Автореферат (Разработка и исследование преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта), страница 4

Преобразователь электрического напряжения на основе ОТЭ: 1призма полного внутреннего отражения, 2- подвижный диск, 3- пьезопакет, 4коллимирующее устройство, 5- волоконный световод14В первичном преобразователе электрического напряжения величиназазора d определяется толщиной пьезопакета, которая зависит от электрическогонапряжения U, подаваемого на пьезопакет. В случае монотонного изменениянапряжения U, подаваемого на пьезопакет, зависимость величины зазора отнапряжения можно задать кусочно-линейной функцией: αU  U 0  при U  U 0d при U  U 00,(8)где α - чувствительность пьезопакета, U0 - напряжение, которому соответствуетнулевая величина зазора.В таком случае с учетом отражательной способности преобразователя,зависящая от изменения зазора d(α(U-U0)), функция преобразованияпреобразователя электрического напряжения, определяемая как зависимостьмощности выходного оптического излучения PФП от электрическогонапряжения, с учетом суммарных потерь kП может быть представленаследующим образом:P  k  RαU  U 0  при U  U 0PФП (U )   0 Ппри U  U 0 0,(9)где Р0 – оптическая мощность, поступающая на вход преобразователя.Рис.10.

Функция преобразования ПП электрического напряжения(квадратные маркеры – эксперимент, сплошная линия – расчетная кривая)Предложена методика определения конструктивных параметровпреобразователей основана на обеспечении работы в заданном диапазонечувствительности и обеспечивает реализацию требуемого диапазона измерениядавления и силы.

При этом для получения функции преобразования наквазилинейном участке необходимо выбрать диапазон изменения зазора спомощью отклонения толщины и радиуса мембраны от номинальных значений.Функция преобразования преобразователя давления на основеоптического туннельного эффекта (рис. 11) с учетом уточненнойматематической модели для определения мощности оптического излучения РФПможет быть представлена в виде:152U ВЫХ ( р)   E .cos   00эл0( ),R(d (r ) )  r  dr d   SФД  K I-U  K БО(10)где SФД – чувствительность фотоприемника, А/Вт;KI-U – коэффициент преобразователя ток-напряжение;KБО – коэффициент преобразования блока обработки.Рис.11.

Структурная схема преобразователя давления на основе ОТЭДля определения диапазона изменения зазора d предлагаетсяпроизводить анализ изменения чувствительности преобразователя:R(d (r )  Δd )  R(d (r )) ,(11)S (d ) d (r )и определять участок, на котором чувствительность уменьшается не более, чем вn раз от максимального значения, т.е.

до S=Sмакс/n , например, в 2 раза (рис. 12).Рис.12. Чувствительность отражательной способности R сред к зазорупри θ=var и λ=1,3мкмС учетом обеспечения заданного диапазона перемещений мембранывыбираются параметры мембраны (например, RМ=1,5мм и hМ=0,745мм), иопределяются зависимости выходной мощности оптического излучения РФП ивыходного напряжения UВЫХ(р) от давления при условии S=Sмакс/2, привоздействии р=0...10МПа, θ=51°, λ=1,3мкм, РИИ=10мВт, SФД=0,4А/Вт, RОС=1кОми d=0,05мкм÷0,35мкм (рис. 13). При этом преобразователь «ток-напряжение»реализован на операционном усилителе (ОУ) (KI-U =UI-U / IФД=RОС, где RОС –резистор в цепи по обратной связи ОУ); блок обработки обеспечиваетнормирование выходного сигнала.16б)а)Рис.13. Зависимость мощности оптического излучения РФП (а) и выходногонапряжения UВЫХ(р) (б) от давления р=0…10МПаОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИВ результате выполнения данной диссертационной работыполучены следующие основные научные результаты.1.Разработаныуточненныематематическиемоделипреобразователей на основе оптического туннельного эффекта дляизмерения давления и силы, которые учитывают переменность нанозазорадля различных точек контакта оптического излучения с модулируемойгранью призмы, обеспечивающие уменьшение погрешности расчетовхарактеристик преобразователей давления и силы.2.

Исследовано влияние конструктивных параметров нахарактеристики преобразователей давления и силы на основе оптическоготуннельного эффекта и определены погрешности расчетов мощностиоптического излучения P ФП уточн с учетом предложенной уточненнойматематической модели по сравнению с приближенной моделью длямощности оптического излучения P ФП прибл , определяющей приближенно поцентральному лучу источника излучения с учетом допущения постоянствазазора.3. Исследовано влияние температуры на характеристикипреобразователей на основе оптического туннельного эффекта иопределены величины дополнительной температурной погрешности,которая уменьшена за счет использования кварцевых элементовпреобразователя, и предложены способы компенсации дополнительнойтемпературной погрешности.4.

Предложена полезная модель преобразователя температуры наосновеоптическоготуннельногоэффектаибиметаллическихвоспринимающих элементов, обеспечивающего работу в заданномтемпературномдиапазонеприисследованиивзаимодействиебиметаллических воспринимающих элементов с системой «призма-зазормембрана».5. Экспериментально исследовано влияние электрического поля наоптическое туннелирование при использовании пьезоэлектрического элемента и17предложена структурная схема преобразователя электрических напряжений наоснове оптического туннельного эффекта.6.Разработанаструктурнаясхемапреобразователя,обеспечивающего расширение диапазона измерения давления и силы засчет введения обратной связи по положению воспринимающего элемента,компенсирующей влияния изменение формы мембраны.7.

Предложена методика расчета конструктивных параметровпреобразователей на основе оптического туннельного эффекта,основанная на работе в заданном диапазоне чувствительности, котораяобеспечивает реализацию требуемого диапазона измерения да вления исилы.СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИСтатьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:1. Бусурин В.

И., Шток К. В., Звей Нэй Зо. Преобразователи давления исилы на основе оптического туннельного эффекта // Приборы. 2010. № 2. с. 1–5.2. Бусурин В.И., Казарьян А.В., Чижов В.С., Звей Нэй Зо. Исследованиехарактеристик преобразователей электрического напряжения и температуры наоснове оптического туннелирования // Мехатроника, Автоматизация,Управления.

2011. № 12. с. 40–44.3. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Моделирование и компенсациятемпературной погрешности преобразователя давления на основе оптическоготуннелирования // Вестник МАИ, 2012, № 1, с. 149–156.4. Бусурин В.И., Казарьян А.В., Жеглов М.А., Звей Нэй Зо.Моделирование преобразователя давления на основе оптического туннельногоэффекта с настраиваемым диапазоном измерения // Вестник МАИ, 2012. № 4, с.128–133.Другие публикации автора:5. Звей Нэй Зо.

Моделирование преобразователя давления на основеоптического туннельного эффекта // 17-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроникаи информатика – 2010», 28 - 30 апреля 2010 г. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ,2010. – с. 116.6. Бусурин В.И., Гуськова Е.А., Звей Нэй Зо. Компенсациятемпературной погрешности преобразователя давления на основе оптическоготуннелирования // 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническаяконференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика –2011».

19 - 21 апреля 2011 г. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2011. – с. 102.7. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Нгуен Зуй Динь. Анализ характеристикпреобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта срасширенным диапазоном // 19-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроникаи информатика – 2012». 18 - 20 апреля 2012 г.

Тезисы докладов. – М.: МИЭТ,2012. – с. 94.188. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Огурцова А.А. Компенсациятемпературной погрешности преобразователя давления на основе оптическоготуннелирования // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011. Научно-техническаяконференция-семинар по фотонике и информационной оптике . 26-28января 2011 г. Тезисы докладов.

- М.: НИЯУ МИФИ, 2011– с. 32–33.9. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо, Дворникова О.Д., Мищенко О.А.Исследование математической модели преобразователя давления на основеоптического туннельного эффекта // Всероссийская конференция по фотонике иинформационной оптике. 25 января – 27 января 2012 г. Тезисы докладов. М.:НИЯУ МИФИ, 2012– с. 134-135.10.

Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Преобразователь внешних воздействийна основе оптического туннельного эффекта //Труды XIX-ого международногонаучно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления,автоматики и обработки информации», г. Алушта, 18-24 сентября 2010 г. – с.223-224.11. Бусурин В.И., Звей Нэй Зо. Преобразователь температуры на основеоптического туннелирования //Труды ХХ-ого международного научнотехнического семинара «Современные технологии в задачах управления,автоматики и обработки информации», г.

Алушта, 18-24 сентября 2011 г. Изд-воПензенского ГУ, 2011. – с. 235-236.12. Бусурин В.И., Казарьян А.В., Звей Нэй Зо. Преобразовтельэлектрического напряжения на основе оптического туннелирования //ТрудыХХI-ого международного научно-технического семинара «Современныетехнологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г.Алушта, 18-24 сентября 2012 г, – М.: Изд-во ГУП Академиздат центр “Наука”РАН, 2012. – с. 145.13. Бусурин В.И., Шток К.В., Звей Нэй Зо, Гладышев А.И.Моделирование информационных преобразователей на основе оптическоготуннельного эффекта // Всероссийская конференция «Проведение научныхисследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации»,1-5 декабря 2009 г., Ульяновск, УлГТУ, 2009. - т.