Инженерная методика расчета функции преобразования амплитудных волоконнооптических датчиков Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.31:681.586.5'326 Д. Д. БЯЛИК

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ_

Предложена инженерная методика расчета функции преобразования волоконно-оптических датчиков. Данная методика представляет собой упрощенный пошаговый подход к определению функции преобразования. Это существенно облегчает проектирование волоконно-оптических датчиков, в которых преобразование измеряемой величины осуществляется в несколь- О ко этапов, принципиально различающихся по математическому описанию. И Вместе с тем в предлагаемой методике учитываются основные параметры функции преобразования (чувствительность и нелинейность) и их зависимость от конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков. В качестве примера рассматривается методика построения функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа.

Ключевые слова: инженерная методика построения функции преобразования, амплитудный волоконно-оптический датчик давления.

Введение. Исследование в области разработ- к электромагнитным полям, пожаро-, взрыво-, элек-ки амплитудных волоконно-оптических датчиков тробезопасность), так и специфическими особенно- И (ВОД) давления как элементов систем управления стями амплитудных датчиков, которые, в отличие Е и контроля обусловлено как преимуществами ВОД от интерферометрических ВОД, не требуют обязав целом перед существующими тензорезистивны- тельного использования когерентных источников ми и емкостными аналогами (нечувствительность излучения и одномодовых оптических волокон. Как

Схема предварительного преобразования

Оптическая схема модуляции

Внешнее воздействие Гш

Я

Измеряемая величина Г.

1-й этап преобразования

2 -й этап преобразования

1

Оптический параметр среды *1

Фотоприемная схема

1п ] Параметр Выходная

оптической величина

волны у> Рвых (1фп)

1

.„I

3 й этап преобразования

4-й этап преобразования

Рис. 1. Общая структура преобразования в волоконно-оптических датчиках

следствие, существенно упрощаются настройка, юстировка и эксплуатация ВОД.

Однако необходимо отметить, что разработка и проектирование волоконно-оптических датчиков предполагает исследование в междисциплинарной области на стыке механики, оптики и микроэлектроники. В силу этого функция преобразования ВОД представляет собой сложную многоступенчатую зависимость, математически точное построение которой в ряде случаев является нецелесообразным для инженерных расчетов.

Таким образом, целью данной статьи является разработка практически удобной методики построения функции преобразования для волоконно-оптических датчиков.

Основная часть. Общая структура преобразования ВОД рассматривается в работах [1 — 3] и показана на рис. 1.

Схема предварительного преобразования необходима, если нельзя непосредственно измерить исследуемую величину или в наличии уже имеется датчик для измерения другого физического параметра [1]. В схеме предварительного преобразования могут использоваться различные физические принципы преобразования (механический, электромеханический, электромагнитный и т.д.).

Далее измеряемая величина (непосредственно или после предварительного преобразования) воздействует на параметры оптической среды, то есть системы, по которой распространяется оптическое излучение. Параметрами оптической среды, которые изменяются под влиянием внешнего воздействия), могут являться: показатель преломления (л), коэффициент поглощения (%), изменение линейных размеров (например, длины оптического пути).

Далее при помощи схем оптической модуляции изменение параметров оптической среды приводит к изменению параметров оптической волны (амплитуды, фазы, поляризации, частоты оптического излучения). Поскольку параметры оптической волны крайне затруднительно воспринимать и анализировать непосредственно, то обычно при помощи фотоприемника измеряемая величина преобразуется в электрический сигнал (напряжение, ток или их изменение). Для детектирования и измерения изменений параметров оптической волны могут использоваться различные фотоприемные схемы (непосредственное измерение, анализатор угла поворота плоскости поляризации, спектрально-чувствительные фотоприемники, позиционно-чувствительные фотоприемники). С помощью стандартных изделий микроэлектроники с заранее известными характе-

Рис. 2. Структурная схема амплитудного волоконно-оптического датчика давления рефлектометрического типа

ристиками измеряемую величину можно усилить или ослабить, нормировать, фильтровать, перевести в цифровую форму.

В большинстве случаев окончательно регистрируемой величиной является амплитуда тока (1ФП) или напряжения (ифП) на выходе фотоприемника.

В итоге общую функцию преобразования датчиков можно представить в следующем виде [1]:

г {(ии ) • /фп { У [С {РИЗМ {рВХ ))] }8ФПкП

(1)

где 1фП — выходной сигнал; РИИ (1ИИ) — мощность источника оптического изл^ения, создаваемого при протекании по нему тока 1ИИ; / — функция фотоприемного прео бразования; БфП — интегральная чувствительность фотоприемника; РВХ — внешнее воздействие; кП — коэффициент потерь мощности оптичеоки го из луче ния при РВХ = 0; РИЗМ — измеряемая величина; х. — оптический параметр среды; у. — параметр оптической волны.

Очевидно, что для инженерных задач целесообразно ио пользов ать упрощенные методы расчета функции пред бразования датчиков.

Одним из примеров реализации датчиков с использованием оптического волокна может служить амплитудны о В ОД давления рефлектометрического типа, описанн ый в [4 — 6] и показанный на рис. 2.

Дандый ВОД содержит стабилизированный источник тока Д), металлический корпус (2) с источником (3) и приемником (4) оптического излучения (ик-свето дио д и ик-фотодиод соответственно), оптические волокна, собранные в кабель (5), кремниевая по,адожка (6) для чувствительного элемента — упруаог о микрозеркала (7), блок электронной

обработки сигнала с фотоприемника (9), блок термостабилизации (10), индикатор (11). Цифрой (8) обозначен ход оптического излучения.

Оптические волокна (5) являются линией передачи оптического излучения от источника (3) к упругому микрозеркалу (7) и от микрозеркала (7) к фотоприемнику (4). Кремниевое основание (6) необходимо для механической развязки упругого микрозеркала (7) с остальными элементами конструкции датчика и для фиксации упругого микрозеркала (7) на строго определенном расстоянии от торцов оптических волокон (5).

Упругое микрозеркало (7) служит для преобразования давления в перемещение, которому пропорционален поток отраженного оптического излучения, попадающего на торцы оптических волокон (5). Блок термостабилизации (10) предназначен для исключения влияния изменений температуры окружающей среды на источник (3) и приемник (4) оптического излучения и блок электронной обработки (9).

Принцип действия амплитудных ВОД рефлекто-метрического типа заключается в перераспределении интенсивности потока оптического излучения при отражении от перемещающегося под действием давления упругого микрозеркала. Поэтому при проектировании амплитудных ВОД исходят из анализа перемещения микрозеркала относительно неподвижных оптических волокон в отличие от тензорезистивных датчиков, где важно изменение механических напряжений в упругих элементах, или изменение емкости конденсатора с подвижной обкладкой в емкостных датчиках [4, 5].

Функция преобразования применительно к амплитудным волоконно-оптическим датчикам давления рефлектометрического типа, в частности, рассмотренным в [5, 6], имеет вид:

и = Т3Т [£(р)]}

(2)

Ар — Ах — А/ ■

- яи,

и характеристиками; Г3 — функция электрического преобразования. Описывает изменение электрического выходного сигнала в зависимости от изменения интенсивности светового потока.

Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, приведенные, в частности, в работах [6 — 9], функция преобразования амплитудного ВОД давления рефлектометрического типа в широком диапазоне входных воздействий обладает существенной нелинейностью (десятки процентов), что приводит к необходимости поиска оптимального начального расстояния между торцами оптических волокон и упругого микрозеркала, а также формы и геометрических размеров последнего, то есть выбора рабочей точки.

Как показано в работах [5, 6], наибольший вклад в нелинейность полной функции преобразования вносит составляющая, связанная с функцией оптического преобразования (Г2). Вкачестве количественного критерия выбора рабочей точки можно рассматривать минимум по модулю числа 5, которое определяется выражением (4):

8 =

Щ-У-М 0)

(Я)

где N12, Б2 — нелинейность и чувствительность частной функции преобразования Г2 в данном диапазоне перемещений;

м=Ь а

(5)

где Др — давлениеили изменение давления; Дх — смещение чувствительного элемента; Д1 — изменение потока оптического излучения; Ди — изменение выходмлго лиэнала; Г, Г2, — честные функции преоб р азо в ания, чонорое в данном случае соответствует тр ем этап ам преобразов ания:

Г — функция мрханичесрого преобразования. Описывает зависиростс смвщения упругого чувствительного элемента ВОД под воздействием измеряемого давления;

Г2 — функция преобразования оптической модуляции. Описывает озменение интенсивности светового потока, отражсрного от поверхности упругого чувствительного элемента (микрозеркала) в зависимости от смещ е ния последнего. Данную функцию целесообразно представить в виде двух составляю -щих [5]:

(3)

где Г2С — составляющля фуннции преобразования оптической мосуляции, слязанная но атандартизо-ванными характерслтимами элрментов конструкции; Г2Н — составляющая фуилцни преобуазования оптической мод°иции, явтзанная ро свойствами элементов конструкции с вариабельными свойствами

где Ь0 — текущее положение рабоасй томки (начальное расстояние межцу торцами оптических волокон и упругим мля]созе]зкалом при отсутствии входного воздействия), № — максимальное сме-( ение упругого мик розеркава от положения равно-ве сия под воздействием измеряемого параметра для данного Ь0.

В свою очередь, общий вид частной функции преобразования Г2 описан в работах [5, 6].

Для построения р стной функции преобразования Г2 была рассмотрена модель, представленная на рис. 3, включающая два оптических волокна (излучающее и приемно е) и отражающее микрозеркало, нормаль которого плраллельна осям оптических волокон.

В датчиках давления микрозеркмло одновременно является и упругим элементом (УЭ), на которое воздействует давление измеяяемой среды.

Приемное| волокно '

2г

- — - -Г

Излучающее; волокно I

172

Микрозеркало

Рис. 3. Схема, описывающая перераспределение потока оптического излучения в случае амплитудного ВОД давления

или

Это псфождадт споцифическую особеоность про-ектированид микроперокол: необдоаоол нбеспечииь мадсо]д[ко1о1:[ое паррмищенке ори Д2Оодизациах микрозеркала, 1ае пиевотхидязцие яредельно допуети-м 01 о.

Учитдодия это, фэоэцию ю=иго0;);^и:и4с{вания Г можно пиидттдвиоо в виыо, удобном дла анаылоа влияния оеоматрэдолких паномпесюе ига чувствитеян-носта 01 аелинейносад:

у 100%

I

1

I] 2-Я|_<0 ыч^иД д

-^.^о-гса

0о2 „ „ о если -б гб —

1

I

Iо а ы д- tgД д

если г < -

(6)

где ох д 2 • агсса-' Э

I V

— д о, если г < —

Iц сИ д

1ыо° .д. ру .д 2 • д<ссид

2^ V

1ыд0

точка»); о д —

г

осями оптических во2_оооо^.

На рис. 4 проыеддн гаафик типичнуа зависимости приведеннеговыиодмобо сигнала у = 1/10 от при-веденноао расстояндя х = Ь/т.

Для практических цеоей чувствительность и не-линейнастн фунщии лиeoчpидoвaния I1 ппределя-ется доответствIнно как:

Му д

Иу И=

N0, д

И2у

и=2

(7)

О)

. урвад • -[ • р

(9)

Мвад д -ф • то •М 2 • М1 •Л

(10)

где кф — коэффициент преобразования фотоприемника, Р0 — мощность излнгеноя.испускаемо-го источником, и — чувствительности частных функций преобразования механического (Г) и оптического (Г2) преобразования соответствен-

Раоо чи е к виаплинейные участки мрлкирппикп

Расстояние, г

д д — — приееденное рассмоянд2 меже) Т°Рцами г

оптических вомокоа и юп1:кро]0б;окалом («рабочая

ппиоосоноие зз).^2оззтоз^ни^б; между

Рис. 4. Зависимость приведенного выходного сигнала от привед енного расстоя ния 2 ри разных V

(1 — V = 3; 2 2-м утя 6; 3 — V = 9)

но, ^ — коэффициен° ослабления оптического излучения в волоконно-оптическом преобразователе , определяемый по те ря ми на вводе излучения в оптические волокна и неидиальностью отражения от микрозеркала.

Коэффициедт преобразования фотоприемника кф определяется вы раже нием

т д -т • те

(11)

где и — выходной согнал фотоприемника, Рф — мощность потока оптического излучения, падающая на фотоприемник ос пропорциональная мощности светового потока, излучаемого источником Р .

Нелинейность полной функции преобразования 2 пределяется как

Чувствитель—осоь а ненше°ность оастноТ фуок-ции трдо-тазовтнио К из—д(]ис5тт от ]тяда конструктивных параме2ров: V, о, д, -

В окрестностях °абочей точен нелинейность частной функции пpиoбалcoсaтия н оeытт в пределах 0,1—0,5 %, чти является придмидмым для элементов измерительных систем.

При таких услодиях полнуо функцию преобразования рассматривагмой конструкции волоконно-оптического датчика можно считать близкой к линейной.

Приближенно линеариоованная п олная функция преобразования (2) т ^^ае амплитудных ВОД давления рефлектометрического типа, описанных в [5], может быть предстаолена в виде:

от д^! ОТр о Мр о М3°,

(12)

где р — номинальное давление, ку — коэффициент усиления блока элект^н—ой оСработки, SВОд — чувствительность полной функции преобразования

где ЫД, N12, N¡2 — нелинейности частных функций преобразования механического, оптического и электрического преобразования соответственно.

Заключение. Проектирование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлек-тометрического типа может быть осуществлено согласно общей функции преобразования и техническому заданию (требуемого диапазона давлений, чувствительности, нелинейности) и может быть представлено в следующей последовательности действий [1, 5]:

1. Определение размеров чувствительного элемента.

2. Определение начального расстояния между торцами оптических волокон и чувствительным элементом — упругим микрозеркалом.

3. Определение величины выходного сигнала. Определяется коэффициентом преобразования фотоприемника кф и коэффициентом усиления схемы электронной обработки.

4. Определение чувствительности и нелинейности датчика в целом.

5. Определение коэффициента ослабления оптического излучения п. Определяется апертурами и соотношением площадей сердечников оптических волокон и источников и приемников света.

Примером реализации расчетов, согласно приведенной методике, является описанный в [5]

и

амплитудный волоконно-оптическии датчик давления рефлектометрического типа, используемый в качестве измерителя перепадов давления трансформаторного масла в силовом трансформаторе.

Библиографический список

1. Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы расчёта и применения. М.: Энерго-атомиздат, 1990. 254 с.

2. Окоси Т. [и др.] Волоконно-оптические датчики / под общ. ред. Т. Окоси. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

3. Vaganov V. I. Construction problems in sensors // Sensors and actuators. A. 1991. № 28. С. 161-172.

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

5. Бялик А. Д. Разработка и исследование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.13: защищена 23.12.2009: утв. 09.04.2010. Омск: ОмГТУ, 2009. 169 с.

6. Бялик А. Д. Исследование основных параметров преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-опти-

ческих датчиков давления рефлектометрического типа // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2009. № 3 (83). С. 220-222.

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

8. Мурашкина Т. И., Волчихин В. И. Амплитудные волоконно-оптические датчики автономных систем управления: моногр. Пенза: Информ.-издат. центр ПГУ, 1999. 173 с.

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

БЯЛИК Александр Давидович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Полупроводниковые приборы и микроэлектроника». Адрес для переписки: bialik@ngs.ru

Статья поступила в редакцию 17.02.2017 г. © А. Д. Бялик

УДК Г. М. СИДЕЛЬНИКОВ

С. А. МОРОЗОВ В. И. СЛАСТУХИНА

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

о

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИГНАЛОВ С ФРМ И ФМ В КАНАЛАХ С РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ

В работе ставится задача на основе аппарата векторной алгебры и статистического моделирования на ЭВМ получить функции распределения вероятностей межсимвольной интерференции сигналов для фазовой и фазоразност-ной модуляции в каналах с различной структурой. Полученные вероятностные § характеристики позволят определить эффективность применения сигналов ~ в различных каналах, а также провести анализ помехоустойчивости при различных уровнях аддитивных помех, а также позволят определить возможность применения в таких каналах разнесения как на приеме, так и на передаче.

Ключевые слова: дополнительный сдвиг фаз, вероятность ошибок, интегральная функция распределения вероятностей.

1. Введение. Анализ помехоустойчивости дис- ятности ошибки уже для некогерентного приема

кретных систем связи в каналах с частотно-селек- сигналов (ОФМ) и некогерентного приема сигна-

тивными замираниями основан на применении лов с дискретной частотной модуляцией с различ-

аппарата системных функций [1], где параметрам ной структурой, где показано, что при задержках

многолучевого поля служила функция рассеяния отраженных лучей относительно основного луча, И

импульсного отклика по времени задержки. Рас- соизмеримых с длительностью посылки, помехоу- Е

чет помехоустойчивости сигналов с относительной стойчивость не может удовлетворять ни одну систе-

фазовой модуляцией (ОФМ) для таких каналов му связи. Для повышения помехоустойчивости [3]

приведен в [2]. В работе [3] сделан расчет веро- сделан анализ системы с разнесением на приеме,