Введение к работе
Актуальность работы. Вопросам создания систем контроля и управления, обладающих високими техническими показателями, в последнее время уделяется большое внимание. Повышение- плотности и помехозащищенности передаваемой информации при одновременном снижении габаритов и массы было достигнуто в таких системах благодаря внедрению волоконно-оптических линий связи /ВОДС/, которые реально эксплуатируются в наземной, морской, авиационной технике, на космических кораблях. Однако, з условиях, когда основной поток информации идет от традиционных измерительных преобразователей преимущества ВОЛС используются не полностью. Существующие преобразователи не всегда удовлетворяют потребителя по таким показателям, как габариты, точность, допустимые условия эксплуатации. В результате в настоящее время имеется острая, в определенной степени не зависящая-.от стоимости.,-потребность в пассивных измерительных преобразователях давления, уровня жидкости, перемещения, температуры для систем контроля п атомной энергетике, газовой, нефтяной, химическое промышленности, медицине,. .силовых установках, специальных применениях для работы в экстремальных условиях.пожаро- и Бзривоопас.чости, высоких и низких температур, сильных электромагнитных полей и т.д. При работе в составе помехозащищенных систем контроля и-управления с ЗОЛС "неоптические" преобразователи требуют такте подвода к ним энергии "питания" той физической природы, которая принята в используемом типа прибора, т.е. подвода к нити дополнительной, не золококис-оятаческой .линии, и наличия преобразователя "информационный неоптйчзский сигнал - оптическое излучение" и устройств согласования с ВОЛС
Решение проблемы преобразователей, создание органического единства частей систем контроля к управления с ВОЛС, исключающего наличие дополнительных звеньев в системе и заключающегося в использовании б качестве носителя информации оптического.излучения, может быть достигнуто за счет применения оптических и волоконно-оптических преобразователей и других функциональных узлов, в которых происходит непосредственное преобразование измеряемой физической величніш или управляющего воздействия в оптический сигнал. Использование взаимодействия внешней среды с оптическим излучением в процессе регистрации изменений ее'параметров открывает одновременно возможность создания преобразователей ряда внешних физических воздействий, измерение которых традиционными методами оказывается достаточно сложным.
Исключение электронных носителей информация требует изменения концепции построения рассмотриваемнх приборов путем использования физических явлений, позволяющих создать оптические аналоги измерительных преобразователей и функциональных узлов систем контроля и управления.
При этом следует иметь із виду, что в промышленности сложилась отраслевая структура разработки датчиковой аппаратуры по определенному типу физических измерений. Гто затрудшют интеграцию и комплексированио датчиковой аппаратуры, так как но учитывается комплексный подход к измерению различных физических величин.
Выполненные к началу настоящей работы /вторая половина 70-х годоп/ за рубежом и в нашей стране исследования, посвящошшо разработкам атих приборов,.били направлены, в основном, на обоснование возможности построения оптических преобразователей. До настоящего времени отсутствовал проблемно-ориентированный подход к созданию оптических щжобра-зователей помехоустойчивых систем контроля и управления, который включает комплексное использование расчетных, конструкторских, и схемотех-' нических методов, направленных на повышенно показателе!; и расширение функциональных возможностей отих ирибороп. В частности, не были определены рациональные способы построения и технической реализации преобразователей и функциональных узлов- /пассивных и управляемых оптических ответвителеґ:, спектральных демультиплексороь, устройств встроон- ~ ного контроля моноканала и т.п./. Если же сформировать структуру опти-чеокого функционального узла таким образом, что какой-либо оптический параметр управляемой срода выбран за базовый и выбрана схема модуляции оптического излучения, обеспечивающая перевод изменения параметров среды в изменение параметров оптического излучения, то, очевидно, такая структура может быть одинаковой для различных функциональных узлов. Придание им той или иной функциональной направленности зависит от задействования соответствующего механизма приведения внешнего измеряемого или управляющего воздействия - физического эффекта. Появляется возможность искать рациональный путь реализации оптических функциональных узлов в направлении их унификации.
С этой точки зрения для построения оптических преобразователей предпочтительно использовать амплитудную схему на основе управляемых световодов /УС/ с граничной модуляцией оптического излучения. Она выгодно отличается как от фазовых схем, требующих высокостабильных ин-терфорометрических схем обработки оптическсго сигнала, и поляризационных, совместная работа которых с БОЛС затруднена из-за спонтанного двулучепреломления в волоконных световодах, так и от других схем амплитудной модуляции - высокой чувствительностью. Универсальность применений амплитудной схемы на основе УС с граничной модуляцией обусловлена ее чувствительностью к любому изменению эффективного показателя преломления внешней среди, вне зависимости от того, под действием какого фактора /механического, электрического, магнитного, теплового и
т.п./, в условиях существования соответствующих физических эффектов и .явлений, оно происходит. 3 то же время отсутствие адекватных математических моделе? преобразователей на основе управляемых световодов и одномодопых и маломодовік волноводов, учитывающих распределение световых полей, не позволяет определить факторы, ограничивающие параметры приборов, и разработать методики их расчета.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью создания унифицированного ряда пассивных оптических преобразователей внешнего измеряемого и управляющего воздействий, дополняЕяего базис измерительных преобразователей и функциональных узлов для работы в условиях покаро- и взрывоопасности, агрессивных сред, высоких и низких температур, сильных электромагнитных,полей и для специальных применений.
Новые научно- обоснованные технические решения по созданию унифи- . цированных оптических преобразователей с граничной модуляцией излучения для специальных условий эксплуатации и применений разрабатывались в рамках плановых научно-исследовательских работ Московского авиационного института по темам 301-27"П" /й ГР 75081806/, 301-02"1Г /* IT 8I05I690/, 30І-ІГІГ/5 /№ ГР У26053/. 33140 /% ГР 01.90.0040698/, 33830 /JS ГР.01.90.0032596/. 301-23"П" /Ч ГР 01,9.00049568/, 301-24"П" /Л ГР 01.9.00 049567/, выполняемых в соответствии с г а/ Координационным планом АН СССР на X98I-I9S5 гг. по проблема "Измерительные процессы и системы" /шифр ІЛЗ.І.Іа/; б/ Координационным планом Мин ВУЗа СССР по проблеме "Техническая кибернетика" /шифр 4.2/; в/ Комплексной программой "Полет" Минавиапрома СССР а МинВУЗа.РСФСР; г/ Координационном планом АН СССР по проблеме "Измерительные процессы и системы" на 1986-1990 гг., раздел "Теория и методы получения измерительной информации /источнике измерительной информации/", подраздел "Создание новых принципов и методов построения первичных измерительных преобразователей"; д/ межвузовакой целевой программой МинВУЗа СССР по решению научно-технической проблемы "Новые принципы построения и разработка оптических процессоров, в том числе адаптивных" /шифр "Оптические процессоры"/ на период I986-IS90 гг.; е/ Координационным планом МинВУЗа СССР на 1986-1990 гг. по проблеме "Теория, принципы построения и методы расчета элементов и устройств информационно-измерительных систем" /раздел "Разработка теории и принципов построения измерительных преобразователей, основанных на новых физических, химических и биологических принципах"/; я/ научно-технической программой Тособразования СССР ''Оптические процессоры" на I989-I9S2 гг.; з/ научно-технической программой Гособразования СССР фундаметальннх и прикладных исследований на' I989-I9S2 гг. "Новые технологии и автоматизация производствен-
кых процессов в машинострооник"'.
Цель работы состояла в разработке физико-технических и конструкторских основ построения измерительных преобразователей и функциональных узлов для помехоустойчивых систем контроля и управления и специальных применений на базе унифицированных управляемых световодов с граничной модуляцией оптического излучения.
В соответствии с целью работи определены основные итапи исследованиям
выявление структуры преобразований входной физической величины в процессе ее регистрации в преобразователе; формирование принципа построения оптических функциональных узлов и разработка унифицированных схем преобразователей с граничной модуляцией оптического излучения;
разработка адекватных математических моделей преобразователей на основе управляемых световодов с граничной модуляцией оптического излучения /с переменным скачком показателя преломления, с переменной площадью оптического контакта, на основе оптического туннельного.эффекта/, проведение с их использованием обобщающего теоретического и экспериментального исследования распределения световых нолей в управляемых световодах и влияния конструктивных и физико-технологических параметров на характеристики преобразователей;
создание теоретических основ анализа и расчета волоконно-оптических преобразователей на осново управляемой связи одномодовых и малоходовых коакслально расположенных волноводов;
разработка требований к параметрам элементов преобразователей; создание способов коррекции характеристик и методик расчета и конструирования преобразователей на осново управляемых световодов с граничной модуляцией излучения;
разработка волоконно-оптической системы контроля на осново унифицированных функциональных узлоз с граничной модуляцией оптического излучения и устройств обеспечения функционирования: переключателей, направленных ответвителей, демулътиплексоров, устройств контроля состояния волоконно-оптического моноканала.
На защиту выносятся:.
- структура преобразований входной физической величины в процессе
ео регистрации в оптическом преобразователе;
- принцип построения оптических преобразователей и функциональных
узлов на основе их унификации - для обеспечения рациональной техни
ческой реализации оптических преобразователей и функциональных узлов
необходимо использовать схемы, реализующие механизм приведения измеря
емого или управляющего физического параметра к изменению эффективного
показателя преломления на границе сред, в совокупности с унифицированной схемой с граничной модуляцией /в световодном или волноводном ьарианте/ для воздействия на параметри оптического излучения; I
обобщенное' теоретическое описание унифицированных преобразователей на основе управляемых световодов с граничной модуляцией, обеспечивающих високую чувствительность, к изменению эффективного показателя преломления внешней контролируемой-среды и возможность регистрации широкого набора физических воздействий; математические модели преобразователей с переменным скачком показателя преломления на границе управляемого световода, с переменной площадью оптического контакта, на основе оптического туннельного эффекта;
теоретические основы анализа и расчета оптических преобразователей на основе управляемой связи коаксиальных одномодовых или мало-модовше волноводов, граничащих с оптически переменными изотропными и анизотропными средами; условие получения высокой чувствительности преобразователей - однородность изменения показателя преломления внешней среди или работа на ''уходе" из зоны максимальной связи волноводов;
технические решения, конструкции и методики расчета преобразователей электрических, тепловых и механических воздействий на основа управляемых световодов и волноводов с граничной модуляцией оптического излучения, учитывающие распределение световых полей в оптическом канале;
-'функциональная'схема волоконно-оптической системы контроля на основе унифицированных узлов с граничной модуляцией оптического излучения и устройства обеспечения функционирования: переключатели, направленные ответвители, демультиплексоры, устройства' контроля состояния моноканала.
Методика выполнения исследования основывалась на теоретических, теоретике-эмпирических, эмпирических методах и включала изучение проблемы преобразователей для помехоустойчивых систем контроля и управления, систематизацию работ в области оптических и волоконно-оптических преобразователей, разработку теоретических основ и технических решений новых унифицированных преобразователей, основанных на использовании управляемых световодов с граничной модуляцией оптического излучения, для систем контроля и управления с многомодовыми и, одномс— довила ВОЛС.
Научная новизна диссертационной работы состоит в осуществлении теоретического обобщения и разработке научно-обоснованных технических решений, связанных с созданием физико-технических и конструкторсках основ построения оптических и волоконно-оптических унифицированных' преобразователей, пригодных для работы в специальных условиях экс-
-a -.
плуатации и применениях, благодаря исключению переноса информации'с помощью электрических сигналов, использованию в качестве носителя оптического излучения и применению унифицированной схеми с граничной модуляцией излучения, обеспечивающей високую чувствительность к изменению- эффективного показателя преломления внешней контролируемой сро-ди и возможность регистрации широкого набора физических воздействий. При этом впервые разработано обобщенное теоретическое описание унифицированных преобразователей на основе управляемых световодов с граничной модуляцией излучения и разработаны теоретические основы анализа и расчета оптических преобразователей с одномодовими' и маломодоними коаксиалыю расположенными волноводами, граничащими с оптически переменными изотропными-и анизотропными судами.
Выявлены закономерности распределения световых полей в управляемых световодах в приближении геометрической и волновой оптики, определяющие функцию преобразования устройств. Определены взаимосвязи конструктивных, физико-технологических и точностных параметров проосЬ разователей с церемонним скачком показателя преломления, с переменной площадью оптического контакта, на осново оптического туннельного эффекта и управляемой связи коаксиальных волноводов и на их основе разработаны методики расчета преобразователе}! электрических, тепловых и механических воздействий. Создан ряд оригинальных-оптических функциональных узлов и предложены новые типы оптических измерительных преобразователей. Новизна технических решений преобразователей и функциональных узлов подтверждена 35 авторскими, свидетельствами.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что изложенные в ней научно-обоснованные технические решения и теоретические обобщения в области унифицированных прообразователой на основе УС с граничной модуляцией оптического излучения позволяют решить проблему построения высокочувствительных, способных работать в условиях агрессивных сред, электромагнитных помех и экстремальных температур преобразователей систем контроля и управления. Математические модели преобразователей на основе УС с граничной модуляцией различного вида и методики пх расчета обеспечили разработку и реализацию индикаторов вида жидкости, преобразователей маломощных электрических сигналов, бесконтактных переключателей и датчиков давления, пульсаций давления, перемещения и усилия, датчиков магнитного поля, устройств двунапранле ной оптической сачэь', уровнемеров и сигнализаторов уровня жидкости, росы, обледенения. Математическое описание управляемой связи коаксиальных волноводов, гриничащих с оптически переменными с;>едами., позводило создать малогабаритные високочувствнтелыше преобразователи температуры, тензопреобразователи, датчики расхода жидкости и газа для
систем контроля и управления с одномодовнми волоконно-оптическими линиями связи. Внедрение научно-обоснованных технических решений в области унифицированных оптических преобразователей с граничной модуляцией излучения способствует развитию технических средств систем контроля и управления, дополняя базис измерительных преобразователей для специальных условий эксплуатации и применений.
В процессе выполнения работы были созданы и освоены в промышленном производстве первые отечественные .волоконно-оптические измерители уровня взрывоопасных и агрессивных жидких сред. Предложены и внедрены реализованные в экспериментальных образцах конструкции малогабаритных л оптоалектронных индикаторов вида жидкости для -определения наличия конденсата в топливных баках объектов, высокочувствительные датчики напряженности магнитного поля. Разработаны малоинерциоккые преобразователи температуры, тонзопрэобразоьатели, термостойкий преобразователь давления, являющийся единство-ниш конструктивно проработанном отечественным прибором для измерения пульсаций давления при температурах до 500С. Внедрение результатов-работы на предприятиях п/я A-33S0, п/я В-26І6, п/я В-3759, я/я 5-2337, ФИ All СССР, обеспечило возникновение и проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию оптических я волоконно-оптических преобразователей; оезда-ло предпосылки для унификации оптических преобразователей, что нашло отражение в руководящих материалах "Оптоэлектронные приборы» Классификация" /в/ч 67947/. Суммарный экономический-эффект составил 202, тыс. руб. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 1057,37 тыс.рублей в год.
Апробация работы. Основные положення диссертационной работы докладывались на международной конференции ЮРЕМА-77 /Загреб, 1977/, 12 международном-коллоквиуме по информационной технике /Дрезден, 1979/, 9 международном" конгресса. ШЕКО /Зап.Берлин,1532/, УП Всесоюзной конференции по микроэлектронике /Львов, 1975/, УІ.и УЕ Всесоюзном семинаре по оптические средствам передачи, преобразования, переработки и хранения информации Діосхва, IS73, IS8I/," Всесоюзной конференции-"Применение средств(оптоэлектроники в контрольно-измерительных системах" /Фергана, 1278/, I и Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" /Ташкент, 1980, 1985/, Республиканской конференции "Робототехнические системы" /Киев, 1980/, Всесоюзном совещании "Проблемы-теории чувствительности электронных -и электромеханических устройств и систем" . /Киев, 1983/, УІ и УП Всесоюзной научно-технической конференции "7н-формационныз измерительные системы" /Куйбьслев, 1983, Винница. 1885/,-Всесоюзной научно-технической конференции "Специальные коммутационные
элементы" /Рязань, IS34/, Всесоюзноі: научно-технической конференции "Применение лазеров в технологии и системах обработки информации" /Ленинград, 1981/, Всесоюзной конференции "Оптоьлектронные устройства в приборостроении и информатике" /Тбилиси, 1985/, Всесоюзном
симпозиуме "Зрение организмов и роботов" /Вильнюс, 1085/, Республиканской конференции "Лазерные средства измерения в науке и технике и
перспективы их применения в ГА" /Киев, 1985/, Всесоюзной конференции "Датчики на основе технологии микроэлектроники" /Москва, 1986/, IX Всесоюзной конференции "Методы тензометрии и их применение в народном хозяйстве" /Кишинев, IS86/, Всесоюзной конференции "Лазеры в народном хозяйстве" / Москва, 1986/, Ш Всесоюзной конференции "Приборы оптической памяти" /Ереван, IS87/, Республиканском семинаре "Оптрон-ная техника и интегральная оптоэлектроника" /Киев, 1887/, Всесоюзной научно-технической конференции "Конструирование и технология микроэлектронных устройств" /Рига, IS36/, Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические измерительные информационные системы авиационных двигателей" /Москва,1983/, Всесоюзной конференции "Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах" /Тбилиси, 1938/Г Республиканской конференции "Оптические и оптикоо-лектронные методы и приборы для точных угловых и линейных измерений и оптоэлектронная техника" /Киев, І987Д Всесоюзной конференции "Твердотельные волновые датчики для прецизионного машиностроения" /Каунас, 1990/, Всесоюзной конференции "Быстродействующие 'элементы и устройства волоконно-оптических и лазерних информационных систем" /Севастополь, ISSI/, Всесоюзно!: научно-технической конференции "Микроэлектронные датчики в машиностроении" /Ульяновск,'1990/, демонстрировались в виде экспонатов на ЗДНХ-СССР в 1980 и 1981 гг. /отмечены меда лгали ВДК/.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 82 работы, в том числе 2 монографии, 26 статей в центральных и республиканских изданиях, 5 работ в зарубежных издательствах, 35 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных результатов работы, списка использованных источников из 423 наименований и приложения. Она содержит 571 страницу машинописного текста', включающего 270 рисунков, 8 таблиц.
