Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптоэлектронные системы

Диссертационная работа:

Григорьев Валерий Анатольевич. Измерительные преобразователи поляриметрического типа : Теория и практика : диссертация ... доктора технических наук : 05.12.20.- Санкт-Петербург, 2000.- 271 с.: ил. РГБ ОД, 71 02-5/24-0

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА 14

  1. Классификация оптоэлектронных преобразователей -

  2. Компоненты преобразователей поляриметрического типа 18

  3. Основные физические явления и материалы,

используемые в преобразователях поляриметрического типа 25

1.4. Практическое применение ОЭП поляриметрического типа 40

1.5.Выводы 70

Глава 2

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ 72

  1. Обоснование выбора математического аппарата -

  2. Особенности процесса намагничивания магнитоодноосных

монокристаллических пленок ферритов-гранатов 82

  1. Вывод функции преобразования 86

  2. Ограничение порога чувствительности преобразователя амплитудным шумом источника света 94

  3. Ограничение порога чувствительности преобразователя

дробовым шумом фотодиода 101

  1. Влияние магнитного шума на порог чувствительности преобразователя магнитного поля 103

  2. Магнитооптика многослойного чувствительного элемента ПО

  3. Выводы 122

Глава 3

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ РОТАТОР В ОПТИЧЕСКОЙ

СХЕМЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА 124

  1. Математические основы принципа построения -

  2. Реальный магнитооптический ротатор 136

  3. Оценка дополнительной погрешности преобразователя 142

  4. Выводы 152

Глава 4

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО

МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛА 153

4.1. Принцип построения оптической схемы преобразователя -

4.2. Фазовый метод при распространении света

в анизотропной среде с кручением 164

4.3. Теоретическая оценка возможностей практической

реализации фазового метода измерения сигнала

преобразователей поляриметрического типа 171

4.4. Выводы 177

Глава 5.

СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА 178

5.1. Устройства измерения инфранизкочастотных

и постоянных магнитных полей -

  1. Преобразователи и измерители электрического тока промышленной частоты 191

  2. Устройства измерения напряженности электрического поля 208

  3. Оптоэлектронные устройства измерения давления 219

  4. Выводы 235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 236

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 240

Введение к работе:

Актуальность темы

Проблема построения измерительных преобразователей (датчиков) занимает одно из центральных мест в теории и практике создания устройств регистрации и измерения различных физических полей. Современная тенденция развития этих устройств заключается не только в улучшении их метрологических характеристик, но и в расширении эксплуатационных возможностей, к числу которых относятся: работа в условиях взрыво- и пожароопасных сред, высоких уровней электромагнитных помех, дистанционные измерения, осуществляемые в рамках волоконно-оптических систем передачи и обработки информации. Перечисленными возможностями обладают оптоэлектронные и в особенности волоконно-оптические преобразователи и устройства на их основе [9]. В рамках этого широкого круга существуют преобразователи, структура которых и вытекающие из нее специфические подходы при обработке сигнала измерительной информации, позволяют рассматривать такие преобразователи, как отдельный тип оптоэлектронных преобразователей. Эти преобразователи, которые по нашему мнению следует называть преобразователями поляриметрического типа, используют уникальные свойства некоторых оптических сред изменять состояние поляризации оптического излучения под влиянием ряда физических воздействий: магнитных и электрических полей, механических напряжений, температуры и т. д. [19]. Такого рода преобразователи и являются объектом исследований данной диссертационной работы.

Анализ существующих преобразователей физических полей по-

ляриметрического типа позволяет сделать вывод, что есть три направления исследований и разработок устройств, где уже очевидны успехи поляриметрических преобразователей и возможен дальнейший прогресс в их исследованиях и разработках. К этим направлениям следует отнести измерение слабых и средних магнитных полей в звуковом и инфранизкочастотном диапазоне, включая нулевые частоты; построение прецизионных преобразователей электрического тока и напряжения для систем защиты и телемеханики высоковольтных электрических подстанций; измерение давления (особенно гидростатического) в широком диапазоне измеряемых величин. Именно эти направления исследований позволяют рассчитывать на создание устройств, конкурирующих с традиционными преобразователями или превосходящих их по ряду метрологических и эксплуатационных характеристик.

Совершенствование традиционных преобразователей магнитного поля позволило получить впечатляющие значения их порога чувствительности. Так, например, разработанные в 60-х годах квантовые датчики с оптической накачкой, реагирующие на скалярную величину магнитного поля, имеют порог чувствительности 10~3 нТл на частотах 0,01 - 0,001 Гц [146]. Однако традиционные преобразователи магнитного поля не лишены определенных недостатков. Так, например, порог чувствительности индукционных преобразователей резко возрастает в области низких частот; сверхпроводниковые преобразователи требуют криостатирования; квантовые преобразователи достаточно сложны и не всегда надежны в эксплуатации и зачастую имеют значительное потребление мощности, узкий диапазон рабочих температур [178].

Преобразователи магнитного поля поляриметрического типа на основе прозрачных магнитооптических материалов помимо малой

температурной зависимости коэффициента преобразования привлекают простотой и надежной конструкцией. Есть все предпосылки для создания устройства для измерения магнитных полей с порогом чувствительности ОД - 0,01 нТл в области инфранизких частот и не хуже 1,0 мкТл при измерении постоянных полей.

Особые перспективы сулит применение поляриметрических преобразователей для измерения тока на высоковольтных электрических подстанциях. Волоконно-оптические преобразователи электрического тока на основе преобразователей поляриметрического типа имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными устройствами (трансформаторами тока) [57]:

а) их изолирующая система свободна от масла и газа, что в ито
ге оборачивается взрывобезопасной, компактной, легкой, простой в
эксплуатации и экологически чистой конструкцией;

б) возможность полностью диэлектрической связи в виде опти
ческих волокон между первичным преобразователем и оптоэлек-
тронным блоком, находящимся в диспетчерской, эффективно уст
раняет влияние электромагнитных помех на электронную схему
обработки;

в) одним из важнейших преимуществ является способность
обеспечивать несколько электронных выходов. Добавочные платы
оптоэлектронного блока не приводят к деградации выходных сиг
налов. Проблема вторичной нагрузки трансформатора исчезает. Та
ким образом, интерфейс волоконно-оптического трансформатора
тока совместим как с традиционными средствами и приборами, так
и с компьютерными системами, и значительно расширяет диапазон
применений трансформатора в составе информационно-
измерительных систем, систем защиты и т.д.;

Интенсивные исследования и разработки в области построения

преобразователей давления поляриметрического типа связаны с большими потенциальными возможностями этих преобразователей. К числу отличительных особенностей устройств на их основе, являющихся преимуществами по сравнению с традиционными преобразователями (например, мембранного типа) относятся [158]:

а) отсутствие подвижных механических частей в конструкции
преобразователя;

б) отсутствие гистерезиса чувствительного элемента;

в) потенциально чрезвычайно широкий диапазон измеряемых
величин (ограниченный областью упругих деформаций чувстви
тельного элемента).

Широкое внедрение измерительных преобразователей поляриметрического типа сдерживается недостаточным развитием теоретических основ их построения, а также способов практической реализации радиотехнических устройств на их основе.

Цели и задачи исследований

Целью настоящей диссертации является исследование и разработка теоретических основ построения измерительных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей в интересах создания устройств нового поколения на базе оптоэлектроники и волоконной оптики с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для использования в технике передачи и обработки информации, приборостроении, энергетике и других отраслях промышленности (в том числе оборонной).

Успешное решение этой важной научно-технической задачи позволит обеспечить постоянно возрастающий спрос на измерительные преобразователи и устройства, которые наряду с высокими

метрологическими характеристиками обеспечивают работу в условиях взрыво-, пожароопасных, агрессивных сред и в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:

  1. разработать теоретические основы принципа построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей, обеспечивающего достижение широкого диапазона измеряемых величин, высокой чувствительности и минимального порога чувствительности;

  2. разработать принцип построения оптической схемы преобразователя и метод измерения, направленные на предотвращение влияния возмущающих воздействий на оптические волокона с целью создания волоконно-оптического преобразователя постоянных физических полей;

3) создать математическую модель преобразователя магнитного
поля поляриметрического типа на основе монокристаллических
пленок ферритов-гранатов, включающую: исследование факторов,
влияющих на основные характеристики преобразователя; решение
прямой математической задачи, т.е. получение математического
выражения для функции (коэффициента) преобразования, порога
чувствительности; определение диапазона измеряемых величин.

Разработка теоретической модели позволит найти оптимальный путь создания преобразователя слабых и средних магнитных полей, постоянных и инфранизкочастотных;

4) экспериментально проверить разработанные теоретическую мо
дель и принципы построения преобразователей поляриметрическо
го типа, а также выявить факторы, определяющие потенциальные
возможности поляриметрических преобразователей физических по-

лей и ограничивающих их основные характеристики; 5) разработать способы практической реализации устройств, основанные на теоретических и экспериментальных результатах диссертационной работы.

Научная новизна

Научная новизна, полученных в диссертационной работе результатов, состоит в следующем:

экспериментально установлено влияние поля звуковой и ультразвуковой частоты, приложенного к магнитоодноосной пленке феррита-граната (чувствительного элемента), заключающееся в значительном снижении порога чувствительности преобразователя магнитного поля поляриметрического типа;

« впервые исследованы ранее не обсуждавшиеся в литературе спектры магнитного шума (скачки Баркгаузена), возникающего при возбуждении доменной структуры пленок ферритов - гранатов переменным полем звуковой и ультразвуковой частоты и ограничивающего порог чувствительности преобразователя поляриметрического типа;

впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены математические соотношения для коэффициента преобразования, порога чувствительности преобразователя магнитного поля на основе магнитоодноосных пленок ферритов-гранатов;

« разработан оригинальный принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на использовании невзаимного

элемента - магнитооптического ротатора;

разработаны теоретические основы универсального принципа
построения оптоэлектронных преобразователей поляримет
рического типа различных физических полей с использовани
ем фазового метода измерения сигнала, обеспечивающего
создание измерительных преобразователей и устройств на их
основе с широким диапазоном измерений и высокой чувстви
тельностью;

в разработаны способы реализации преобразователей различных физических полей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока и напряжения, механических напряжений, гидростатического давления.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования легли в основу разработок и внедрения в промышленность устройств на основе преобразователей физических полей поляриметрического типа:

« магнитометров и индикаторов и магнитных полей; « измерителей электрического тока ИТ-1, ВОТТ-1, индикатора напряжения ИН-І для высоковольтных электрических подстанций с напряжением 110-330 кВ, датчика электрического тока в комплекте системы дуговой защиты «ОВОД» для необслуживаемых электрических подстанций;

измерителя гидростатического давления ИГТ-1;

датчика нажатия пантографа электропоезда на токоведущий провод контактной сети железной дороги.

Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на:

Всесоюзных коифереіщнях: 2-ой и 3-ей научно-технических конференциях «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Ленинград, 1984; Таллинн, 1987); 4-ой конференции «Световодные системы связи и передачи информации» (Москва, 1984); 5-ой конференции «Волоконно-оптические системы передачи» (Москва, 1988); 3-ей конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван, 1987);

XIV Научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (Москва, 2000);

семинарах: на краткосрочном семинаре «Применение лазеров в промышленности в свете решений XXVII съезда КПСС» (Ленинград, 1987); 2-ом научно-техническом семинаре «Микроэлектронные датчики» (Ульяновск, 1988);

на международных конференциях: First International Soviet Fiber Optics Conference (Leningrad, USSR, 1991); International Conference «Gradient-index Optics in Science and Engineering» (Warsaw, Poland, 1995).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 37 работах, вклю-

чающих 1 монографию и 9 авторских свидетельств СССР. Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель преобразователя магнитного поля поля
риметрического типа на основе монокристаллических пленок фер
ритов-гранатов, содержащая теоретические соотношения для рас
чета и оптимизации основных метрологических характеристик пре
образователя;

  1. Принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на применении в оптической схеме преобразователя магнитооптического ротатора, позволяющий производить измерение постоянных и пер-менных физических полей в присутствии возмущающих воздействий: дрейфа световой мощности излучателя, потерь световой мощности на микро- и макро- изгибах подводящих оптических волокон, изменений температуры окружающей среды;

  2. Универсальный принцип построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей, в том числе постоянных, с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне.

  3. Способы реализации и конструкции устройств на базе измерительных преобразователей физических полей поляриметрического типа, разработанные в процессе выполнения работы и основанные на ее теоретических и экспериментальных результатах.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, содержащих оригинальные научные результаты, заключения, содержащего основные результаты и выводы работы и списка цитируемой литературы.

Общий объем диссертации 265 страниц, включая 217 страниц текста, 69 графиков, рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы содержит 216 наименований.

1 Л53ВЙ 1

Подобные работы
Худоленко Олег Владимирович
Эффективность эксплуатации воздушных судов и совершенствование организации производства при выполнении авиаработ : теория и практика
Строганов Борис Борисович
Основы теории и практики вязания многослойного и квазимногослойного трикотажа
Тамова Майя Юрьевна
Теория и практика конструирования продуктов питания функционального назначения на основе натуральных структурообразователей и каротиноидов
Алексеев Владимир Петрович
Теория и практика создания автоматизированных систем управления пространственно-распределенными подвижными объектами
Родэ Сергей Витальевич
Теория и практика модификации материалов легкой промышленности в плазме тлеющего разряда
Корабельников Андрей Ростиславович
Развитие теории и практики получения и очистки короткоштапельного льняного волокна
Алтухова Галина Алексеевна
Библиотечно-педагогическая этика (Теория и практика)
Родионов Юрий Владимирович
Теория и практика применения динамических режимов нагружения двигателей внутреннего сгорания при эксплуатации автомобилей
Джендубаев Абрек-Заур Рауфович
Автономные асинхронные генераторы с конденсаторным самовозбуждением : развитие теории и практики
Новичков Сергей Борисович
Теория и практика переработки отходов алюминия в роторных наклонных печах

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net