Методы расширения диапазона измерений информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков

• Автор: Гублин, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 151 с. : ил.

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена разработке и теоретическому

обоснованию методов расширения диапазона измерений информационноизмерительных систем (ИИС) на основе волоконно-оптических датчиков.
Разработаны математические модели процессов в волоконно-оптических датчиках Фабри-Перо, отличающиеся малой погрешностью расчета.

Предложен и обоснован метод расширения диапазона измерений волоконно-оптических ИИС на основе датчика Фабри-Перо, обладающий повышенной устойчивостью к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.
Разработаны рекомендации по проектированию информационноизмерительных систем на основе датчика Фабри-Перо, включающие рекомендации по выбору основных параметров датчика, характеристик ИИС и алгоритмов обработки измерительной информации.
Разработан программный комплекс имитационного учебнотехнического моделирования волоконно-оптических ИИС, внедренный в учебный процесс кафедры Радиоэлектроника Тульского государственного университета, зарегистрированный в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ.
Разработана волоконно-оптическая ИИС на основе датчика Фабри-Перо с расширенным диапазоном измерений, получено положительное решение на заявку о регистрации изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ИХ СОСТАВ, СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Информационно-измерительные системы
1.2.Волоконно-оптические информационно измерительные системы
1.2.1. Основные тенденции развития
1.2.2. Информационно-измерительные системы на основе волоконно-оптических датчиков
1.2.3. Волоконно-оптические датчики
1.3. Методы анализа процессов в волоконно-оптических датчиках
1.4. Программные комплексы моделирования волоконно-оптических датчиков и информационно-измерительных систем на их основе
1.5. Постановка задачи на исследование
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
2.1. Методы описания процессов в волоконно-оптических датчиках

2.2. Волоконно-оптические датчики на основе интерферометра Фабри-Перо
2.2.1. Разработка математической модели
2.2.1.1. Обобщенная математическая модель датчика
2.2.1.2. Математическая модель учета дифракционных потерь
2.2.1.3. Математическая модель учета пространственной разъюстировки отражателей
2.2.1.4. Математическая модель учета объемного сжатия волокна
2.2.1.5. Математическая модель учета изгиба волокна
2.2.2. Результаты моделирования
2.3. Датчик напряженности (напряжения) электрического поля
2.4. Основные результаты и выводы

3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
3.1. ИИС на основе волоконно-оптического датчика Фабри-Перо
3.1.1.Структура ИИС
3.1.2. Факторы, ограничивающие диапазон измерения ИИС
3.1.3. Методы мультиплексирования датчиков Фабри-Перо
3.2. Разработка математической модели ИИС на основе волоконно-оптического датчика Фабри-Перо
3.2.1 Передающий оптический модуль , ‘
3.2.2 Оптическое волокно
3.2.3 Волоконно-оптический датчик Фабри-Перо
3.2.4 Приемный оптический модуль
3.2.5 Шумы ИИС
3.3. Разработка метода расширения измеряемого диапазона ИИС на основе волоконно-оптического датчика Фабри-Перо
3.3.1. ИИС с использованием передающего оптического модуля с перестраиваемой длиной волны
3.3.2. Сравнительный анализ разработанного метода расширения диапазона измерений ИИС
3.4. Основные результаты и выводы
4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИИС
4.1. Программный комплекс учебно-технического моделирования ИИС на основе волоконно-оптических датчиков
4.1.1. Структура программного комплекса учебно-технического моделирования
4.1.2. Программная реализация комплекса учебно-технического моделирования и компонентной базы модели ИИС
35 '
Под влиянием внешнего воздействия в одномодовом волоконно-оптическом датчике Фабри-Перо возможно возбуждение мод высшего порядка, что приведет к погрешности измерения. Указанный фактор следует учитывать путем контроля числа мод, распространяющихся в волокне,
используя соотношение:
2тг а
д/и2 -п <2.405,
(2.17)
где а - радиус сердцевины оптического волокна.
Произведен анализ влияния изменения температуры на резонансные характеристики датчика, при этом учитывалось влияние температуры на

изменение показателя преломления и геометрические размеры

интерферометра. Используемая математическая модель имеет вид:
Г(/,Г)
Щ — К2 ехр 'М"0+§ Л Г 1 Ь-ч + Г'"*,
1 - 12 ехР Л 1 1 1>ч +
(2.18)
2.2.1.2. Математическая модель учета дифракционных потерь
Оценка суммарных потерь на отражателях датчика Фабри-Перо может быть выполнена с использованием следующей зависимости:
СЧ<=~- (2-19)
Проектирование датчиков Фабри-Перо со «встроенным» резонатором требует учета влияния дифракционных потерь датчика Фабри-Перо. Существуют различные методики учета влияния дифракционных потерь, большинство из которых основаны на учете типа собственного колебания,
числа Френеля и формы волнового фронта. Число Френеля определяется
соотношением:

мф= —, (2-20)