Введение к работе
Актуальность работы.
Давление является одним из существенных параметров в таких областях науки и техники, как термодинамика, аэродинамика, акустика, гидростатика, геофизика, биофизика и т.д. Оно выступает как важный параметр систем контроля и управления как автоматизированных производственных процессов, так и управляемых оператором. Во всех устройствах определения давления первичным звеном являются преобразователи (датчики) давления. Именно они поставляют информацию о давлении окружающей среды (сжатого воздуха, газа, пара, масла, воды). (
Широкий спектр потребностей (каждый датчик должен наилучшим образом соответствовать поставленной задаче) привел к большому разнообразию применяемых преобразователей. Это разнообразие связано также и с тем, что величина измеряемых давлений охватывает очень протяженную область значений - от глубокого вакуума до сверхвысоких давлений. Специфической с этой точки зрения областью применения датчиков давления является их использование в приборах для определения глубины погружения глубоководных аппаратов. Развитие подводного флота, как в военных, так и исследовательских целях, требовало создание все новых систем, обеспечивающих жизнеспособность глубоководного аппарата. Используемые в подобной практике датчики должны обладать большим динамическим диапазоном измерения, малой погрешностью, низкими значениями порога чувствительности, сохранять свои параметры в условиях сильных электромагнитных помех, воздействий вибрации, тряски и перепадов температуры. Применение с этой целью традиционных методов и средств измерения давления требует использования целого набора первичных преобразователей. Такая реализация измерительной системы становится неприемлемой при ее использовании на каких-либо автономных объектах (таких, как глубоководные аппараты), ограниченных как энергопотреблением, так и возможностью размещения большого количества измерительного оборудования. Таким образом, ограниченный динамический диапазон измерения, нелинейность характеристики преобразования, температурная зависимость выходного сигнала, наличие механической и кондуктивной связи ме-
жду чувствительным элементом и регистрирующей частью существенно ограничивает область применения традиционных датчиков.
Эти проблемы принуждают искать альтернативные пути построения преобразователей давления.
Успехи в области развития элементной базы оптоэлектропики, прежде всего, создание надежных, экономичных, малошумящнх источников оптического излучения, развитие волоконной оптики позволило создать целый класс оптоэлсктропных и волоконно-оптических датчиков. Они оказываются конкурентноспособными в случаях работы в условиях сильных электромагнитных полей, в агрессивных и взрывоопасных средах, легко интегрируются в информационно-измерительные системы.
В то же время, несмотря на достигнутые успехи в области исследования и создания оптоэлектронных и волоконно-оптических преобразователей и приборов на их основе, существует ряд актуальных задач, требующих своего решения.
Целью работы является выбор принципа построения и исследование преобразователя гидростатического давления для создания на его основе измерителя высоких давлений с большим диапазоном измерения (от 0,005 до 65 МПа), малой погрешностью (не хуже 0,2%), конкурирующий с традиционно применяемыми датчиками.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Выполнить анализ существующих традиционных и оптоэлектронных датчиков давления;
-
Обосновать выбор принципа построения и выполнить теоретический расчет оптической схемы и основных характеристик преобразователя давления;
3. Выполнить теоретическую оценку влияния воздействующих
факторов на метрологические характеристики преобразователя;
4. Создать радиоэлектронное устройство, обеспечивающее реали
зацию разработанных алгоритмов регистрации и обработки сигнала и
исследовать характеристики измерителя давления, построенного па
основе оптоэлектронного преобразователя.
Методы исследования. При работе над диссертацией были использованы матричные методы Джонса и Мюллера, позволяющие в компактной форме рассчитывать поляризационные эффекты, возни-
кающие в многокомпонентных оптических системах, методы математической статистики и теории вероятностей.
Экспериментальная часть диссертационной работы была выполнена на основе методов поляризационных измерений, эллнпсометрин и радиотехнических измерений.
Научная новизна. 1. В диссертационной работе предложен
принцип построения оптической схемы преобразователя физических полей поляриметрического типа, использующий фазовый метод измерения сигнала, позволяющий улучшить метрологические характеристики созданных на его основе устройств.
-
С целью уменьшения влияния температуры на параметры преобразователя проведена оптимизация оптической схемы традиционных поляриметрических датчиков. Выявлена оптимальная ориентация пластинки Л/4 в оптической схеме преобразователя давления.
-
Разработан алгоритм измерения фазы сигнала в оптоэлектрон-ных преобразователях данного типа, отличающийся простотой и эффективностью.
-
Получено теоретическое выражение порога чувствительности поляриметрического преобразователя при фазовом методе измерения сигнала.
Практическая ценность работы заключается в следующих полученных результатах:
-
Предложен метод для построения широкого ряда оптоэлектрон-ных и волоконно-оптических преобразователей физических полей (электрическое и магнитное поле, температура, давление и т.д.), а также для исследования поверхностей и границ раздела различных сред методами эллипсометрин.
-
На основании теоретических и экспериментальных результатов разработаны и исследованы опытные образцы радиотехнического устройства измерения гидростатического давления для глубоководных аппаратов, удовлетворяющие поставленным требованиям.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Таллин, 1987 г.);
Y Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические системы передачи» (Москва, 1988г.);
Международной конференции ISFOC-91 (Санкт-Петербург, 1991 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, втом числе одном авторском свидетельстве.
Научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
-
В оптоэлектронных преобразователях физических полей поляриметрического типа в случае вращения плоскости поляризации света на входе преобразователя с циклической частотой ГЇ/2, фазовый сдвиг <р, возникающий в чувствительном элементе между двумя ортогонально поляризованными световыми колебаниями под действием измеряемого сигнала, будет одновременно являться фазой гармонического колебания с частотой П.
-
Порог чувствительности оптоэлектронного преобразователя поляриметрического типа при фазовом методе измерения сигнала можно представить как функцию арктангенса, аргумент которого пропорционален результирующей спектральной плотности относительного шума источника излучения и дробового шума фотоприемника.
-
При использовании фазового метода измерения сигнала в оптоэлектронных преобразователях поляриметрического типа целесообразно для определения фазы использовать алгоритм цифровой обработки измерительного сигнала, что обеспечивает необходимую точность, простоту реализации, высокую помехоустойчивость электронных устройств, выполняющих данный алгоритм.
-
Принцип построения оптоэлектронного измерителя гидростатического давления.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 131 странице, содержит 33 рисунка и 5 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований.
