авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Оценка характеристик излучаемых мод световодов в составе датчиковых устройств измерения продольных механических воздействий

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧАЕМЫХ МОД СВЕТОВОДОВ В

СОСТАВЕ ДАТЧИКОВЫХ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Астраханский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Попов Георгий Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гусев Владимир Георгиевич кандидат технических наук, доцент Плешакова Людмила Александровна
Ведущая организация: ОАО “Научно-исследовательский институт физических измерений”, г. Пенза

Защита состоится 20 декабря 2010г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 307.001.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414625, г.Астрахань, ул.Татищева, 16, гл. корп. ауд. 305.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, ученому секретарю диссертационного совета Д 307.001.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 19 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.А. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Световоды все больше находят применение в различной датчиковой аппаратуре в качестве чувствительных элементов. Объектом, воспринимающим внешний измеряемый параметр, является оптический волновод. Изменения характеристик волновода, индуцируемые внешним воздействием, мгновенно отражаются на направляемых и энергетических характеристиках мод волновода. Регистрация изменений этих характеристик дает полную информацию о величине и месторасположению измеряемого воздействия. Основными достоинствами применения оптических волноводов является возможность работы в экстремальных условиях – агрессивных и взрывоопасных средах, в условиях сильных электромагнитных полей, вибраций, их достоинствами являются также высокая точность измерения и большой диапазон измерения контролируемого параметра. Среди основных недостатков применения оптических волноводов можно отметить хрупкость кварцевых волноводов, хотя уже сейчас появляются волноводы на основе полимерных структур, в которых эти недостатки не столь актуальны.

Исследования отечественных ученых, таких как Бусурин В.И., Дианов Е.И., Удалов Н.П., Садовников В.И., Голубев С.С., Миловзоров О.В., Тихомиров С.В., Иванов В.С., а также зарубежных исследователей, таких как Walt David R (США), Bernard Steven M (США), Obara Takashi (Япония), Asawa C.K. (Япония) привели к разработке и созданию различных схем и устройств измерения физических величин на основе волоконно-оптических датчиков, появлению конструктивных, технологических и методологических принципов улучшения их метрологических характеристик.





Характерной особенностью существующих разработок является тенденция использования хорошо зарекомендовавших себя преобразователей и датчиков, основанных на анализе выходного торцевого излучения волновода, изменения которого индуцированы различными внешними воздействиями на волновод, хотя существуют также разработки, основанные на туннелировании и анализе оптической энергии из волновода.

Вместе с тем, часто возникают задачи точечного отбора и анализа данных по длине волновода, основанные на получении излучаемой энергии из волновода, т.е. неторцевое получение информации. Одной из причин отсутствия разработок датчиков подобного рода является пока слабо разработанные методы расчета характеристик излучаемых мод волноводных линий, которые могут быть использованы для съема датчиковой информации.

Трудность осуществления таких расчетов в основном связана с необходимостью описания процесса распространения света в материале волновода, оптические характеристики которого претерпевают значительные изменения. Изменение этих характеристик происходит в результате создания искусственной анизотропии в материале под действием внешнего индуцирующего воздействия. Закономерности распространения оптического излучения в анизотропной среде в настоящее время достаточно изучены, но, как показывает практика, требуют значительных усилий при описании всей картины возникновения излучения из волновода.

Все эти данные убедительно свидетельствуют о том, что необходимо более тщательно проработать процедуру расчета характеристик излучаемых мод, которые несут информацию о передаваемом по волноводу излучению и внешнем воздействии на него. В работе наглядно, с применением примеров, приведен метод расчета излучаемой энергии слабонаправляющих планарных и круглых волноводных структур. Таким образом, в оптико-волноводных датчиках может успешно применяться техника анализа излучаемых мод оптических волноводов, являющихся их основными чувствительными элементами.

В работе на основе полученных результатов предлагается макет и расчет датчика веса. Рассмотрены метрологические характеристики предлагаемого макета датчика веса.

Полученные теоретические результаты применимы и к задачам защиты волоконно-оптических линий связи от несанкционированного съема информации, поскольку излучаемые моды содержат всю информацию о передаваемых данных по волноводу.

Целью работы является анализ характеристик излучаемых мод световодов, которые могут использоваться в качестве чувствительных элементов датчиковых устройств, при их продольном механическом напряжении.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

  1. Проведение системного анализа возможных методов неразрушающего влияния на волновод с целью выбора наиболее приемлемого способа воздействия.
  2. Разработка метода и процедуры проведения расчетов характеристик излучаемых мод планарных световодов при их продольном двустороннем механическом сжатии.
  3. Разработка метода и процедуры проведения расчетов характеристик излучаемых мод круглых световодов при продольном кольцевом механическом воздействии на них.
  4. Анализ характеристик выводимого оптического излучения с целью выбора параметров внешнего механического воздействия, наиболее приемлемых для регистрации излучаемой энергии.
  5. Построение макета световодного чувствительного элемента на примере датчика веса.

Объектом исследования является процесс излучения оптической мощности из световодов, индуцированного механическим сдавливанием.

Предмет исследования – теоретические и методические аспекты получения и регистрации излучаемой оптической энергии из световодов, процедура расчета и применения выводимого излучения из волновода в датчиковой аппаратуре.

Методы исследований основываются на теории волоконной оптики, оптики анизотропных сред, теории фотоупругости, численных способах решения математических задач и методах объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

  1. Разработан метод расчета основных характеристик направляемых мод, возбуждаемых в планарных и волоконных световодах со ступенчатыми профилями показателя преломления;
  2. Предложена процедура оценки количества излучаемой энергии, индуцированной внешним механическим воздействием на оптические планарный и волоконный волноводы;
  3. Разработаны метод и алгоритм расчета параметров внешнего механического воздействия с целью обеспечения приемлемого уровня энергии излучаемых мод;
  4. Разработана схема использования световодного чувствительного элемента в составе датчиковых устройств механических воздействий и предложен макет датчика веса на основе планарного оптического волновода.

Практическая значимость работы.

  1. Разработана методика расчета излучаемой энергии в планарных и волоконных оптических волноводах со ступенчатым профилем показателя преломления, реализующая определение функциональной зависимости величины энергии излучения от приложенной внешнего механического напряжения на волновод;
  2. Использование разработанной методики расчета энергии излучаемых мод волноводов позволит повысить эффективность моделирования оптико-волноводной датчиковой аппаратуры и процессов передачи информации по оптическим волноводам, снизить затраты на создание качественно новых профилей оптических волноводов, а также аппаратных и методических способов защиты информации в волоконно-оптических линиях связи;
  3. Предложенный макет и принцип создания датчика веса могут быть использованы для создания устройств измерения веса различных объектов и предметов в широком диапазоне измерений.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены на Международной научной конференции (г. Саратов) “Математические методы в технике и технологиях” – ММТТ-21 (27-30 мая 2008г.), 51-ой научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета, Международной научно-практической конференции (г. Астрахань) “Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс” (13-15 октября 2010г.), Международной научной конференции (г. Москва) "Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях" (27 октября 2010г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 9 опубликованных научных работах, среди которых 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице, содержит 38 рисунков, 7 таблиц, список литературы, состоящий из 92 наименований публикаций отечественных авторов и 2 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности проблемы создания новых датчиковых устройств для измерений в экстремальных условиях – агрессивных и взрывоопасных средах, в условиях влияния сильных электромагнитных помех, вибраций. Сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен анализ возможных воздействий на световод с целью возникновения излучения из него, для исследования выбран механический способ воздействия как самый простой и наглядный, приведены закономерности изменения показателя преломления материала световода, подвергнутого механическому сдавливанию вдоль его оси.

Основные результаты получены из предположения возникновения искусственной анизотропии материала оболочки световода при внешнем воздействии на него. Ставится задача нахождения методики расчета излучаемой энергии из световода и получения зависимости этой энергии от величины внешнего воздействия. В этом смысле при выборе способа воздействия на световод необходимо исходить из принципа наглядности и простоты, поскольку с применением соотношений, описывающих различные эффекты можно получить зависимости, определяющие изменение показателя преломления материала световода от величины любого прикладываемого воздействия. Рассматривается механическое одноосное (вдоль оси световода ) воздействие на оболочку световода.

Передаваемая по волноводу оптическая энергия распределяется по направляемым модам (излучаемые моды быстро покидают волновод). Эти моды чувствительным к любым изменениям параметров волновода, индуцированными внешними воздействиями. Этот принцип применяется при создании датчиковой аппаратуры, в которой оптический волновод является чувствительным элементом. При одноосном механическом сдавливании показатель преломления материала волновода при этом претерпевает изменение, которое влечет изменение условия отсечки направляемых мод анизотропного волновода. Направляемые моды изотропного волновода будут превращаться в излучаемые в той области волновода, которая подвергается механическому сдавливанию , первыми при этом излучаются моды высшего порядка. Анализ характеристик излучаемых мод позволяет детектировать внешнее воздействие. Показатель преломления оболочки будет описываться двумя значениями

; (1)

где - показатель преломления изотропной недеформированной оболочки волновода; - модуль Юнга кварцевого стекла; – коэффициент Пуассона для кварца; и - упругооптические коэффициенты изотропного кварца.

Выявлена основная задача – исследование функциональной зависимости энергии выводимого излучения от величины внешнего воздействия. Отметим, что данный процесс может также использоваться и в негативных целях – при создании канала утечки информации в оптико-волоконных линиях связи. Управлять таким процессом можно подбором специального профиля показателя преломления волновода и способом его возбуждения.

Особую значимость приобретает задача вывода алгоритма расчета условий возникновения излучаемых мод, оценки величины приемлемой для этого нагрузки, а также расчета количества выводимой оптической энергии. Для численной оценки доли выводимого излучения необходимо рассмотреть процесс возбуждения мод оптических волноводов. Для этого в следующих главах рассматриваются соответствующие модели источник света– волновод.

Во второй главе производится вывод зависимостей, характеризующих направление и долю излучаемой оптической энергии в симметричных планарных световодах со ступенчатым профилем показателя преломления, определяемых характеристиками мод и показателем преломления материала оболочки световода, как функций приложенного механического напряжения.

Направляемые моды симметричного планарного световода распадаются на два вида – ТЕ и ТМ моды. При этом каждый вид мод разделяется на четные и нечетные, в зависимости от распределения амплитуды напряженности электрического поля моды относительно оси волновода. Набор направляемых мод, удовлетворяющих волноводному распространению, и их характеристики находятся численным решением характеристического уравнения световода. Для нахождения численных значений энергий, переносимых направляемыми модами, необходимо знать распределение поперечного электрического поля на торце волновода, формируемое источником света. Для наглядности в качестве источника выбран ламбертовский монохроматический излучатель с полукруговой диаграммой направленности, при расположении которого на одной оси с волноводом и в среде с показателем преломления равным показателю преломления сердцевины волновода, распределение электрического поля на торце описывается следующим образом:

(2)

где – распределение амплитуды напряженности электрического поля на торце световода; – яркость источника; – расстояние между торцами источника и волновода; - элемент источника; – толщина источника; – толщина сердцевины волновода; – показатель преломления сердцевины волновода.

Рассматриваемая схема возбуждения направляемых мод ламбертовским излучателем является хорошей моделью светодиодного возбуждения. Используя известное интегральное выражение, определяемое перекрытием распределения амплитуды электрического поля вводимого излучения (2) с распределением амплитуды электрического поля - ой моды, определяются численные значения энергий направляемых мод волновода. Для их определения был разработан специальный программный модуль.

Для рассматриваемого в работе слабонаправляющего планарного волновода с характеристиками ; показатель преломления оболочки ; , длина волны оптического излучения ; и источнике света с полной излучаемой мощностью и толщиной ; расстоянием между торцами рассчитаны энергии всех мод. Результаты расчета для последних пяти ТЕ и ТМ мод сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Характеристики мод высокого порядка рассматриваемого

планарного слабонаправляющего волновода



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.