012 г. Тезисы докладов. М.: НИЯУ МИФИ, 2012-е. 134-135.

10. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Преобразователь внешних воздействий на основе оптического туннельного эффекта //Труды XIX-ого международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 18-24 сентября 2010 г. - с. 223-224.

11. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Преобразователь температуры на основе оптического туннелирования //Труды ХХ-ого международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 18-24 сентября 2011 г. Изд-во Пензенского ГУ, 2011. - с. 235-236.

12. Бусурин В.И., Казарьян A.B., Звей Нэй Зо. Преобразовтель электрического напряжения на основе оптического туннелирования //Труды XXI-oro международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 18-24 сентября 2012 г, - М.: Изд-во ГУП Академиздат центр "Наука" РАН, 2012.-с. 145.

13. Бусурин В.И., Шток К.В., Звей Нэй Зо, Гладышев А.И. Моделирование информационных преобразователей на основе оптического туннельного эффекта // Всероссийская конференция «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации», 1-5 декабря 2009 г., Ульяновск, УлГТУ, 2009. - т. 2, с. 509-513.

14. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Моделирование процесса излучения в преобразователе давления на основе оптического туннельного эффекта // Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов Девятой международной конференции « Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22-23.04.2010, Санкт-Петербург, Россия, 2010. - т. 3, с. 233-235.

Патенты:

15. Патент на полезную модель №111643 «Преобразователь температуры на основе оптического туннельного эффекта» от 20 декабря 2011 г., Б.И. №35. (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Звей Нэй Зо, Казарьян A.B.).

16. Патент на изобретение №2456563 «Волоконно-оптический преобразователь давления с динамически настраиваемым диапазоном» от 20 июля 2012, Б.И. №20. (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Коробков В.В., Звей Нэй Зо).

Подписано в печать 18 . О*}. . Формат 60x84

Тираж 100 экз. Отпечатано в московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4. http://vvww.mai.ru//

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОНННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

04201355220

Звей Нэй Зо

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.И. Бусурин

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...........................................5

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ...........................................14

1.1 Микромеханические преобразователи давления и силы..................................................14

1.2 Оптические преобразователи внешних воздействий.........................................................28

1.2.1 Оценка применения оптических преобразователей.................................................28

1.2.2 Оптические преобразователи для измерения давления и силы...............................29

1.3 Постановка частных задач исследования...........................................................................34

1.3.1 Обобщенная структурная схема и функция преобразования преобразователей на основе оптического туннельного эффекта..........................................................................34

1.3.2 Зависимость отражательной способности сред от расстояния между центром мембраны и основанием призмы.........................................................................................36

1.3.3 Частные задачи исследования.....................................................................................41

Выводы...................................................................................................................43

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ УТОЧНЕННЫХ МЕАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ..........................................................................................44

2.1 Разработка уточненной математической модели преобразователей давления на основе оптического туннельного эффекта, учитывающей переменность прогиба мембраны........44

2.2 Исследование влияния прогиба переменности мембраны при воздействии давления на функцию преобразования...........................................................................................................53

2.3 Разработка уточненной математической модели преобразователей силы на основе оптического туннельного эффекта............................................................................................61

2.4 Исследование влияния прогиба переменности мембраны при воздействии силы на функцию преобразования...........................................................................................................69

2.5 Анализ чувствительности преобразования к изменению зазора......................................76

Выводы...................................................................................................................80

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ

ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ PIX КОМПЕНСАЦИИ...........................................................................................81

3.1 Исследование влияния погрешностей изготовления конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы...............................................................81

3.2 Исследование влияния температуры на функцию преобразования преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта и компенсация дополнительной температурной погрешности.........................................................................87

3.3 Исследование влияния электрического поля на пьезоэлектрический элемент для управления зазором преобразователя на основе оптического туннельного эффекта..........96

3.3.1 Исследование влияния электрического поля на пьезоэлектрический элемент.....96

3.3.2 Управление преобразователем на основе оптического туннельного эффекта с помощью электрического напряжения.............................................................................100

3.4 Исследование взаимодействия биметаллических воспринимающих элементов с системой «призма-зазор-мембрана» для построения преобразователя температуры........102

Выводы.................................................................................................................108

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЯ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ..................................109

4.1 Функция преобразования преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта................................................................................................................109

4.2 Обеспечение расширенного диапазона измерения преобразователем давления на основе оптического туннельного эффекта..............................................................................111

4.3 Моделирование статических характеристик преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном измерения......................113

4.4 Моделирование динамических характеристик преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном измерения......................115

4.5 Экспериментальное исследование характеристик преобразователей электрического напряжения и температуры на основе оптического туннельного эффекта.........................120

4.5.1 Экспериментальное исследование характеристик преобразователей электрического напряжения...............................................................................................120

4.5.2 Температурная чувствительность преобразователя...............................................127

4.6 Методика расчета преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для

измерения давления и силы......................................................................................................130

3

4.6.1 Выбор источника излучения с обеспечением стабилизации оптической излучаемой мощности.........................................................................................................130

4.6.2 Выбор фотоприемника...............................................................................................131

4.6.3 Расчет конструктивных параметров мембраны для обеспечения требуемого диапазона измерения давления и силы.............................................................................132

4.6.4 Расчет чувствительности преобразования для обеспечения квазилинейного участка..................................................................................................................................137

4.6.5 Этапы построения преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения давления и силы.........................................................................................143

Выводы.................................................................................................................151

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................................................153

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................164

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПП - первичный преобразователь,

ФП - фотоприемник,

ИИ - источник излучения,

БО - блок обработки

1-11 - преобразователь «ток-напряжение»

ОТЭ - оптический туннельный эффект

ПВО - полное внутреннее отражение

ОС - отрицательная связь

ООС - отрицательная обратная связь

ОУ - операционный усилитель

п - показатель преломления

в - угол падения излучения

X - длина волны оптического излечения

б/ - зазор между основанием призмы и мембраной

¿/0 - требуемый начальный зазор между основной призмой и мембраной РФП - мощность оптического излучения, достигающая фотоприемника Рии _ оптическая мощность источника излучения кп - суммарный коэффициент потерь Я - отражательная способность

|(а0 - отражательные способности границы сред для

перпендикулярно и параллельно поляризованной волны с переменным зазором (I

(р±// - фаза волны при отражении от раздела сред р - давление Е - сила

"и> - прогиб мембраны ИМ- толщина мембраны ЯМ- радиус мембраны

г - текущий радиус мембраны Рэп^ф) ~ граница эллиптической области (р - полярный угол координат области

Ео~ освещенность условной перпендикулярной поверхности гсв - радиус круглого оптического пятна Е - модуль упругости материала ¡л - коэффициент Пуассона

чувствительность Ас1$ — изменение начального зазора

Ас1(Т) - температурное изменение расстояния между призмой и мембраной

ТКЕ -температурный коэффициент линейного расширения материала

Т- температура окружающей среды

¿/31 - пьезоэлектрический коэффициент деформации

I - длина пьезоэлектрического преобразователя

АЬ - изменение длины пьезоэлектрического преобразователя

ивх - измеряемое входное напряжение

Ъ - ширина пьезоэлектрического преобразователя

а - чувствительность пьезопакета

*т(бим) - изменение перемещения центра круглой биметаллической пластинки при влиянии температуры

^(бим) - перемещение центра круглой биметаллической пластинки при воздействии противодействующей силы

хР(м) - перемещение центра круглой мембраны при воздействии противодействующей силы

- противодействующая сила к - коэффициент передачи 5 - оператор Лапласа с - жесткость мембраны /т: - частота полосы пропускания /рез- резонансная частота.

ВВЕДЕНИЕ

Для реализации задач создания высокоэффективных информационно-измерительных систем управления и контроля требуется создание широкой номенклатуры измерительной аппаратуры с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Отличия технических требований к измерительной аппаратуре авиационных систем привели к тому, что, начиная с 1980-х годов более 90% измерительной аппаратуры было разработано вновь, при этом понадобилось резко изменить традиционные подходы к конструированию и технологии изготовления измерительной аппаратуры.

Функционально измерительная аппаратура (датчик, преобразователь) играет роль основного информативного элемента о контролируемом или измеряемом физическом параметре. На объекте он подвергается одновременному воздействию большого количества дестабилизирующих факторов, которые, если не принять определенных мер, искажают истинную информацию о поведении объекта.

Основными требованиями, предъявляемыми к современным общепромышленным преобразователям, являются: высокая стабильность характеристик во времени, высокая надежность, работоспособность в жестких условиях эксплуатации, высокая точность (малые основная и дополнительная - в основном, температурная - погрешности), минимальная трудоемкость производства. Основные дестабилизирующие факторы (температура и вибрация) на изделиях авиационной техники в 3-5 раз превышают соответствующие значения на изделиях других отраслей [1].

Актуальность темы исследования. В последние годы наметилась тенденция развития и совершенствования оптических преобразователей. Они используются в тех случаях, когда определяющими являются малые размеры, масса и возможность работы при повышенных температурах, в условиях воздействия электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасных средах.

В частности, такие условия являются характерными для объектов авиационной и космической техники. Например, при разработке систем управления авиационными двигателями необходимо использовать данные о давлении в различных зонах, в которых высокая температура газов исключает использование полупроводниковых устройств. В настоящее время определение давления газовой среды внутри камеры сгорания осуществляется по косвенным признакам. Для приближения преобразователя к высокотемпературной области измерения возможно построение его оптических узлов на основе кварца. Известны оптические преобразователи с отражательной мембраной и принимающими и передающими волоконными световодами, в которых внешнее механическое воздействие (давление, сила), приводит к прогибу мембраны, и отраженное мембраной оптическое излучение перераспределяется на торце принимающего волоконного световода. Но чувствительность таких оптических преобразователей невелика. Чтобы повысить чувствительность, можно использовать преобразователи на основе управляемого оптического туннельного эффекта с переменным зазором между световодом и подвижной пластиной. Для измерения давления и силы целесообразно использовать преобразователи внешних воздействий на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина», выполненной из кварцевого стекла, что обеспечивает возможность работы при повышенных температурах. Вместе с тем отсутствует полное математическое описание взаимодействия оптического излучения с переменными нанозазорами в таких преобразователях, что не позволяет производить точный расчет их характеристик и параметров.

Поэтому разработка и исследование оптических преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, способных обеспечить получение достоверной информации о механических воздействиях, и их уточненных математических моделей, является актуальной задачей.

Целью работы является улучшение характеристик преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта в системе «призма полного внутреннего отражения - пластина», выполненных из кварцевого стекла и способных работать при повышенных температурах в составе систем автоматического управления авиационными двигателями.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- разработать и исследовать уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения давления и силы;

- исследовать влияние конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта;

- произвести анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов на характеристики преобразователей на основе оптического туннельного эффекта и разработать методы их компенсации;

- исследовать возможность расширения диапазона измерения преобразователей давления и силы за счет введения обратных связей по положению воспринимающего элемента и исследовать их статические и динамические характеристики;

- провести экспериментальное исследование характеристик преобразователей на основе оптического туннельного эффекта;

- разработать методику расчета преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта.

Научная новизна работы:

- предложены уточненные математические модели преобразователей на основе оптического туннельного эффекта, которые учитывают переменность нанозазора для различных точек контакта оптического излучения с модулируемой гранью призмы, что обеспечивает уменьшение погрешности расчетов характеристик преобразователей давления и силы;

- предложена новая структура преобразователя давления и силы, которая отличается введением дополнительной обратной связи по положению воспринимающего элемента, компенсирующей влияние изменения формы мембраны, что обеспечивает расширение диапазона измерения давления и силы;

- предложено новое решение, использующие температурные изменения свойств взаимосвязанных биметаллической и кварцевой мембран преобразователя на основе оптического туннельного эффекта, что позволяет производить измерение температуры в заданном диапазоне;

- методика расчета преобразователей давления и силы с оптическим туннельным эффектом основана на обеспечении заданного диапазона чувствительности, что приводит к реализации квазилинейной функции преобразования.

Методы исследования

При разработке математических моделей преобразователей внешних воздействии на основе оптического туннельного эффекта использовались основные положения волновой и геометрической оптики, применялись методы теории упругости, прикладной механики.

При исследовании характеристик преобразователей для измерения давления, сил, электрических напряжений, температуры использовались положения теории интегрального исчисления, чувствительности, погрешностей, методы численного анализа. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений и математическая обработка полученных результатов. Исследование моделей преобразователей производилось с применением программного пакета (МаЛСАГ)).

Основные положения, выносимые на защиту:

- уточненные математические модели преобразователей на основе

оптического туннельного эффекта, которые учитывают неравномерность

прогиба мембраны при воздействии давления и силы и расходимость

10

оптического излучения, что уменьшает погрешность расчетов характеристик преобразователей;

- обеспечение малой температурной погрешности за счет использования кварцевых элементов преобразователя и способы компенсации температурной погрешности;

- полезная модель преобразователя температуры на основе оптического туннельного эффекта и биметаллических воспринимающих элементов, обеспечивающих работу в заданном температурном диапазоне;

- результаты экспериментального исследования влияния электрического поля на оптическое туннелирование при использовании пьезоэлектрического элемента и структурную схему преобразователя электрических напряжений на основе оптического туннельного эффекта;

- обеспечен�