Автоматизированный комплекс для исследования характеристик оптических возбуждаемых микрорезонаторных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ГОНТАРЕВ Сергей Владимирович

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАННИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДАЕМЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУР

(01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.)

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Потапов Владимир Тимофеевич

Соломин Борис Александрович Официальные оппонента: доктор технических наук

Олейников Александр Яковлевич кандидат физико-математических наук Горшков Борис Георгиевич

Ведущая организация: Московский Государственный Университет Леса

Защита состоится " " ило-ы-й. 1995 г. в ¿0_ час. на заседании диссертационного совета Д002.74.03 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН 103907 г. Москва. Центр. ГСП - 3 ул. Моховая 11. Институт радиотехники и электроники. Автореферат разослан "3 ' 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный консультант: кандидат технических наук

к. ф.- и. н.

М.И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние годы большое внимание уделяется исследованиям, направленный на создание волоконно-оптических датчиков с частотный кодированием сигнала на основе микрорезонаторных структур (MPC), возбуждаемых светом. Сочетание технологии микроэлектроники и волоконной оптики позволяет решить две основные проблемы, стоящие на пути внедрения в практику волоконно-оптических датчиков;

а) повысить точность измерений.

б) создать мультиплексные измерительные системы на их основе. Микрорезонатор, как правило, представляет собой микробалку или

микроконсоль, изготовленные из кремния методом анизотропного травления. Внешнее воздействие (например давление, температура и т. д.) деформирует подложку микрорезонатора и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту изгибных колебаний, возбуждаемых светом. Эта изменения частоты регистрируют волоконно-оптическими методами. Новые возможности для измерения физических воздействий открывает нанесение на поверхность микрорезонатора пленок веществ, селективно чувствительных к различным факторам. Однако при этом значительно снижается добротность микрорезонатора и падает точность измерения частоты и датчика в целом. Поэтому дальнейшее развитие рассматриваемого направления в большей степени связано с разработкой методов измерения параметров низкодобротных MPC (частота, амплитуда, фаза колебания), позволяющих реализовывать необходимую точность измерений.

Цель работы Целью настоящей работы является разработка и создание программно-аппаратных средств и методов исследования оптически возбуждаемых микрорезонаторных структур.

Научная новизна

1. Предложены новые методы:

- измерения резонансной частоты низкодобротных колебательных систем, в частности микрорезонаторов, основанный на использовании двухчастотного возбуждающего сигнала;

- повышения отношения сигнал/шум при произвольном дрейфе длины короткого оптического резонатора интерферометра, основаный

на выборе одной из двух (Х.[ или X 2) длин волн зондирующего излучения, связаны* соотношением:

где L- длина резонатора интерферометра, а а и m - целые числа. - стабилизации рабочей точки интерферометра с модулируемой дайной оптического резонатора, оснований на сравнении длительностей положительных и отрицательных полуволн переменной составляющей выходного сигнала.

2. На основе предложенных методов создан программно-аппаратный комплекс для измерения амплитудных, частотных и фазовых характеристик MPC с разрешением по частоте 0.01 Гц.

Практическая ценность

1. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что на основе предложенных методов разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий на стандартной оптоэлектрон-ной базе проводить исследование и разработку волоконно-оптических датчиков (ВОД) на основе MPC.

2. Предложенный двухчастотный метод измерения резонансной частоты позволяет снизить требования к временной стабильности генераторов, формирующих измерительный сигнал до времени, равному циклу измерений.

3. Метод стабилизации рабочей точки позволяет осуществить стабилизацию рабочей точки для симметричных измерительных сигналов произвольной частоты, амплитуды и формы. Метод обладает повышенным быстродействием: минимальное время регулирования равно периоду колебаний. Данный метод использовался для контроля деформаций кристаллов мощных транзисторов. Он может быть использован для контроля качества изготовления транзисторов в процессе производства и прогнозирования их надежности.

4. Метод повышения отношения сигнал/шум позволяет снизить технологические требования к изготовлению первичных преобразователей при сохранении высокой точности измерений.

Положения, выносимые на защиту

I. Программно-аппаратный комплекс для исследования частотных (с разрешением до 0,01 Гц), амплитудных и фазовых характеристик MPC, возбуждаемых акустическими или оптическими сигналами.

2. Метод измерения резонансной частоты ннзкодобротаых колебательных структур, основанный на использовании двухчастотного возбуждающего сигнала и определении резонансной частоты по моменту равенства амплитуд откликов.

3. Способ стабилизации рабочей точки интерферометра, основанный на сравнении длительностей положительных и отрицательных полуволн переменной составляющей выходного сигнала интерферометра при произвольной частоте и амплитуде колебаний MPC.

4. Способ повышения соотношения сигнал/шум на выходе интерферометра, оснований на регистрации сигнала на одной из двух длин волн, связаных соотношением

где L - длина резонатора интерферометра, а п и m - целые числа.

Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на совместном научно-техническом семинаре Саратовского Филиала ИРЭ АН СССР, НТОРЭС им. A.C. Попова, УлПИ "Методы повышения точности регистрации и обработки измерительной информации в оптико-электронных устройствах." (Ульяновск 1991 г.), Третьей международной конференции по волоконной оптике и телефонии ISFOC- 93 (С-Пеггербург. 1993 г.), Всеросийской конференции "Волоконная оптика" (Москва, 1993г.) , V - й Российской научно-технической конференции " Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей Среды". (Ульяновск, 1993г.), Шестом межреспубликанском научном заочном научно-техническом семинаре "Применение лазеров в науке и технике" (Иркутск, 1994 г.).

Результаты работы опубликованы в 5 печатных работах.

Апробация работы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается обзор литературы, посвященной ВОД. Рассматриваются характеристики информационных потоков, используемых адаптивными информационно-измерительными системами. Рассмотрена возможность измерения более чем одного параметра внешней среды при использовании одного физического канала передачи информации. Отмечаются существующие при проектировании MPC противоречивые требования: с одной стороны, для увеличения амплитуды колебаний, возбуждаемых светом, необходимо до некоторого предела увеличивать толщину поглощающей пленки, наносимой на поверхность микрорезонатора, и в то же время увеличение толщины пленки приводит к снижению добротности, и как следствие к снижению точности измерений. Среди различных оптических методов регистрации колебаний предпочтение отдается интерференционному методу.

Датчик представляет устройство для дистанционного измерения параметра или группы параметров окружающей среды в точке, удаленной от конечного потребителя информации на некоторое расстояние. Входной величиной для датчика является измеряемый параметр или группа параметров, выходной - информация в удобном для потребителя информации виде. Датчики совместно с устройством, осуществляющим дополнительную обработку сигналов, образуют информационно-измерительную систему (ИИС). Для обеспечения соответствия выходных сигналов состоянию объекта, информацию с которого получают датчики, входящие в систему ИИС, в ИИС должна быть заложена модель объекта и датчиков. При этом степень приближения и детальности описания системы (объекта) зависят как от входной информации, поступающей с датчиков, так и от алгоритмов функционирования, заложенных в адаптивную ИИС. Степень приближения ИИС к измеряемому объекту определяется объемом, точностью и достоверностью информации, получаемой ИИС от контролируемого объекта.

При использовании в ИИС мультиплексных датчиков возможно как сокращение их общего количества, так и повышение общей надежности ИИС за счет возможности дублирования информации, поставляемой в ИИС датчиками.

Процесс обработки информации в датчике должен строиться, исходя из требований конечного потребления информации. Традиционно датчик рассматривается как одноканальный (рис 1).

УО

кпи

пп

ИУ и я

Рис. 1 Функциональная схема датчика.

Р - измеряемый параметр или группа параметров, Я - информация об измеряемом параметре (группе параметров), ПП - первичный преобразователь, КПИ - канал передачи информации, УО - устройство обработки, ИУ - измерительное устройство, И - интерпретатор результатов измерений.

В таком датчике информация от первичного преобразователя передается к устройствам измерения и интерпретации по одному физическому каналу.

В реальных датчиках процесс преобразования информации носит характер гомоморфного преобразования и сопровождается потерями информации. Допустимая степень потерь информации, при которой гомоморфное преобразование, осуществляемое датчиком, может рассматриваться как изоморфное, определяется требованиями к точности датчика.

При проектировании датчиков представляет интерес не только величина характеристики какого-либо параметра, но и вид его зависимости от того или иного параметра. В общем случае мы можем рассматривать каждый из измеряемых параметров как функцию, зависящую от всех остальных параметров. Функция преобразования датчика может быть представлена как поверхность в п-мерном пространстве входных воздействующих величин.

Отличительной особенностью ВОД является использование оптического волокна (ОВ) в качестве канала, соединяющего измерительный преобразователь с обрабатывающей частью схемы, или в качестве рассредоточенного чувствительного элемента, когда в роли датчика используется само волокно.

Преимуществом использования ОВ в ВОД по сравнению с традиционно используемыми каналами передачи информации при построении ИИС является его широкополосность, что потенциально позволяет достоверно передавать большие объемы информации.

В основу классификации ВОД целесообразно положить различие в оптических схемах модуляции. В диссертации рассмотрена классификация ВОД в зависимости от используемых видов модуляции.

Исходя из классификации ВОД, можно отметить, что, как в ВОД амплитудного типа, так и в ВОД фазового и поляризационного типов передача информации по каналу, связывающему первичный преобразователь и устройство обработки информации, ВОД осуществляется амплитудной модуляцией сигнала. Ввиду того, что в ВОД содержатся элементы, вносящие в передаваемый сигнал дополнительную амплитудную и фазовую модуляцию, повышение точности ВОД выше определенного порога будет связано со значительными затратами. Это связано с тем, что источники дополнительной амплитудной и фазовой модуляции распределены по всей измерительной цепи датчика. Вследствие этого повышение точности ВОД может быть достигнуто снижением влияния на результаты измерения влияния многих источников дополнительной модуляции. В ВОД дополнительная модуляция сигнала создается источниками с различной физической природой, поэтому повышение точности ВОД не может быть достигнуто использованием ограниченного количества средств.

Такое свойство, как широкополосность волоконных систем передачи информации, в ВОД, измеряющих один параметр, сегодня используется не полностью. В то же время волокно не является идеальным каналом для передачи информации. ОВ и оптические устройства в целом оказываются более чувствительными к акустическим и механическим воздействиям. Волокно как канал передачи информации характеризуется дополнительной чувствительнностью к воздействию факторов внешней среды, таких как микроизгибы, вибрационные воздействия, деградация параметров волокна в результате старения и т.д., что приводит к искажению и снижению точности передаваемой информации. Использование волокна в ВОД требуетуег принятия дополнительных мер для уменьшения потерь информации в ВОД.

Точность ВОД может быть повышена как путем улучшения конструкции первичного преобразователя, так и путем применения более совершенных алгоритмов обработки. Повышение точности ВОД с MPC требует проведения измерений зависимостей частотных параметров MPC от различных факторов окружающей среды. При этом для получения достоверной информации точность проведения измерений должна быть выше точности проектируемого датчика. Для датчика, осуществляющего измерение нескольких параметров внешней среды, необходимо исследование как зависимостей частотных

параметров от каждого из воздействующих факторов, так и исследование их взаимовлияния. Достоверность измерений может бьггь повышена использованием различных методов измерения частотных параметров для исследования характеристик MPC. Исследования такого рода требуют проведения, регистрации и обработки большого объема точных измерений.

Амплитуда колебаний MPC при оптическом методе возбуждения достигает десятков нн. Измерение параметров колебаний MPC со столь малой амплитудой требуют использования интерферометр игче-ского съема информации. Основными сложностями использования интерферометров в ВОД являются изменение величины выходного сигнала, связанное с дрейфами рабочей точки интерферометра. Дрейф рабочей точки может быть уменьшен путем подбора материалов и конструкции микрорезонатора. Однако такой метод налагает дополнительные требования на технологию изготовления первичного преобразователя датчика и в настоящее время практически не реализован. Кроме того, изменения размеров резонатора интерферометра могут быть вызваны воздействием на конструкцию первичного преобразователя механических сил, изменяющихся в процессе проведения измерений. Быстрая компонента дрейфа рабочей точки интерферометра в основном определяется вибрационными воздействиями на ВОД. MPC, являясь механической колебательной системой, чувствительна к воздействию вибраций. Вибрационные воздействия на первичный преобразователь ВОД приводят к снижению точности проведения измерений.

Значения добротности, характерные для изготавливаемых в настоящее время MPC, составляют ~ 100. Использование MPC с такой величиной добротности не позволяет получить высокие точности измерений.

Одной из причин, ограничивающих точность измерений, является наличие в ВОД чувствительного к воздействию внешних факторов ОВ канала передачи информации. Чувствительность ОВ к механическим воздействиям создает дополнительную модуляцию сигнала, ухудшающую соотношение сигнал / шум.

Исходя из проведенного анализа, можно выделить следующие особенности, характерные для ВОД с MPC:

1. Низкие значения добротносгей MPC.

2. Наличие вибрационных воздействий на MPC.

3. Влияние на результаты измерений искажений сигнала, вносимых ОВ трактом (вибрационные воздействия, старение).

4. Сложность пассивной стабилизации рабочей точки интерферометра конструктивными средствами.

5. Известные методы измерения частотных характеристик (ЧХ) MPC имеют ограниченные точности при малых Q и малых соотношениях сигнал/шум.

Для улучшения характеристик ВОД с MPC необходимо:

1. Разработать методы и средства, обеспечивающие повышенную точность измерения ЧХ MPC при малых добротностях MPC и низком соотношении сигнал/шум на выходе первичного преобразователя (в т. ч. и из-за вибрационных воздействий)

2. Разработать и исследовать методы обработки информации, обеспечивающие высокую точность при наличии протяженных каналов связи между первичным преобразователем и усторйством обработки информации ВОД.

3. Разработать комплекс средств для исследования метрологических характеристик вновь разрабатываемых ВОД с MPC.

Во второй главе предложена обобщенная многомерная модель пространства модуляций сигнала. Проведен анализ источников возмущающих воздействий, вносящих ошибки в результаты измерений. Показано, что частотное представление информации является наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения точности измерения сигнала. Обоснована необходимость измерения частотных параметров низкодобротных MPC.

Процесс передачи информации может быть представлен как кодирование (модуляцию) информации на измерительной стороне датчика, передачу закодированного сообщения к месту расположения конечного потребителя информации и последующие декодирование (демодуляцию) и интерпретация принятого сигнала с цепью восстановления информации об измеряемом параметре.

Мы можем рассматривать сигнал как некоторое средство для передачи информации. Целью обработки сигналов является извлечение этой информации.

Процесс передачи информации от точки измерения к месту конечного потребления и процесс выделения необходимой конечному потребителю информации связаны с потерями или отбрасыванием части информации.

При исследованиях датчиков может возникнуть ситуация, когда несколько различных входных воздействий контролируемого объекта вызывают одинаковую реакцию модели (датчика). Одной из причин возникновения этой ситуации является метамеризм. Мегамерные воз-

действия определяются как воздействия с одинаковыми выходными реакциями относительно определенного наблюдателя (модели), но с различными входными сигналами.

Метамеризм воздействий контролируемых объектов связан с определенными входными воздействиями на датчик и определенным датчиком (моделью обработки информации в датчике). Кроме того, причинами нераспознавания моделью различных воздействий могут быть недостаточная разрешающая способность модели, а также влияние факторов, случайным образом изменяющих её параметры (например, температура, вибрации).

При исследовании большого класса входных воздействий, представленных в виде множества точек, составляющих некоторую область в многомерном пространстве входных воздействий, оказывается целесообразным оценить информационные возможности модели относительно данной области. В частности, их можно оценить по степени приближения к изоморфному отображению моделью множества Ап воздействий в множество Ат реакций. Пусть Ап и Аш - конечные множества, имеющие соответственно порядок N и М. Тогда в случае идеального изоморфизма имеем N = М. В общем случае N>N1 и можно ввести коэффициент регрессии:

Этот коэффициент тем ближе к I, чем полнее отображается Ап в Ат , то есть почта каждому входному воздействию соответствует особая реакция, присущая только этому воздействию. Если же М^ соответствует подмножество воздействий Ап', то это подмножество назовем ¡-проекцией модели, а элементы N1 е Ап' назовем метамерами ¡-проекции. Чем меньше будет Г, тем больше средний порядок проекций данной модели. Отсюда следует, что информационные потери в модели будут тем меньше, чем больше Г. Таким образом, информационные возможности любых измерительных систем могут быть оценены по коэффициенту регрессии.

В случае, когда Г» 1, информационные потери модели удобнее оценивать коэффициентом:

N-N1 ,

Ч = = (2)

который назовем коэффициентом деградации.

Данный параметр определяет максимальную погрешность распознавания входного воздействия моделью. Легко понягь, что информационные возможности моделей, определяемые параметрами Г и Ц, будут зависеть как от алгоритма обработки входных сигналов, так и от величины N. Поэтому информационные возможности различных моделей можно количественно сравнивать только при фиксированном N.

Для большинства датчиков проекции метам еров на множество входного воздействия образуют компактно связанные подмножества среднего порядка А, который характеризует разрешающую способность датчика при данном операторе отображения Дп—>Ащ »

где 81 - оператор интерпретации.

Пусть имеется несколько возможных операторов интерпретации (алгоритмов обработки информации) 81, 82,—., образующих множество интерпретаторов Аб. Тогда можно ставить задачу оптимизации интерпретации по критерию минимума А для одного из параметров.

Эта же оптимизация может быть проведена и для многомерных входных сигналов, когда определяются два и более параметров объекта измерений.

Элементы тракта передачи и обработки информации подвержены влиянию сторонних возмущающих воздействий. Влияние источников возмущающих воздействий в зависимости от характера их влиянияё можно разделить на две группы: аддитивные и мультипликативные.

Влияние аддитивного возмущения на передаваемый сигнал может быть представлено смещением сигнала относительно шкалы уровней энергии на величину амплитуды действующей помехи по данному виду модуляции или изменением уровней, кодирующих передаваемое сообщение.

Влияние мультипликативной помехи может быть представлено изменением масштаба шкалы уровней энергии или соответствующим изменением шкалы уровней представления сигнала, осуществляющего передачу сообщения.

Частотный вид кодирования инвариантен к этим преобразованиям и позволяет строить измерительные цепи, инвариантные к изменениям параметров элементов аппаратной части ВОД.

Для кремниевого микрорезонатора при нанесении на его поверхность пленки, чувствительной к тому или иному параметру внешней среды, добротность MPC существенно уменьшается. В качестве характерного значения добротности MPC при проектировании датчиков может быть принято Q=100.

При проектировании датчиков, использующих в качестве первичного преобразователя MPC, мы получаем противоречивые требования :

с одной стороны, для повышения точности измерений частотных параметров MPC традиционными методами необходимо увеличивать добротность MPC структур;

с другой стороны, получение высоких добротностей возможно только при использовании материалов с совершенной внутренней структурой, обладающих малыми внутренними потерями. Данное требование очень сильно ограничивает разновидность наносимых на поверхность микрорезонатора пленок и, как следствие, виды потенциально измеряемых параметров внешней среды.

Амплитуда колебаний, возбуждаемых светом MPC в режиме оптического возбуждения, составляет десятки нм, что приводит к низкому отношению сигнал/шум, существенно снижающему точность измерения частотных параметров MPC известными методами.

Изложенное выше подтверждает актуальность разработки более совершенных методов и средств анализа частотных параметров ВОД с MPC.

В третьей главе проведен анализ существующих методов измерения частотных характеристик MPC. Проведено сравнение помехозащищенности методов измерения частотных параметров MPC. Описано измерение частотных параметров MPC с использованием метода синтезированного сигнала. Показано, что метод синтезированного сигнала инвариантен к воздействию амплитудных нестабильностей сквозного тракта ВОД.

Пассивные ВОД с частотным выходом на основе MPC имеют следующую структуру.

Здесь: МРС-микрорезонаторная структура (первичный преобразователь), резонансная частота которой является монотонной функцией измеряемого параметра "р". При заданном значении параметра "р" MPC может быть описана определенной амплитудно-частотной и фазо-частотаой характеристиками . ВОЛС - широкополосная волоконно-оптическая линия связи, коэффициент передачи которой "К" и время задержки "Т" могут быть модифицировании по времени низкочастотным возмущающим воздействием. ВУ - возбуждающее устройство (генератор оптических сигналов), формирующее сигнал V(t), передаваемый в ВОЛС. ПУ - приемное устройство, принимающее сигнал S(t) из ВОЛС. УУО - устройство управления и обработки сигналов датчика. ИИ - измерительная информация с выхода УУО, передаваемая потребителю о значении параметра "р".

Важной особенностью этой структуры ВОД является тот факт, что в процессе работы датчика нам (т.е. УУО) доступны только сигналы V(t) и S(t) и известны функции преобразования первичного преобразователя "р".

Функции K(t) и T(t) нам точно неизвестны, но приближенно известна верхняя спектральная граница возмущающих сигналов "о вв "•

В диссертации проанализированы известные методы измерения частоты колебаний MPC, а именно: метод ударного возбуждения, автогенераторный метод, метод вынужденных колебаний.

Показано,что в условиях ограниченных значений Q MPC указанные методы не обеспечивают требуемые точности измерения.

Среди рассмотренных методов определенные преимущества имеет метод вынужденных колебаний. Преимуществом метода является ис-

пользование для проведения измерений сигнала с априорно определёнными характеристиками, что позволяет проводить оптимальную обработку принятого сигнала и вследствие этого получать более высокие значения сигнал/шум.

К недостаткам метода можно отнести необходимость измерения и сравнения последующего измеренного значения амплитуды с предыдущим.

Учет конечности времени сканирования позволил определить предельную минимальную погрешность метода вынужденных колебаний.

где К - коэффициент передачи волоконно-оптической линии связи, А - амплитуда колебаний MPC, ф0- резонансная частота MPC.

Из неё видно, что ошибка измерений растет с понижением резонансной частоты и добротности MPC.

Дрейф рабочей точки волоконного интерферометра создает мультипликативную помеху, снижающую точность измерений или делающую их невозможными.

Для улучшения метрологических характеристик метода развертки с целью определения резонансной частоты MPC мы предлагаем использовать в качестве V(t) многочастотный (синтезированный) сигнал с известным спектральным составом. В простейшем практически применимом случае V(t) можно записать как:

(3)

(4)

Тогда сигнал S(t) на входе приемника будет равен:

S(t) = V0 • K(t) • |а(ш) • sin(co • t + +A(oa + Q) • ¡¡Ц(о + Ci) - t + x|/2)j.( 5 )

Выражение (5) показывает, что отношение амплитуд гармонических сигналов с частотами га и <в+£1 на входе приемника будет определяться только АЧХ MPC и не зависит от модуляции коэффициента передачи канала связи. В качестве характерных точек АЧХ MPC удобно в этом случае использовать точки, для которых выполняется условие:

A(o)=A(ffl + íi) (6).

График на рис.3 характеризует эффективность предложенного метода.

При g г 100 ошибка определения частоты методом синтезированного сигнала не превышает 2.5 • 10"5. Таким образом, предложенный метод эффективно работает во всем частотном диапазоне АЧХ MPC.

Предложенный нами метод использования синтезированных сигналов, естественно, применим не только для исследования характеристик частотных датчиков, но и для реализации в прецизионных частотных ВОД на основе MPC. При использовании метода синтезированного сигнала возможно использование в датчике MPC с Q £ 100.

0.0001

0.00008

g 0.00006 PC

g 0.00004 0.00002 О

О 100 200 300 400 500 Q-factor

\

\

Рис. 3. Зависимость погрешности определения резонансной частоты MPC от добротности методой синтезированного «опала.

В четвертой главе приведено описание программно-аппаратного комплекса для исследования частотных характеристик возбуждаемых светом MPC и разработки на их основе пассивных ВОД. Описана конструкция и принцип работы отдельных частей и комплекса в целом. Приведена структура и описаны функции разработанного программного обеспечения. Ниже рассмотрена приборная реализация данного метода и средства, необходимые для её осуществления.

Экспериментальная установка разработана как универсальная для исследования и оптимизации оптоволоконных датчиков с частотным представлением информации, а также MPC, возбуждаемых светом, в основном определяющих точность проектируемых датчиков.

Основным требованием при разработке установки считалось обеспечение максимальной точности проведения измерений частотных характеристик. Функциональная схема установки представлена на рис 4. Она включает в себя исследуемую MPC, источник оптического возбуждения MPC, волоконно-оптический интерферометр, служащий для регистрации микроперемещений (колебаний) исследуемой структуры, источники эталонных внешних воздействий, датчики внешних воздействий и измерительную установку.

Выходное напряжение интерферометра обрабатывается автоматизированной измерительной установкой на базе ЭВМ, что позволяет использовать более широкий набор алгоритмов обработки сигнала и гибко изменять его в процессе работы. Регистрация результатов измерений в цифровой форме позволяет значительно повысить точность измерений по сравнению с традиционной аналоговой формой регистрации.

Аппаратная часть, подключаемая к управляющей ЭВМ, позволяет работать с ЭВМ IBM PC AT и более поздними моделями. Выбор управляющей ЭВМ может осуществляться, исходя из сложности алгоритмов обработки информации эксперимента и необходимого времени обработки информации.

Измерительная установка состоит из персональной ЭВМ IBM PC AT, сопряженной каналами, ввода-вывода со стендом для измерения характеристик MPC.

Программное обеспечение (ПО) написано в виде открытой системы и допускает присоединение как новых разделов, так и расширение существукшдах. ПО состоит из следующих пяти частей: управление аппаратной частью установки; синтез измерительных сигналов; ввод сигналов отклика; анализ принятого сигнала; графика.

ПО написано на языке С++ и работает под операционной системой БОБ 3.30 и выше.

ОЗУ

ОЗУ

ЭВМ

зг

ОЗУ

ОЗУ

--—^вопс

воле

АЦП ИНТЕРФ.

АЦП ДАТЧИК

ос ос

МРС /

о ИЗЛУЧ

/1СТОЧ. возд.

ЦАП

ЦАП

Рис. 4 Структурная схема экспериментальной установки Характеристики измерительной установки. Табл. 1.

Входное напряжение АЦП ±5,12В

Время преобразования АЦП 1 МКС

Выходное напряжение ЦАП ±10,24 В

Максимальная частота следования выборок ЦАП 1 МГц

Диапазон установки частоты задающего генератора 0,01 - 1999999,99 Гц.

Шаг установки часстоты задающего генератора 0,01 Гц

Коэффициент деления частоты задающего генератора для каждого их каналов V - 216

Ёмкость буферных ОЗУ для каждого из каналов 64 К х 16 разрядов

Разработанный программно-аппаратный комплекс может быть использован как для исследования характеристик MPC, так и для разработки и сравнения эффективности алгоритмов обработки измерительной информации и разработки пассивных ВОД с частотным представлением информации на основе возбуждаемых светом MPC.

В заключении диссертации приведены её основные результаты: 1. Предложены новые методы:

- измерения резонансной частоты низкодобро-пшх колебательных систем, в частности микрорезонаторов, основанный на использовании двухчастотного возбуждающего сигнала.

- стабилизации рабочей точки интерферометра с модулируемой длиной оптического резонатора, оснований на сравнении длительностей положительных и отрицательных полуволн переменной составляющей выходного сигнала.

- повышения отношения сигнал/шум при произвольном дрейфе длины короткого оптического резонатора интерферометра, оснований на выборе одной из двух (X] или А^) длин волн зондирующего излучения, связаных соотношением

где L- длина резонатора интерферометра, а и и m - целые числа.

2. Меггод измерения резонансной частоты низкодобротных колебательных структур, основанный на использовании двухчастотного возбуждающего сигнала и определении резонансной частоты по моменту равенства амплитуд откликов. Данный метод измерения частоты низкодобротных MPC инвариантен к воздействию мультипликативных помех. Для значений добротности микрорезонаторов Q S 100 ошибка определения резонансной частоты не превышает 2,5-10"5.

Предложенный метод измерения резонансной частоты позволяет снизить требования к временной стабильности генераторов, формирующих измерительный сигнал до времени равному циклу измерений (длительности цикла измерений).

^"п+0,5

Инвариантность метода к фазовым и большинству амплитудных нестабильностей элементов, составляющих измерительную цепь датчика, позволяет значительно снизить требования к используемой элементной базе.

3. Метод стабилизации рабочей точки интерферометра, основанный на сравнении длительностей положительных и отрицательных полуволн переменной составляющей выходного сигнала интерферометра при произвольной частоте и амплитуде колебаний MPC.

Метод стабилизации рабочей точки позволяет осуществить стабилизацию рабочей точки для симметричных измерительных сигналов произвольной формы. Метод обладает повышенным быстродействием минимальное время регулирования равно периоду колебаний.

Данный метод использовался для контроля деформаций кристаллов мощных транзисторов. Он может быть использован для контроля качества изготовления транзисторов в процессе производства и прогнозирования их надежности.

4. Способ повышения отношения сигнал/шум при произвольном дрейфе длины короткого оптического резонатора интерферометра, основаный на выборе одной из двух или Д™н волн зондирующего излучения, связаных соотношением

где L- дайна резонатора интерферометра, а и и m - целые числа.

Способ позволяет повысить отношения сигнал/шум при дрейфе длины оптического резонатора интерферометра в пределах зоны определяемой допустимым ослаблением составляющей первой гармоники в выходном сигнале интерферометра и снизить технологические требования к изготовлению первичных преобразователей при сохранении высокой точности измерений, а также использовать серийные источники оптического излучения.

5. На основе предложенных методов разработан программно-аппаратный комплекс. Комплекс может быть использован как для исследования характеристик MPC, так и для разработки и сравнения эффективности алгоритмов обработки измерительной информации и разработки пассивных ВОД с частотным представлением информации на основе возбуждаемых светом MPC.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Г.К. Шарафутдинов, C.B. Гонтарев. Сравнение по энергетическому параметру способов модуляции и разделения сигналов в волоконно-оптических датчиках (ВОД) перемещений рефлектомегри-ческого типа. -Тезисы докладов научно-технического семинара "Методы повышения точности регистрации и обработки измерительной информации в оптико-электронных устройствах." - Ульяновск, 1991.

2. C.B. Гонтарев, В.Т. Потапов, А.А.Черторийский, A.A. Широков. Волоконно-оптический датчик микроперемещений и вибраций. - Тезисы докладов Всеросийской конференция " Волоконная оптика " -Москва, 1993.

3. C.B. Гонтарев, В.Т. Потапов. Автоматизированная система для исследования оптически возбуждаемых микрорезонансных структур. - Труды шестого межреспубликанского заочного семинара "Применение лазеров в науке и технике". - Иркутск, 1994.

4. C.B. Гонтарев, M.JI. Конторович, В.Т. Потапов, A.A. Черторий-ский, A.A. Широков. - Контроль теплофизических параметров транзисторов с помощью ВО ИФП низкого контраста. - Тезисы докладов V-Й Российская научно-техническая конференция "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей Среды". - Ульяновск, 1993.

5. C.B. Гонтарев, В.Т. Потапов, Б.А. Соломин. Программно-аппаратный комплекс для исследования оптически возбуждаемых микрорезонаторов. - Автоматизация и современные технологии. 1995.

Подписано в печать 24.04.1S95 г. Формат 60x84 1/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН Заказ № 30.