Разработка и исследование преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта

• Автор: Звей Нэй Зо
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 172 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
1.1 Микромеханические преобразователи давления и силы
1.2 Оптические преобразователи внешних воздействий
1.2.1 Оценка применения оптических преобразователей
1.2.2 Оптические преобразователи для измерения давления и силы
1.3 Постановка частных задач исследования
1.3.1 Обобщенная структурная схема и функция преобразования преобразователей на основе оптического туннельного эффекта
1.3.2 Зависимость отражательной способности сред от расстояния между центром мембраны и основанием призмы
1.3.3 Частные задачи исследования
Выводы
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ УТОЧНЕННЫХ МЕАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ
2.1 Разработка уточненной математической модели преобразователей давления на основе оптического туннельного эффекта, учитывающей переменность прогиба мембраны
2.2 Исследование влияния прогиба переменности мембраны при воздействии давления на функцию преобразования
2.3 Разработка уточненной математической модели преобразователей силы на основе оптического туннельного эффекта
2.4 Исследование влияния прогиба переменности мембраны при воздействии силы на функцию преобразования
2.5 Анализ чувствительности преобразования к изменению зазора
Выводы
ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ

ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИХ КОМПЕНСАЦИИ
3.1 Исследование влияния погрешностей изготовления конструктивных параметров на характеристики преобразователей давления и силы
3.2 Исследование влияния температуры на функцию преобразования преобразователей давления и силы на основе оптического туннельного эффекта и компенсация дополнительной температурной погрешности
3.3 Исследование влияния электрического поля на пьезоэлектрический элемент для управления зазором преобразователя на основе оптического туннельного эффекта
3.3.1 Исследование влияния электрического поля на пьезоэлектрический элемент
3.3.2 Управление преобразователем на основе оптического туннельного эффекта с помощью электрического напряжения
3.4 Исследование взаимодействия биметаллических воспринимающих элементов с
системой «призма-зазор-мембрана» для построения преобразователя температуры
Выводы
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЯ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СИЛЫ
4.1 Функция преобразования преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта
4.2 Обеспечение расширенного диапазона измерения преобразователем давления на основе оптического туннельного эффекта
4.3 Моделирование статических характеристик преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном измерения
4.4 Моделирование динамических характеристик преобразователя давления на основе оптического туннельного эффекта с расширенным диапазоном измерения
4.5 Экспериментальное исследование характеристик преобразователей электрического напряжения и температуры на основе оптического туннельного эффекта
4.5.1 Экспериментальное исследование характеристик преобразователей электрического напряжения
4.5.2 Температурная чувствительность преобразователя
4.6 Методика расчета преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для
измерения давления и силы

4.6.1 Выбор источника излучения с обеспечением стабилизации оптической излучаемой мощности
4.6.2 Выбор фотоприемника
4.6.3 Расчет конструктивных параметров мембраны для обеспечения требуемого диапазона измерения давления и силы
4.6.4 Расчет чувствительности преобразования для обеспечения квазилинейного участка
4.6.5 Этапы построения преобразователей на основе оптического туннельного эффекта для измерения давления и силы
Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ

Угол падения излучения в на модулируемую поверхность выбирается таким, чтобы условие ПВО нарушалось при оптическом контакте призмы лишь с мембраной. Полное внутреннее отражение (ПВО) - это значит, что если угол падения в невелик, то часть поля отражается, а часть преломляется. Однако, при переходе из более плотной среды в менее плотную (п>пт), при некотором угле падения синус угла преломления по закону преломления должен быть больше единицы, что невозможно. Поэтому в таком случае преломления не происходит, а происходит полное внутреннее отражение (ПВО).
Явление ПВО широко используется в оптической технике благодаря тому, что при ПВО отражается 100% энергии, т.е. потерь энергии нет. Поэтому ПВО позволяет решить задачу полного отражения света: в зависимости от угла падения луч или почти полностью проходит, или полностью отражается. Условие полного внутреннего отражения (ПВО):

э 1 п в >

Таким образом, Это значит, что угол должен удовлетворять условию: агсзт(п2/п)<в<агсзт(щ/п2).
Зазор с1 между основанием призмы и пластиной устанавливается меньшим длины волны излучения, т.е. порядка сотен нанометров. Если зазор (1 больше длины электромагнитной волны (<Л > Я), то отражательная способность /2=1,0, и на выходе имеем максимальную оптическую мощность РФП. Если зазор с! мал, то оптическая волна, приникающая в зазор (п2), достигает пластины (щ). Так как относительно пластины (и3) ПВО не выполняется, то часть оптической энергии распространяет по пластине (н3). Чем меньше величина зазора (йГ), тем меньше выходная оптическая мощность РФП. Например, при с1 =0 и п3 = щ; то Я = 0 и выходная оптическая мощность равна нулю, т.е. РФП = 0.
И так под воздействием внешнего воздействия (например, давления), подвижная пластина - мембрана в преобразователе прогибается, т.е.