Автореферат (Разработка и исследование преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта)

На правах рукописиЗвей Нэй ЗоРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫНА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТАСпециальность 05.13.05«Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013Диссертационная работа выполнена на кафедре «Системы автоматического иинтеллектуального управления» Московского авиационного института(национального исследовательского университета) «МАИ».Научный руководитель:доктор технических наук, профессорБусурин Владимир ИгоревичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорМельников Валерий Ефимовичкандидат технических наукЛизунов Александр АлександровичВедущая организация:ОАО «Центральный научно-исследовательскийтехнологический институт «Техномаш»Защита диссертации состоится «____» ________ 2013 г.

в ___ час. ___ мин. назаседании диссертационного совета Д212.125.01 при Московском авиационноминституте (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 авиационногоинститута (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 советМАИ.Автореферат разослан «____» __________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.01кандидат технических наук, доцентА.

В. Корнеенкова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИАктуальность темы исследования. В последние годы наметиласьтенденция развития и совершенствования оптических преобразователей. Онииспользуются в тех случаях, когда определяющими являются малые размеры,масса и возможность работы при повышенных температурах, в условияхвоздействия электромагнитных полей, а также в агрессивных и взрывоопасныхсредах.В частности, такие условия являются характерными для объектовавиационной и космической техники. Например, при разработке системуправления авиационными двигателями необходимо использовать данные одавлении в различных зонах, в которых высокая температура газов исключаетиспользование полупроводниковых устройств.

В настоящее время определениедавления газовой среды внутри камеры сгорания осуществляется по косвеннымпризнакам. Для приближения преобразователя к высокотемпературной областиизмерения возможно построение его оптических узлов на основе кварца.Известны оптические преобразователи с отражательной мембраной ипринимающими и передающими волоконными световодами, в которых внешнеемеханическое воздействие (давление, сила), приводит к прогибу мембраны, иотраженное мембраной оптическое излучение перераспределяется на торцепринимающего волоконного световода. Но чувствительность таких оптическихпреобразователей невелика. Чтобы повысить чувствительность, можноиспользовать преобразователи на основе управляемого оптического туннельногоэффекта с переменным зазором между световодом и подвижной пластиной.

Дляизмерения давления и силы целесообразно использовать преобразователивнешних воздействий на основе оптического туннельного эффекта в системе«призма полного внутреннего отражения – пластина», выполненной изкварцевого стекла, что обеспечивает возможность работы при повышенныхтемпературах. Вместе с тем отсутствует полное математическое описаниевзаимодействия оптического излучения с переменными нанозазорами в такихпреобразователях, что не позволяет производить точный расчет иххарактеристик и параметров.Поэтому разработка и исследование оптических преобразователей наоснове оптического туннельного эффекта, способных обеспечить получениедостоверной информации о механических воздействиях, и их уточненныхматематических моделей, является актуальной задачей.Целью работы является улучшение характеристик преобразователейдавления и силы на основе оптического туннельного эффекта в системе «призмаполного внутреннего отражения – пластина», выполненных из кварцевого стеклаи способных работать при повышенных температурах в составе системавтоматического управления авиационными двигателями.Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачиисследования:− разработать и исследовать уточненные математические моделипреобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения3давления и силы;− исследовать влияние конструктивных параметров на характеристикипреобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта;− произвести анализ влияния внешних дестабилизирующих факторов нахарактеристики преобразователей на основе оптического туннельного эффекта иразработать методы их компенсации;− исследовать возможность расширения диапазона измеренияпреобразователей давления и силы за счет введения обратных связей поположению воспринимающего элемента и исследовать их статические идинамические характеристики;−провестиэкспериментальноеисследованиехарактеристикпреобразователей на основе оптического туннельного эффекта;− разработать методику расчета преобразователей давления и силы наоснове оптического туннельного эффекта.Научная новизна работы:− предложены уточненные математические модели преобразователей наоснове оптического туннельного эффекта, которые учитывают переменностьнанозазора для различных точек контакта оптического излучения смодулируемой гранью призмы, что обеспечивает уменьшение погрешностирасчетов характеристик преобразователей давления и силы;− предложена новая структура преобразователя давления и силы,которая отличается введением дополнительной обратной связи по положениювоспринимающего элемента, компенсирующей влияние изменения формымембраны, что обеспечивает расширение диапазона измерения давления и силы;− предложено новое решение, использующие температурные изменениясвойстввзаимосвязанныхбиметаллическойикварцевоймембранпреобразователя на основе оптического туннельного эффекта, что позволяетпроизводить измерение температуры в заданном диапазоне;− методика расчета преобразователей давления и силы с оптическимтуннельным эффектом основана на обеспечении заданного диапазоначувствительности, что приводит к реализации квазилинейной функциипреобразования.Методы исследованияПри разработке математических моделей преобразователей внешнихвоздействии на основе оптического туннельного эффекта использовалисьосновные положения волновой и геометрической оптики, применялись методытеории упругости, прикладной механики.При исследовании характеристик преобразователей для измерениядавления, сил, электрических напряжений, температуры использовалисьположения теории интегрального исчисления, чувствительности, погрешностей,методычисленногоанализа.Вэкспериментальныхисследованияхиспользовались положения теории измерений и математическая обработкаполученныхрезультатов.Исследованиемоделейпреобразователейпроизводилось с применением программного пакета (MathCAD).4Основные положения, выносимые на защиту:− уточненные математические модели преобразователей на основеоптического туннельного эффекта, которые учитывают неравномерностьпрогиба мембраны при воздействии давления и силы и расходимостьоптического излучения, что уменьшает погрешность расчетов характеристикпреобразователей;− обеспечение малой температурной погрешности за счет использованиякварцевых элементов преобразователя и способы компенсации температурнойпогрешности;− полезная модель преобразователя температуры на основе оптическоготуннельного эффекта и биметаллических воспринимающих элементов,обеспечивающих работу в заданном температурном диапазоне;− результаты экспериментального исследования влияния электрическогополя на оптическое туннелирование при использовании пьезоэлектрическогоэлемента и структурную схему преобразователя электрических напряжений наоснове оптического туннельного эффекта;− обеспечение расширенного диапазона измерения преобразователя наоснове оптического туннельного эффекта за счет введения обратной связи,компенсирующей влияние изменения формы мембраны;− методика расчета преобразователей механических воздействий соптическим туннельным эффектом, основанная на обеспечении заданногодиапазона чувствительности.Практическая ценность исследованияИспользование полученных в работе уточненных математическихмоделей преобразователей на основе оптического туннельного эффектапозволяет повысить точность расчета их характеристик.Показано, что преобразователи на основе оптического туннельногоэффекта в системе «призма полного внутреннего отражения – пластина»,выполненные полностью из кварцевого стекла, способны работать приповышенных температурах (до 500 °С) с малой температурной погрешностью,что позволяет их использовать в системе автоматического управленияавиационными газотурбинными двигателями в различных температурных зонах.Результаты исследования влияния механических воздействий (давления,силы) и электрического напряжения на оптическое туннелирование в системе«призма-зазор-мембрана»ипредложенноетехническоерешениепреобразователя с компенсирующей обратной связью позволяют создаватьпреобразователи, отличающиеся расширенным диапазоном измерения.Разработанная методика позволяет производить расчет основныхпараметров преобразователей давления и силы на основе оптическоготуннельного эффекта с обеспечением заданного диапазона их чувствительности.Достоверность научных положений, результатов, выводов ирекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована соответствиемполученныхрезультатовизвестным,атакжепроведеннымиэкспериментальными исследованиями.5Реализация результатов работы.