Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем

Задворнов, Сергей Александрович

Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Задворнов, Сергей Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем»

Автореферат диссертации на тему "Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ им. В.А.КОТЕЛЬНИКОВА РАН Фрязииский филиал

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

СИСТЕМ

Специальность: 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 681.7.068

Задворнов Сергей Александрович

003464916

Москва, 2009

003464916

Работа выполнена

во Фрязинском филиале Института Радиотехники и Электроники им. В.А.Котелыткова РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

Соколовский Александр Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ведущий научный сотрудник Антонов Сергей Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

Наний Олег Евгеньевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" Федерального агенства по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации

Защита диссертации состоится «24» апреля 2009 г. в 12 часов н заседании Диссертационного совета Д 002.231.03 Института радиотехники электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 101999, г. Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники : электроники РАН.

Автореферат разослан «23» марта 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Перцовский М.И.

АКТУАЛЬНОСТЬ. Современные физические эксперименты характеризуются значительным уровнем энергетической насыщенности, которая требует от измерительных систем высокой помехозащищенности и гальванической развязки точек измерения и индикации.

Этим требованиям в значительной степени отвечают волоконно-оптические датчики, обеспечивающие как гальваническую развязку, так и высокую помехозащищенность. В то же время волоконно-оптические датчики обладают рядом недостатков, которые сдерживают их широкое внедрение в промышленную и исследовательскую практику. К этим недостаткам относятся невысокий уровень стандартизации, унификации этих датчиков и их элементной базы. Для их создания зачастую необходимы специализированные оптические элементы, включая специальные волокна, промышленное производство которых еще не освоено в полной мере, что обуславливает их относительно высокую стоимость и ограничивает их широкое применение в физическом эксперименте. В то же время основные преимущества волоконно-оптических измерительных систем, а именно помехозащищенность и гальваническая развязка, обеспечиваются трактом передачи сигнала, выполненном на основе волоконного световода.

Подавляющее большинство датчиков физических величин (первичных преобразователей) выпускается массово современной промышленностью. Эти датчики представляют собой элементы традиционной микроэлектроники, имеют метрологические характеристики, отвечающие современным требованиям, и невысокую стоимость.

Представляется перспективным подход, совмещающий в измерительных системах достоинства волоконных световодов и преимущества традиционных датчиков. Такие измерительные системы, или гибридные системы, в основе своего устройства содержат волоконный световод в качестве среды передачи измерительной информации, и традиционные датчики в качестве чувствительных элементов. Волоконный световод в таких системах также

играет роль среды передачи оптического излучения, используемого для питания электронных и оптоэлектронных элементов в точке измерения.

Актуальность разработки измерительных систем такого типа вызвана потребностью в недорогих и технологичных измерительных системах, соединяющих в себе преимущества, как волоконных световодов, так и традиционных датчиков. Такие измерительные системы могут найти применение, как в разнообразных физических исследованиях, так и промышленных технологиях. Особенностью этих систем является то, что мощность оптического излучения преобразуется в электрическую мощность, которая питает электронный модуль удаленного блока с подключенными к нему датчиками. Разработка таких систем за рубежом ведется более 10 лет, созданы основные компоненты таких систем и проведены испытания гибридных волоконно-оптических измерительных систем (ГВОИС) для измерения различных физических величин. В то же время до настоящего времени не были изучены вопросы взрывобезопасности волоконных систем, в которых передается значительная оптическая мощность. Кроме того, не были изучены методы построения многофункциональных и многоканальных гибридных измерительных систем, отсутствовала отечественная элементная база для их построения.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы являлось определение критериев абсолютной взрывобезопасности волоконно-оптических систем, исследование и разработка эффективных фотовольтаических преобразователей для питания гибридных измерительных систем, разработка методов кодирования измерительной информации, позволяющих создавать многофункциональные измерительные системы и реализация разработанных методов в конкретных образцах измерительных систем.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

• Впервые в стране создан высокоэффективный (КПД>45%) фотовольтаический преобразователь на основе двойных гетероструктур АЮаАв, осуществляющий преобразование энергии монохроматического оптического излучения в электрическую энергию с квантовой эффективностью более 88%, напряжением холостого хода 11=1,23В;

• Предложена одноволоконная схема ГВОИС, в которой один элемент применяется как в качестве фотовольтаического преобразователя, так и в качестве источника излучения для передачи измерительной информации;

• Разработаны энергосберегающие методы построения ГВОИС, позволяющие создавать измерительные системы, потребление удаленного модуля которых составляет менее 0,5мВт;

• Разработаны критерии взрывобезопасности волоконно-оптических трактов, имеющие абсолютный характер. Определены максимальные уровни оптической мощности, при которых волоконно-оптическая система может считаться взрывобезопасной;

• Разработаны энергосберегающие алгоритмы кодирования измерительной информации для создания многоканальных измерительных систем на основе ГВОИС;

• Разработан экспериментальный макет двухканального датчика температуры, как прототипа многоканального датчика для контроля температурных полей;

• На основе технологии ГВОИС предложен способ создания волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на спектральных измерениях в области основных линий поглощения этих газов;

• Разработан многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно измерять амплитуду, частоту, фазу тока и температуру токонесущего провода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

• Разработан и создан высокоэффективный (КПД>25%) фотовольтаический преобразователь, осуществляющий преобразование энергии монохроматического оптического излучения в электрическую энергию и являющийся источником питания (с выходным стабилизированным напряжением 3,3/5,0 В);

• Разработана лабораторная технология сборки фотовольтаического преобразователя с волоконным входом;

• Разработан экспериментальный макет двухканальной ГВОИС температуры, диапазон измерений (в каждом канале) -50°С...250°С, предел основной погрешности - 2°С;

• Разработан экспериментальный макет датчика метана, в основе функционирования которого лежит измерение поглощения контролируемой среды в области основной линии поглощения метана;

• Разработан экспериментальный макет многофункционального датчика электрического тока, производящего измерения амплитуды, частоты и фазы тока, а также температуры токонесущего провода.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Взрывобезопасность волоконно-оптического тракта в среде с температурой самовоспламенения 45СИ-600 °С (смесь водорода, метана, пропана и подобных с воздухом) обеспечивается при уровне передаваемой оптической мощности, не превышающем 0,5с1 мВт, где с1 - диаметр световедущей жилы (в мкм) многомодового оптического волокна.

условно принятым первым, преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с периодом Т так, что длительность импульсов пропорциональна значению измерительного сигнала; 2) на переднем и заднем фронтах этих импульсов формируются импульсы прямоугольной формы, длительность которых связана со значением измерительных сигналов со второго и третьего датчиков. Последняя процедура может повторяться п раз для общего числа датчиков (2п+1), в результате чего образуется импульсная последовательность, содержащая (2п+1) импульсов на временном интервале Т; 3) на передних и задних фронтах импульсов полученной последовательности формируются короткие импульсы так, чтобы скважность импульсов результирующей последовательности была максимальной при используемых аппаратных средствах. Разработанный алгоритм кодирования является основой для построения многоканальных гибридных измерительных систем, в которых среднее энергопотребление измерительного блока не превышает взрывобезопасных уровней необходимой оптической мощности.

3. Фотовольтаические преобразователи на основе двойных гетероструктур АЮаАэ-ОаАя при работе от монохроматического источника излучения с длиной волны в диапазоне Х=790.. .830нм обеспечивают преобразование энергии оптического излучения в электрическую энергию с эффективностью до 45%, что является основой для создания источников питания для гибридных волоконно-оптических измерительных систем с выходным напряжением 3-5В и мощностью до 30мВт.

4. Метод построения гибридных волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на преобразовании спектра излучения, для которого стандартное кварцевое волокно является прозрачным, в излучение, соответствующее основным линиям поглощения исследуемых газов в спектральном диапазоне 3+4 мкм, позволяет в 50-100 раз повысить

пространственную разрешающую способность датчика по сравнению с измерением на обертонах основной линии поглощения.

Все основные результаты настоящей диссертационной работы были получены автором лично под руководством Соколовского А.А.

Результаты настоящей диссертационной работы были внедрены в ИООО «Союз-Кабель» (производство волоконно-оптического кабеля, г.Витебск, Республика Беларусь) и других предприятиях.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на X международном симпозиуме IMEKO ТС7 International Symposium on Advances of Measurement Science (г.Санкт-Петербург, 2004г.), XIV научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (г.Москва, 2004г.), XVI научно-технической конференции "Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления" (г.Судак, 2004г.), Всероссийской конференции по волоконной оптике (г.Пермь, 2007г.), Международной конференции IEEE по средствам и технике измерений I2MTC (г.Виктория, Канада, 2008г.), 21-й Канадской конференции IEEE (г.Ниагара Фолз, Канада, 2008г.), 63-ей научной сессии, посвященной Дню Радио, Канадской конференции CIGRE по энергетике (г.Виннипег, Канада, 2008г.).

а)

б) Рис.].

а) принципиальная схема гибридной волоконно-оптической измерительной

системы (ГВОИС); б) принципиальная схема ГВОИС с питанием оптическим излучением.

1 - измерительный блок; 2 - датчики физических величин; 3 - блок кодирования и передачи измерительной информации; 4 - полупроводниковый лазер; 5 - оптическое волокно; 6 - фотодиод; 7 - декодер; 8 - блок отображения; 9 - блок накачки лазера; 10 - полупроводниковый лазер; 11 -оптическое волокно; 12 - блок фотовольтаического преобразователя.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту. В первой главе рассматривается структурная схема гибридной волоконно-оптической измерительной системы (ГВОИС) (Рис.1.), назначение и работа основных ее элементов. В этой главе также проводится обзор литературы, посвященной разработке, созданию и внедрению ГВОИС. В общем случае питание удаленного модуля ГВОИС может осуществляться различными способами (Рис.1, а): от чувствительного элемента датчика (если применяется чувствительный элемент) генераторного типа), от природных источников, от встроенных элементов питания, а также оптическим излучением, передаваемым по волоконному световоду в зону измерений. Наибольшее распространение получил последний способ, для реализации которого необходимы эффективные фотовольтаические преобразователи (Рис.1, б). Эти преобразователи являются многоэлементными, представляют собой сложную в технологическом плане конструкцию, имеют высокую стоимость.

В этой же главе проведен детальный анализ существующих микроэлектронных датчиков различных физических величин, которые по величине энергопотребления применимы в ГВОИС.

В результате проведенного анализа сформулированы основные задачи настоящей диссертационной работы.

1. Определить критерии абсолютной взрывобезопасности по величине передаваемой мощности для многомодовых волоконно-оптических трактов;

2. Разработать эффективные системы преобразования оптического излучения в электрический сигнал для питания электронных устройств;

- и -

3. Разработать энергосберегающие методы построения многоканальных измерительных систем;

4. Разработать методы измерения спектральных параметров исследуемой среды в области основных линий поглощения.

Вторая глава посвящена организации питания удаленного модуля ГВОИС оптическим излучением. Следует отметить, что практическая ценность результатов, приведенных в этой главе, выходит за рамки применимости только в измерительных системах. Эффективное питание оптическим излучением может лежать в основе создания исполнительных механизмов и любых других систем, где необходима гальваническая изоляция удаленного источника питания.

Значительная часть этой главы посвящена разработке фотовольтаического преобразователя, обеспечивающего эффективное преобразование мощности оптического излучения в электрическую мощность. На начальном этапе исследования стояла задача определения максимально допустимых уровней мощности оптического излучения, распространяющегося по оптическому волокну. Так как современные полупроводниковые лазеры могут обеспечить уровни оптического излучения в волокне, составляющие десятки ватт и более, ограничение этих уровней сверху необходимо во избежание воспламенения или взрыва во взрывоопасной атмосфере в результате воздействия оптического излучения. В свою очередь, значения этих уровней устанавливают требуемую эффективность функционирования фотоэлектрического преобразователя, при которой обеспечивается электрическое питание удаленного модуля с необходимыми напряжениями и мощностью.

Спектры поглощения молекул наиболее распространенных взрывоопасных газов не содержат сильных линий поглощения в области 0,7...1,7мкм. В отсутствие поглощения непосредственного разогрева газа не происходит, поэтому в чистой атмосфере воспламенение оптическим

излучением не происходит. Ситуация меняется, если в атмосфере содержатся твердые микрочастицы, примером которых может служить угольная пыль. Эти частицы могут сильно поглощать оптическое излучение и разогреваться до температур самовоспламенения газов. Модель, описывающая характер взвеси частиц, их геометрию, характерные размеры, поглощающую способность и т.д., в общем случае является статистическим распределением. Для оценки возможности воспламенения излучением существуют разные подходы. В более ранних работах, посвященных этой проблеме, используется вероятностный подход, основанный на экспериментальных и теоретических данных. В рамках этого подхода определяются условия, при которых возможность воспламенения маловероятна.

В настоящей работе безопасные уровни определяются на основе критериев абсолютной безопасности, т.е. рассматриваются предельные случаи, соответствующие наиболее опасной ситуации. Таким образом определяются уровни мощности, ниже которых система является абсолютно взрывобезопасной, т.е. вероятность воспламенения или взрыва равна нулю независимо от геометрии, статистического распределения и любых других свойств частиц в атмосфере. Были проведены расчеты, дающие оценку максимальной температуры разогрева частиц различного диаметра при их взаимодействии с оптическим излучением из волоконного световода. Для проверки полученных расчетных данных были поставлены две серии опытов. Первая серия опытов ставила своей целью измерение температуры частиц при различных уровнях оптического излучения и сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными. Вторая серия опытов была посвящена подрыву взрывоопасной (водородно-воздушной) газовой смеси при помощи излучения из волоконного световода. Было установлено, что газовая смесь в отсутствие поглощающих частиц не воспламеняется при уровнях мощности до 1Вт. При взаимодействии частиц определенной геометрии и размеров с оптическим излучением происходил подрыв газовой смеси при определенных уровнях мощности, которые отличались высокой

повторяемостью. Полученные в результате двух серий экспериментов данные демонстрируют хорошее согласие с результатами расчетов. На основе экспериментально подтвержденных расчетных данных было установлено, что безопасный уровень оптического излучения в общем случае зависит от диаметра световода, по которому распространяется излучение, и составляет 50 мВт для световода с диаметром сердцевины 100 мкм.

Далее в главе рассматривается преобразователь «свет-напряжение» и основные этапы его разработки. В основе конструкции преобразователя лежат два основных элемента: фотоэлектрический преобразователь и повышающий преобразователь напряжения. Последний необходим для обеспечения питания удаленного модуля стабилизированным напряжением 3,3В. Выходное напряжение фотоэлектрического преобразователя должно быть достаточным для запуска преобразователя напряжения и обеспечения его стабильной работы. Минимальное входное напряжение современных преобразователей составляет не менее 0,8В, а выходное напряжение фотодиодов на основе - не более 0,6В, Это несоответствие устраняется одним из следующих возможных решений или их комбинацией: 1) последовательное соединение (каскадирование) фотодиодов; 2) применение фотодиодов, изготовленных на основе более широкозонного, чем 51, полупроводникового материала. В настоящей работе были реализованы оба упомянутых решения. В частности, на основе каскада из четырех фотодиодов был реализован преобразователь, успешно применявшийся в составе двухканальной ГВОИС температуры ВДГ-2Та.

В то же время, использование преобразователя на основе каскадно связанных фотодиодов имеет свои недостатки, связанные, главным образом, с низкой эффективностью кремниевых преобразователей (-10%) и необходимостью высокоточной юстировки фотодиодов относительно пучка оптического излучения. Поэтому в настоящей работе был разработан и применялся одноэлементный преобразователь на основе гетероструктур АЮаАя.

Для определения наиболее эффективной структуры элемента фотопреобразователя были исследованы более 20 различных полупроводниковых структур АЮаАв на основе двойного гетероперехода производства ряда отечественных и зарубежных предприятий. Для различных уровней мощности падающего оптического излучения измерялись наиболее важные в рамках решаемых задач характеристики этих структур: ток короткого замыкания напряжение холостого хода ихх, нагрузочные характеристики. Для каждой структуры снимался спектр поглощения в диапазоне 700-1100 нм; кроме того. Кроме того, поскольку исследуемые структуры применяются и для производства светодиодов, снимался также спектр электролюминесценции каждой структуры.

Опираясь на полученные экспериментальные данные по фотовольтаическим и электролюминесцентным свойствам имеющихся структур, была предложена концепция гибридной измерительной системы, использующей лишь один волоконный световод как для организации питания оптическим излучением, так и для передачи измерительной информации. Этот результат достигается тем, что в зависимости от полярности и значения приложенного к полупроводниковой структуре напряжения, эта структура попеременно работает как в фотовольтаическом, так и электролюминесцентом режимах. На предложенное устройство получен патент на полезную модель.

В результате проведенных экспериментальных исследований была выявлена структура, в наибольшей степени отвечающая решаемым задачам. На основе данных спектра поглощения выбранной структуры было установлено, что оптимальным источником монохроматического излучения для освещения этой структуры является полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 810нм. Такие лазеры доступны на рынке и широко применяются для оптической накачки ряда твердотельных лазеров. При освещении излучением такого лазера максимальное выходное напряжение на контактах структуры составляло 1,23В, коэффициент преобразования более 45%, коэффициент заполнения ~80%. Просветляющее покрытие не применялось. Применение

просветляющего покрытия может дополнительно увеличить эффективность преобразования до 52% и выше (Рис.2).

—50 мВт —30 мВт — 1-Ю мВт

Рис. 2 Нагрузочные характеристики разработанного фотовольтаического

преобразователя

Выходного напряжения на выходе фотопреобразователя достаточно для запуска повышающего преобразователя напряжения. На следующем этапе работы были исследованы различные микросхемы (разных производителей) преобразователей напряжения при совместной работе от фотопреобразователя. Исследовались такие параметры, как минимальная оптическая мощность запуска, максимальный КПД, нагрузочная характеристика. В результате исследований была выявлена модель микросхемы, осуществляющая преобразование напряжения наиболее эффективно. В настоящей работе удалось добиться максимального значения КПД при преобразовании мощности оптического излучения в электрическую мощность с напряжением 3,3В, который составил 25%.

Третья глава посвящена разработке энергосберегающих алгоритмов кодирования измерительной информации и их реализации в практических образцах ГВОИС.

В основе алгоритма лежит принцип широтно-импульсного кодирования информации. Этот принцип реализуется следующим образом. Элементная база современной микроэлектроники позволяет с помощью несложных схемотехнических приемов выполнить автогенератор прямоугольных

импульсов, в котором интервалы времени Т] и т2, соответствующие длительностям максимального и минимальному уровней сигналов, являются функциями значений внешних частотозадающих элементов автогенератора. Такие автогенераторы могут быть реализованы на основе распространенной микросхемы сдвоенного мультивибратора, а в качестве частотозадающих элементов могут быть использованы традиционные датчики, которые в подавляющем большинстве представляют собой резистивные, емкостные, индуктивные элементы и элементы с выходом по напряжению. Таким образом, Т| и %г зависят от пары измеряемых физических величин или параметров. Полученная таким образом импульсная последовательность затем подвергается преобразованию, в результате которого по передним и задним фронтам импульсов формируются новые прямоугольные импульсы с длительностями т3 и т4, которые в свою очередь, зависят от еще одной пары измеряемых величин. Это преобразование может осуществляться неоднократно, при этом после каждого такого преобразования сигнал представляет собой периодическую импульсную последовательность, каждый период которой состоит из набора интервалов времени г"' , соответствующих интервалам времени между соседними фронтами импульсов, где т - порядковый номер преобразования, а п - индекс, указывающий на положение временного интервала времени от начала отсчета. Каждое дополнительное преобразование увеличивает количество измеряемых параметров на 2, а количество временных интервалов в импульсной последовательности - в 2 раза. Тогда, если результирующая импульсная последовательность сформирована в результате N преобразований, интервал г" на каждом этапе преобразования ш можно восстановить по формуле:

_т Тп

О)

к=(п-\)21+"-т+1'

где тк - длительности временных интервалов между фронтами в результирующей последовательности. Управление средним энергопотреблением удаленного модуля, в частности средним потреблением полупроводникового излучателя, осуществляется изменением скважности импульсов в результирующей последовательности. Скважность передаваемых импульсов регулируется соответствующим выбором элементов в каскадах преобразования и может составлять 100 и более. При скважности 100 среднее потребление тока (при импульсном токе через источник излучения 10 мА) не превысит ЮОмкА, что соответствует потребляемой мощности (при стандартном напряжении питания 3,3В) не более 350мкВт. При реализации предложенного алгоритма могут применятся стандартные цифровые СМОБ-микросхемы (например СБ4098), собственное потребление которых не превышает единиц микроампер. При увеличении скважности общее потребление модуля может быть снижено до уровня 30-100мкВт, что даже при низких значениях КПД фотопреобразователя (~5%) позволит работать в области взрывобезопасных мощностей оптического излучения.

Оценить максимальное число датчиков, информацию от которых можно передать с применением данного метода, можно с помощью формулы:

= + (2) Д-.5

где Т - требуемая периодичность измерений, б - как скважность, Д -минимальная длительность импульса, соответствующего логической «1», т.е. протеканию тока через излучатель. Эта длительность определяется аппаратными ограничениями применяемых электронных компонентов. Например, при Т=1с, А = 50нс и скважности з=100 (соответствующей среднему потреблению тока порядка ЮОмкА) получаем -36 . Это означает, что алгоритм не имеет практически значимых ограничений на количество датчиков, информация от которых может кодироваться в течении измерительного периода.

Во второй части третьей главы рассматривается двухканальная ГВОИС температуры ВДГ-2Та, изготовленная на базе четырехэлементного кремниевого преобразователя с широтно-импульсным кодированием и в котором в качестве чувствительных элементов применялись алмазные терморезисторы. Средняя потребляемая мощность удаленного модуля этой ГВОИС не превышала ЗООмкВт.

Рис.3. Многофункциональная ГВОИС тока а - блок обработки; б - удаленный модуль

Третья часть третьей главы посвящена вопросам разработки и создания многофункциональной ГВОИС переменного электрического тока (Рис.3.), которая представляет собой трехканальную измерительную систему, предназначенную для измерения силы и частоты тока в каждом из каналов. Измеряется также температура проводника в каждом из каналов и относительные фазы сигналов в качестве межканального параметра. Такое сочетание измеряемых параметров стало возможным благодаря уникальному алгоритму обработки и кодирования измерительной информации. Этот алгоритм позволяет отказаться от применения микроконтроллеров, которые зачастую используются в подобных системах. Отказ от микроконтроллеров позволяет, во-первых, производить измерения относительной фазы сигналов т.к.

позволяет осуществлять синхронную передачу импульсных сигналов, фронты импульсов которых привязаны к моменту перехода через «ноль» измеряемого синусоидального сигнала. Во-вторых, отказ от применения микроконтроллеров позволяет значительно снизить энергопотребление удаленного модуля.

В этой части главы 3 также отмечена характерная особенность рассмотренных гибридных систем: их метрологические характеристики целиком и полностью определяются метрологическими характеристиками применяемых чувствительных элементов. Система кодирования-декодирования и обработки вносит дополнительную погрешность, которая мала по сравнению с погрешностями, вносимыми чувствительными элементами и, следовательно, исключается при расчетах конечных метрологических характеристик.

В третьей главе также предложен новый подход в создании волоконных датчиков углеводородных газов, использующие метод адсорбционной спектроскопии. Этот подход основан на преобразовании длины волны излучения, распространяющегося по волоконному световоду, в излучение с длиной волны, соответствующей фундаментальным линиям поглощения углеводородных газов (напр. 3,3мкм - для метана). Этот метод защищен Патентом Российской Федерации. Наиболее эффективно этот подход реализуется в технологии ГВОИС, где преобразование длины волны излучения осуществляется в два этапа: вначале оптическое излучение преобразуется в электрическую мощность, затем электрическая мощность используется для питания светодиодного источника на длину волны 3,3мкм. В отличие от различных высокотехнологичных оптических материалов для прямого преобразования длины волны излучения, эти светодиоды освоены современной промышленностью и доступны на рынке. Такие светодиоды могут также входить в состав оптопар (светодиод - двухканальный фоторезистор), специально предназначенных для адсорбционной спектроскопии газов.

-20В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы:

1.Предложен принцип временного кодирования измерительной информации для гибридных оптоэлектронных измерительных систем, позволяющий реализовать многофункциональный или мультиплексный режим их работы при минимальном энергопотреблении.

2.Предложен принцип построения гибридных оптоэлектронных измерительных систем с использованием одной полупроводниковой структуры как для фотовольтаического преобразования оптического излучения, так и для электролюминесцентной генерации оптического информационного сигнала.

3. Исследованы особенности фотовольтаического преобразования излучения (эффективность, спектры) двойными гетероструктурами АЮаАэ и связь спектров электролюминесценции и спектров фоточувствительности. Определены структуры, обеспечивающие эффективность фотовольтаического преобразования 45-50% при напряжении холостого хода более 1,2В.

На основе данных структур реализованы стабилизированные источники питания гибридных оптоэлектронных измерительных систем с КПД около 25% и выходным напряжением 3,3В и 5В.

4 .Разработана многофункциональная оптоэлектронных измерительная система для трехфазных сетей переменного тока.

5. Предложен принцип построения оптоэлектроного датчика углеводородных газов позволяющий при использовании стандартных кварцевых волокон реализовать принцип абсорбционной спектроскопии на основной ( 3,3 мкм) линии поглощения.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе три патента РФ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Задворнов CA., Соколовский A.A. Двухканальный оптоэлектронный датчик температуры // Измерительная техника - 2004. - №11 - С.35-37 - ISSN 03681025

2. Пат. 39202 РФ, МПК 7 G 01 N 21/35. Волоконно-оптический датчик концентрации газов/ Соколовский A.A., Задворнов С.А. - N 2004107684/22; Заяв. 19.03.04; Опубл. 20.07.04, Бюл. №20; Приоритет 19.03.04

3. Пат. 2265826 РФ, МПК 7 G 01 N 21/35. Волоконно-оптический датчик концентрации газов/ Соколовский A.A., Задворнов С.А. - N 2004104173/28; Заяв. 16.02.04; Опубл. 27.07.05, Приоритет 16.02.04

4. Пат. 80558 РФ, MITKGOID 5/26. Волоконно-оптическая гибридная измерительная система/ Задворнов С.А., Соколовский A.A. N 2008141065/22; Заяв. 16.10.2008; Опубл. 10.02.2009, Приоритет 16.10.08.

5. S.Zadvomov, A.Sokolovsky, Hybrid Fiber Optic Temperature Sensor Using Pulse Coding of Optical Sygnal // Proc. of 10th IMEKO TC7 International Symposium on Advances of Measurement Science: Vol.2/Editor: Muravyov S.V. - Saint-Petersburg, June 30-July 2 2004. - C.335-337

6. Задворнов C.A., Соколовский A.A. Гибридный волоконно-оптический датчик углеводородных сред //Тез. докл. XIV научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" - М.:ВНИИОФИ - 2004.-С.111-112

7. Задворнов С.А., Соколовский A.A. Гибридные волоконно-оптические датчики для измерения параметров технологических процессов //Тез. докл. XVI научно-технической конференции "Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления"/ Под ред. проф. Азарова В.Н. - М.:МГИЭМ -2004.-С. 138-139

8. Васильев М.Г., Васильев A.M., Задворнов С.А. Лазерные и фотодиодные модули для оптоволоконных систем, оптических сенсоров и оптического измерительного оборудования // Метрология и измерительная техника в связи -

2000,-№5-С. 31-33

9. Задворнов С.А., Левин П.В. Измерители оптической мощности FOD-1204 // Метрология и измерительная техника в связи - 2000. - №1 - С. 45 10.Задворнов С. А., Соколовский А. А. О пожаровзрывобезопасности волоконно-оптических гибридных измерительных систем // Датчики и системы, №3,2007-С. 11-13

1 l.S.Zadvornov, A.Sokolovsky, An Electro-Optic Hybrid Multifunctional Instrument for 3-Phase Current Measurements, // Proc. IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, May 12-15, 2008, Victoria, Vancouver Island, British Columbia, Canada

12. S.Zadvornov, A.Sokolovsky, An Electro-Optic Hybrid Methane Sensor // 21st Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, May 4-7, 2008, Niagara Falls, Ontario, Canada

13.Задворнов С.А., Соколовский А.А. Гибридный оптоэлектронный датчик метана // 63-я научная сессия, посвященная Дню Радио, 14-15 мая 2008г.

14. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Многофункциональный оптоэлектронный датчик тока // Всероссийская конференция по волоконной оптике, г.Пермь, 10-12 октября 2007 г.

15. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Преобразователи свет-напряжение для питания гибридных волоконных датчиков // Всероссийская конференция по волоконной оптике, г. Пермь, 10-12 октября 2007 г.

16. A. Sokolovsky, М. Ryabko, S. Zadvornov, A Fiber Optic Hybrid Multifunctional AC Voltage Sensor, CIGRE Canada Conference on Power Systems, Winnipeg, October 19-21,2008

17. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока. // Электротехника, № 4, 2009-С. 47-51.

Задворнов Сергей Александрович

Гибридные оптоэлектронные датчики с широтно-импульсным кодированием информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать «20» марта 2009г.. Формат бумаги 60*84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №65

Отпечатано в типографии ЗАО «Диалог-Реклама» 109316, г. Москва, ул. Талалихина, 24, тел (495) 665-0049

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Задворнов, Сергей Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ГИБРИДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ, СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВЫ.

1.1 Общие принципы, основная блок-схема гибридного датчика, взаимодействие его основных компонентов.

1.2 Современное состояние разработок фотоэлектрических преобразователей монохроматического излучения и монохроматических излучателей.

1.3 Традиционные датчики - чувствительные элементы ГВОД.

1.3.1 Датчики давления.

1.3.2 Датчики температуры.

1.3.3 Датчики влажности.

1.3.4 Датчики тока и напряжения.

1.3.5 Датчики концентрации взрывоопасных газов.

1.3.6 Другие типы датчиков.

ГЛАВА 2. ПИТАНИЕ УДАЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

2.1 Предельные взрывобезопасные уровни мощности оптического излучения.

2.2 Многоэлементные фотовольтаические преобразователи на основе кремния.

2.3 Одноэлементный фотовольтаический преобразователь на основе AlGaAs.

2.4 Сборка фотовольтаического преобразователя.

2.5 Повышающие преобразователи напряжения для использования в волоконных устройствах.

2.6 Электролюминесцентные свойства фотовольтаических преобразователей в ГВОД нового типа и их применение.

ГЛАВА 3 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АЛГОРИТМЫ КОДИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИМЕРАХ ГИБРИДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.

3.1 Алгоритмы кодирования измерительной информации как методы снижения среднего энергопотребления.

3.2 Двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та.

3.3 Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока.

3.4 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразованием частоты. 101

3.5 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразователем частоты на основе ИК-светодиода.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование методов построения гибридных волоконно-оптических измерительных систем"

АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие современных технологий требует создания соответствующего метрологического обеспечения. Современные технологии отличаются высокой энергетической насыщенностью, что требует создания измерительных систем, обладающих высокой помехозащищенностью, обеспечивающих гальваническую развязку между точкой измерения и регистрирующим устройством, отличающихся высокой точностью, взрывобезопасностью, и относительно невысокой стоимостью. Многим из этих требований отвечают волоконно-оптические датчики, обеспечивающие как гальваническую развязку, так и высокую помехозащищенность. В то же время волоконно-оптические датчики обладают рядом недостатков, которые сдерживают их широкое внедрение в промышленную практику. К этим недостаткам относятся невысокий уровень стандартизации, унификации этих датчиков и их элементной базы. Для их создания зачастую необходимы специализированные оптические элементы, включая специальные волокна, промышленное производство которых еще не освоено в полной мере, что обуславливает их относительно высокую стоимость. Кроме того, эти элементы часто не отличаются высокими показателями по надежности, это может быть связано, например с проблемами обеспечения их механической прочности. В то же время основные преимущества волоконно-оптических измерительных систем, а именно помехозащищенность и гальваническая развязка, обеспечиваются трактом передачи сигнала, выполненном на основе волоконного световода.

Важнейшей особенностью волоконных световодов является также возможность их использования в качестве помехоустойчивой среды передачи на большие расстояния. Этим обусловлено широкое применение волоконно-оптических кабелей для построения корпоративных сетей связи ряда естественных монополий, таких как ОАО «Газпром» (www.gazprom.ru), ОАО «Российские железные дороги» (www.rzd.ru), ОАО «Акционерная компания по транспорту нефти «Транснефть» (www.transneft.ru), компаний энергетического сектора и ряда других. Эти сети, как правило, имеют наложенный характер, т.е. повторяют по своей топологии структуру технологических сетей предприятия, например первичная сеть технологической связи (ПСТС) ОАО «Газпром» проложена вдоль газопроводов, составляющих систему газоснабжения. Это, с одной стороны, диктует дополнительные требования по взрывобезопасности технологической связи. С другой стороны, проложенные волоконно-оптические каналы связи находятся в непосредственной близости от технологических объектов, что облегчает задачу построения систем мониторинга. Таким образом, применение волоконных световодов в составе измерительных систем позволяет удалить точку измерения от блока регистрации (пункта обработки измерительной информации) на расстояние, составляющее десятки, и даже сотни километров. В таких случаях помехозащищенность тракта передачи является критическим фактором для обеспечения процесса непрерывного получения измерительной информации.

Подавляющее большинство датчиков физических величин выпускается массово современной промышленностью. Эти датчики представляют собой элементы традиционной микроэлектроники, имеют метрологические характеристики, отвечающие современным требованиям, и невысокую стоимость. Однако когда эти датчики применяются в составе систем без волоконно-оптического тракта передачи, не обеспечивается их помехозащищенность и гальваническая развязка между точкой измерения и регистрирующим устройством.

Более перспективным является подход, совмещающий в измерительных системах достоинства волоконных световодов и преимущества традиционных датчиков. Такие измерительные системы, или гибридные системы, в основе своего устройства содержат волоконный световод в качестве среды передачи измерительной информации, и традиционные датчики в качестве чувствительных элементов. Волоконный световод в таких системах также играет роль среды передачи оптического излучения, используемого для питания электронных и оптоэлектронных элементов в точке измерения.

Актуальность разработки датчиков такого типа вызвана потребностью рынка в недорогих и технологичных измерительных системах, соединяющих в себе преимущества как волоконных световодов, так и традиционных датчиков. В таких системах мощность оптического излучения преобразуется в электрическую мощность, которая питает электронный модуль удаленного блока с подключенными к нему датчиками. Разработка таких систем за рубежом ведется более 10 лет, созданы основные компоненты таких систем и проведены испытания гибридных волокошю-оптических датчиков (ГВОД) для контроля различных технологических процессов. В то же время основные компоненты ГВОД, выпускаемые за рубежом, отличаются чрезвычайно высокой стоимостью, что обуславливает низкую конкурентоспособность ГВОД, производимых с их использованием. К началу диссертационной работы отечественная элементная база ГВОД отсутствовала.

В то же время за рубежом с конца 70-х годов прошлого века ведутся активные разработки ГВОД. Датчики этого типа широко применяются в электроэнергетике для измерения параметров тока, напряжения и температуры, для измерения механических величин (силы, угла, ускорения, давления, вибрации, приближения), для измерения уровней горючих жидкостей (напр. нефти и нефтепродуктов), для контроля концентрации взрывоопасных газов (напр. в шахтной атмосфере) и в других приложениях.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Гибридные измерительные системы в своей конструкции содержат как элементы традиционной электротехники и электроники, так и волоконно-оптические элементы. Для безопасного применения таких измерительных систем во взрывоопасных средах следует учитывать, что элементы обеих групп в общем случае не являются взрывобезопасными. Традиционные электрические элементы могут быть потенциальным источником искрения, приводящего к взрыву или воспламенению опасной среды. Волоконный световод в таких системах является средой распространения оптического излучения значительной мощности, которая, при определенных условиях (например, разрыв световода) также может являться причиной воспламенения или взрыва среды. Поэтому разработка критериев взрывобезопасности требует учета обоих факторов, электрического и оптического. Первый фактор к настоящему времени достаточно хорошо изучен, поэтому критерии электробезопасности оборудования нашли свое отражение в существующих государственных стандартах и нормативно-технической документации. Второй фактор менее изучен, поэтому задача определения условий, при которых воспламенение среды оптическим излучением невозможно, является актуальной. При этом одним из основных условий является ограничение уровней мощности оптического излучения, распространяющегося по световоду.

Так как уровень передаваемой оптической мощности в общем случае ограничен, следующей актуальной задачей является разработка высокоэффективных фотовольтаических преобразователей. При имеющихся ограничениях поступающей на вход преобразователя оптической мощности необходимо, чтобы преобразователь являлся источником питания с выходным стабилизированным напряжением 3,3В или 5В (стандартные напряжения питания для элементов современной электроники), при этом электрической мощности с выхода преобразователя должно быть достаточно для питания удаленного модуля датчика.

В условиях ограничений мощности источника питания, диктуемых требованиями взрывобезопасности, необходимо минимизировать потребление удаленного модуля датчика. Для этого требуется разработка специализированных энергосберегающих алгоритмов, на основе которых осуществляется сбор измерительной информации от чувствительных элементов, обработка и передача этой информации по оптическому волокну. В дополнение к энергосберегающим алгоритмам для минимизации энергопотребления необходим отбор элементной базы с минимальным энергопотреблением, что представляет собой отдельную задачу.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

• Впервые в стране создан высокоэффективный (КПД>45%) фотовольтаический преобразователь на основе двойных гетероструктур AlGaAs, осуществляющий преобразование энергии монохроматического оптического излучения в электрическую энергию с квантовой эффективностью более 88%, напряжением холостого хода U-1,23В;

• Предложена одноволоконная схема ГВОД, в которой один элемент применяется как в качестве фотовольтаического преобразователя, так и в качестве источника излучения для передачи измерительной информации;

• Разработаны энергосберегающие методы построения ГВОД, позволяющие создавать измерительные системы, потребление удаленного модуля которых составляет менее 0,5мВт;

• Разработаны критерии взрывобезопасности волоконно-оптических трактов, предназначенных для питания удаленных систем, имеющие абсолютный характер. Определены максимальные уровни оптической мощности, при которых измерительная система на основе ГВОД может считаться взрывобезопасной;

• Разработаны энергосберегающие алгоритмы кодирования измерительной информации для создания многоканальных измерительных систем на основе ГВОД;

• Разработан экспериментальный макет двухканального датчика температуры, как прототипа многоканального датчика для контроля температурных полей в технологических процессах;

• На основе технологии ГВОД предложен способ создания волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на спектральных измерениях в области основных линий поглощения этих газов;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

• Разработана лабораторная технология сборки фотовольтаического преобразователя с волоконным входом;

• Разработан экспериментальный макет двухканального ГВОД температуры, диапазон измерений (в каждом канале) -50°С.250°С, предел основной погрешности - 2°С;

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Взрывобезопасность волоконно-оптического тракта в среде с температурой самовоспламенения 450-КЮ0 °С (смесь водорода, метана, пропана и подобных с воздухом) обеспечивается при уровне передаваемой оптической мощности, не превышающем 0,5d мВт, где d - диаметр световедущей жилы (в мкм) многомодового оптического волокна.

2. Разработан алгоритм последовательного широтно-импульсного кодирования измерительной информации для многоканальных измерительных систем, состоящий из следующих процедур: 1) измерительный сигнал с датчика, условно принятым первым, преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с периодом Т так, что длительность импульсов пропорциональна значению измерительного сигнала; 2) на переднем и заднем фронтах этих импульсов формируются импульсы прямоугольной формы, длительность которых связана со значением измерительных сигналов со второго и третьего датчиков. Последняя процедура может повторяться п раз для общего числа датчиков (2п+1), в результате чего образуется импульсная последовательность, содержащая (2п+1) импульсов на временном интервале Т; 3) на передних и задних фронтах импульсов полученной последовательности формируются короткие импульсы так, чтобы скважность импульсов результирующей последовательности была максимальной при используемых аппаратных средствах. Разработанный алгоритм кодирования является основой для построения многоканальных гибридных измерительных систем, в которых среднее энергопотребление измерительного блока не превышает взрывобезопасных уровней необходимой оптической мощности.

3. Фотовольтаические преобразователи на основе двойных гетероструктур AlGaAs-GaAs при работе от монохроматического источника излучения с длиной волны в диапазоне ^=790.830нм обеспечивают преобразование энергии оптического излучения в электрическую энергию с эффективностью до 45%, что является основой для создания источников питания для гибридных волоконно-оптических измерительных систем с выходным напряжением 3-5В и мощностью до 30мВт.

4. Метод построения гибридных волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на преобразовании спектра излучения, для которого стандартное кварцевое волокно является прозрачным, в излучение, соответствующее основным линиям поглощения исследуемых газов в спектральном диапазоне 3—4 мкм, позволяет в 50-100 раз повысить пространственную разрешающую способность датчика по сравнению с измерением на обертонах основной линии поглощения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались па X международном симпозиуме IMEKO ТС7 International Symposium on Advances of Measurement Science (г.Санкт-Петербург, 2004г.), XIV научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 2004г.), XVI научно-технической конференции "Датчики и преобразователи систем измереиия, контроля и управления" (Судак, 2004г.), Всероссийской конференции по волоконной оптике (г.Пермь, 2007г.), Международной конференции IEEE по средствам и технике измерений I2MTC (г.Викторня, Канада, 2008г.), 21-й Канадской конференции IEEE (Ниагара Фолз, Канада, 2008г.), 63-ей научной сессии, посвященной Дню Радио, Канадской конференции CIGRE по энергетике (Виннипег, Канада, 2008г.).

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Основные результаты работы:

1.Предложен принцип временного кодирования измерительной информации для гибридных оптоэлектронпых измерительных систем, позволяющий реализовать многофункциональный или мультиплексный режим их работы при минимальном энергопотреблении

3. Исследованы особенности фотовольтаического преобразования излучения (эффективность, спектры) двойными гетероструктурами AlGaAs и связь спектров электролюминесценции и спектров фоточувствительности. Определены структуры, обеспечивающие эффективность фотовольтаического преобразования 45-50% при напряжении холостого хода более 1,2В.

На основе данных структур реализованы стабилизированные источники питания гибридных оптоэлектронных измерительных систем с КПД около 30%) и выходным напряжением 3,3В и 5В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Задворнов, Сергей Александрович, Москва

1. Ning Y N. Jackson D A, Low-cost Robust Electro-optic Hybrid Current Sensors, SP1. Vol.1795 Fiber optic and Laser Sensors X 1992

2. Schwcizer, P. Neveux, L. - Ostrowsky, D.B. Optical Fiber Powered Pressure Sensor. Proc., SPIE, Vol.798, 1987, 82-85.

3. Spillman, B. Crowne, D. H.: Optically Powered and Interrogated Rotary Position Sensor for Aircraft Engine Control Applications. Opt. Laser Eng., Vol.16, 1992, 105-118.

4. Wany, Y. Cui, J.: Micro-Power Consumption Handy Oil Tank Liquid Level Detection System with Optical Fiber Link. Proc. SPIE, Vol.4920, 2002, 247-250.

5. Pember, S. J. France, С. M. - Jones, В. E.: A Multiplexed Network of Optically Powered, Addressed and Interrogated Hybrid Resonant Sensors. Sensors and Actuators, Vol.46-47, 1995, 474-477.

6. Litian, W. Yutian, W. - Jinshan, S. - Longijang, Z.: Optically Powered Hydrostatic Tank Gauging System with Optical Fiber Link. Proc. SPIE, Vol.3555, 1998, 277-284.

7. Petrik, S. Turan, J.: An Analysis of Fiber Optic Sensor of High Frequency Magnetic Field. Journal of El. Engineering, Vol.41, No.2, 1990, 84-96.

8. Zientkiewicz. J. 1С: All-optical Fibre Networks for Coal Mines. Proc. SPIE, Vol.734, 87, 4754.

9. Dubaniewicz, Т. H. Jr. Chilton, J. E.: Optically Powered Remote Gas Monitor. wvvw.cdc.gov/niosh/mining/pubs/pdfs/ri9558.pdf

10. Tamura, T. Togava, T. - Oberg, P. A.: Fiber-Optic Power-Feed System for Temperature Measurement. Sensor and Actuators, Vol.34, 1992, 155-159.

11. B. Djokic and E. So, "An Optically Isolated Hybrid Two-Stage Current Transformer for Measurements at High Voltage" IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 55, no. 4, pp. 1204-1207, Aug. 2006.

12. Z. Gang, L. Shaohui, Z. Zhipeng, and C. Wei, "A Novel Electro-Optic Hybrid Current Measurement Instrument for High-Voltage Power Lines" IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 50, no. 1, pp. 59-62, Feb. 2001.

13. P. S. NEELAKANTA, D. DEGROFF, LIGHT-EMITTING DIODE AS RADIO-FREQUENCY DETECTOR : DEVELOPMENT OF RFI-FREE ELECTROMAGNETIC FIELD SENSORELECTRON1CS LETTERS 9th November 7989 Vol. 25 No. 23

14. В.В.Гришачев, В.Н.Родионов, P.А.Шевченко, Возможности применения опто-электрооптнческого преобразования в волоконно-оптическом датчике. Всероссийская конференция по волоконной оптике, 10-12 октября 2007, г.Пермь

15. Jan TURAN, Lubos OVSENIK, Jan TURAN, Jr., OPTICALLY POWERED FIBER OPTIC SENSORS, Acta Electrotechnica et Informatica No. 3, Vol. 5, 2005, pp. 1-7

16. OPTICAL FIBER TELECOMMUNICATIONS IIIA, ACADEMIC PRESS, Edited by IVAN P. KAMINOW, THOMAS L. KOCH

17. Ultra-low-loss (0.1 484 dB/km) pure silica core fibre and extension of transmission distance? K. Nagayama, M. Kakui, M. Matsui, T. Saitoh and Y. Chigusa, ELECTRONICS LETTERS 26th September 2002 Vol. 38 No. 20, pp. 1168-1169

18. A. G. Dentai, C: R. Giles. E. Burrows, A Long-Wavelength 10V Optical-to-Electrical InGaAs Photogenerator, 1 I th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 16-20 May 1999 Davos, Switzerland

19. M. Govindarajan, S. R. Forrest, L. Cheng, and A. A. Sawchuk, Optically Powered Optoelectronic Switch with Polarization Routing, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 3, NO. 7, JULY 1991

20. J. J. Brown. J. T. Gardner, and S . R. Forrest, Optically Powered, Integrated " Smart" Pixels for Optical Interconnection Networks, IEEE TRANSACTIONS PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 3, NO. 12, DECEMBER, 1991

21. С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, М.: Мир, 1984.

22. W. Mann, К. Petermann, Optically Powered Small E-Field Probes with Integrated JFET- and HEMT-Prcamplifiers, In Proc. of IEEE International Symposium on EMC, Mai 11-16 2003, Istanbul, Paper no. TU-A-R3-2.

23. N. A. Pilling, R. Holmes and G. R. Jones, OPTICALLY POWERED HYBRID CURRENT MEASUREMENT SYSTEM, ELECTRONICS LETTERS 10th June 1993 Vol. 29 No. 12, pp. 1049-1051.

24. Weiss. Stephan: Werthen, Jan; Andersson, Anders, Optically Powered Sensor Technology, ISA '97 paper, May 4-8, 1997 in Orlando, FL, USA

25. I-I. J. Yi, J. Diaz, L. J. Wang, I. Eliashevich, S. Kim, R. Williams, M. Erdtmann, X. He, E. Kolev, and M. Razeghi, Optimized structure for InGaAsP/GaAs 808 nm high power lasers, Appl. Phys. Lett. 66 (24), 12 June 1995

26. Rafael Pena and Carlos Algora, The Influence of Monolithic Series Connection on the Efficiency of GaAs Photovoltaic Converters for Monochromatic Illumination IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 48, NO. 2, FEBRUARY 2001

27. Alan L. Fahrenbruch, Adolfo Lopez-aero, Jan G. Werthen, Ta-Chung Wu, As- AND InAIGaAs-BASED CONCENTRATOR TYPE CELLS FOR CONVERSION OF POWER TRANSMITTED BY OPTICAL FIBERS, 25th PVSC; May 13-17, 1996; Washington, D.C.

28. R.C.Miller, B.Schwartz, L.A.Koszi, W.R.Wagner, A high-efficiency GaAlAs double-heterostructure photovoltaic detector, Appl. Phys. Lett. 33(8), 15 Oct 1978

29. Лазерные и фотодиодпые модули для оптоволоконных систем, оптических сенсоров и оптического измерительного оборудования / Васильев М.Г., Васильев A.M., Задворнов С.А. / Метрология и измерительная техника в связи 2000. - №5 - С. 31-33

30. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ, А. М. Прохоров, УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК 1986 г. Январь Том 148, вып. 1

31. Micromachined Microsensors for Manufacturing, Robert Gao and Li Zhang, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, June 2004, pp.20-25

32. KURT E. PETERSEN, Silicon as a Mechanical Material, PROCEEDINGS OF THE EEE. VOL. 70, NO. 5, MAY 1982

33. Терморезнсторы на основе монокристаллов синтетического полупроводникового алмаза: характеристики, параметры, применение. М.Бондаренко, В.Лаптев, С.Мартынов, В.Мазулев. А.Помчалов, Е.Полянский, П.Аристов. Компоненты и технологии, №1-2004, с.50-52

34. STLM 20 Data Sheet, www.st.com

35. Горчаков В.К., Куцаенко В.В., Потапов В.Т. Волоконно-оптические датчики электромагнитных полей на БГО и БСО. М.: Радиотехника. 1988, N8, 28.

36. Frequency-output fiber-optic voltage sensor for high-voltage lines, Martinez-Leon, L.; Diez, A.; Cruz. J.L.; Andres, M.V., Photonics Technology Letters, IEEE, Volume 13, Issue 9, Sep 2001 Page(s):996 998

37. Piezoelectric copolymer jacketed single-mode fibers for electric-field sensor application M.Imai.H.Tanizawa. J.Appl.Phys.,60(8), 1986, 1916-1918

38. Piezoelectric-modulated optical fibre Bragg grating high-voltage sensor, M Pacheco et al 1999 Meas. Sci. Technol. 10 777-782

39. Fiber oplic sensing of electric field components, K.M.Bohnert,. Appl.Opt, v27,23,1988.4814-4818

40. Fiber optic sensing of voltages by line integration of electric field, K.M.Bohnert et al, Optics Lett, v 14, 6 1989,290-292

41. B.M. Клпмашин, В.Г. Никифоров, АЛ. Сафронов, В.К. Казаков, Новые области применения пьезотрансформаторов, Компоненты и технологии, №1-2004

42. An Overview of Integratable Current Sensor Technologies Chucheng Xiao, Lingyin Zhao, Tadashi Asada, W. G. Odendaal, J. D. van Wyk, IEEE Industry Applications Society 38th Annual Meeting,The Grand America Hotel, Salt Lake City, Utah USA

43. Research of Anti-H2S Poisoning Catalytic Sensor Tong minming,Feng yingbo,Zhang chuang, Proceedings of the 2007 International Conference on Information Acquisition July 9-11, 2007, Jeju City, Korea

44. The Effect of Humidity and Environment Temperature on Thin Film Pt/Sn02:Sb Gas Sensors, O.V. Anisimov, N.K. Maksimova, E.V. Chernikov, E.Y. Sevastyanov, N.V. Sergeychenko, Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2007

45. US 5708735. Fiber Optic Device for sensing the presence of a gas. D.Benson et all., Int.el. G01N 21/01, Publ. 13/01/1998.

46. US 4861727 Luminescent oxygen sensor based on a lantanide complex. Hauenstein et al., Intel. GO IN 33/00, Publ. 29/08/1989.

47. Measurement of methane gas concentration using an infrared LED, H.Okajima, S.Kakumal, K.Uchida, Y.Wakimoto and K.Noda, SICE-ICASE International Joint Conference 2006, Oct. 18-21, 2006 in Bexco, Busan, Korea

48. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link. Applied Optics, Vol. 23 Issue 19 Page 3415 (October 1984) Kinpui Chan, Hiromasa lto, Iiumio Inaba

49. Fiber Optics for Atmospheric Mine Monitoring, Thomas H. Dubaniewicz, Joseph E. Chilton and Harry Dobroski, Jr., IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 29, NO. 4, JULYIAUGUST 1993 149

50. Absorption Spectra of Methane in the Near Infrared, By Richard C. Nelson, Earle K. Plyler, and William S. Benedict, Research Paper RP1944, Volume 41, December 1948, Part of the Journal of Research of the National Bureau of Standards

51. Chalcogcnide Glass Fibers for Mid-Infrared, Transmission, TERUTOSHI KANAMORI, YUKIO TERUNUMA, SIIIRO TAKAHASHI, AND TADASHI MIYASHITA, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. LT-2, NO. 5, OCTOBER 1984 601

52. Задворнов С. А., Соколовский А. А. О пожаровзрывобезопасности волоконно-оптических гибридных измерительных систем // Датчики и системы, Jsf° 3, 2007 С. 11-13

53. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенпое. Часть 2. Иекробезопасиая электрическая цепь.

54. Dubaniewicz Т., Cashdollar К., GreenG., Chaiken R. Ignition of Methane-Air Mixtures by Laser Heated Small Particles Journal of Loss Prevention in the Process Ind., 2000 May 13(3-5):349-359.

55. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопаспость. Общие требования.

56. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура и методы определения.

57. ГОСТ Р 51330.19-99. Электрооборудование взрывозащищепное. Часть 20. Данные но горючим газам и парам, относящиеся к эксплуатации электрооборудования.

58. Dubaniewicz Т. Cashdollar К., Green G. Continuous Wave Laser Ignition Thresholds of Coal Dust Clouds // Journal of Laser Applications, 2003 Aug; 15(3): 184-191

59. Задворнов С.А., Левин П.В. Измерители оптической мощности FOD-1204 и FOD-1204H // Метрология и измерительная техника в связи 2000. - №1 — С. 45

60. Краткий обзор решений компании FOD в области приборостроения для оптических телекоммуникаций / Задворнов С.А., Левин П.В. / Метрология и измерительная техника в связи 2000. -№3-С. 31-33

61. Ignition of Methane-Air Mixtures by Laser Heated Small Particles, Dubaniewicz-TH, Cashdollar-KL, Green-GM, Chaiken-RF,J Loss Prev Process Ind 2000 May 13(3-5):349-359 (NIOSHTIC-2 No. 20022694)

62. ГОСТ P 51330.2-99. Электрооборудование взрывозащшценное. Часть 1. Взрывозащита вида «ВЗРЫВОНЕПРОНИЦАЕМАЛ ОБОЛОЧКА». Дополнение 1. Приложение D. Метод определения безопасного экспериментального максимального зазора.

63. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Двухканальный оптоэлектронпый датчик температуры // Измерительная техппка 2004. - №11 - С.35-37 - ISSN 0368-1025

64. ANPEC Electronics Corp., www.anpcc.com.tw

65. Anachip Corp. www.anachip.com.tw78. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/AlGaAs/index.html

66. О целесообразности применения волоконных микроскопов при измерениях в оптических комхмуникациях / Задворнов С.А., Левин П.В. / Метрология и измерительная техника в связи 1999. - №1 - С. 36-37

67. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке №2008141065/22(053160)

68. US4857727. Optically powered remote sensors with timing discrimination. James E.Lenz et al., Int.el. 1101J 5/16, Publ. 15/08/1989.

69. US4417140. Fibre Optic Measuring Device with Electrically controled Photoluminescence. Adolfsson et al., Int.cl. G01D 5/26, Publ. 22/11/1983

70. A. SOKOLOVSKY, M. RYABKO, S. ZADVORNOV, A Fiber Optic Hybrid Multifunctional AC Voltage Sensor, CIGRE Canada Conference on Power Systems, Winnipeg, October 19-21, 2008

71. Задворпов С.А., Соколовский А.А. Двухканальный оптоэлектронпый датчик температуры // Измерительная техника 2004. - №11 - С.35-37 - ISSN 0368-1025

72. ГОСТ 8.558-93 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры.

73. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Многофункциональный оптоэлектропный датчик тока// Всероссийская конференция по волоконной оптике, г.Пермь, 10-12 октября 2007 г.

74. С.А.Шатун, «Необходимость применения трансформаторов тока класса точности 0,2S и 0,5S па предприятиях, производящих и потребляющих электроэнергию» Энергоанализ и Эиергоэффектпвность, по. 1(14), 2006, стр.28-29

75. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.

76. Пат. 39202 РФ, МПК 7 G 01 N 21/35. Волоконно-оптический датчик концентрации газов/ Соколовский А.А., Задворнов С.А. N 2004107684/22; Заяв. 19.03.04; Опубл. 20.07.04, Бюл. №20; Приоритет 19.03.04

77. Задворнов С.А., Соколовский А.А. Гибридный волоконно-оптический датчик углеводородных сред //Тез. докл. XIV паучно-тсхпической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" М.:ВНИИОФИ - 2004,- С.111-112

78. S.Zadvornov, A.Sokolovsky, An Electro-Optic Hybrid Methane Sensor // 21st Canadian Conference on Elcctrical and Computer Engineering, May 4-7, 2008, Niagara Falls, Ontario, Canada

79. Задворнов C.A., Соколовский А.А. Гибридный оптоэлектронный датчик метана // 63-я научная сессия, посвященная Дню Радио, 14-15 мая 2008г.

80. Пат. 2265826 РФ, МПК 7 G 01 N 21/35. Волоконно-оптический датчик концентрации газов/ Соколовский А.А., Задворнов С.А. N 2004104173/28; Заяв. 16.02.04; Опубл. 27.07.05, Приоритет 16.02.04

81. Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.П.Талалакин, В.В.Шустов, Инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением па основе InGaAs(Sb), ФТП, 2001, том 35, выпуск 3.

82. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакип, Мощные лазеры (Iambda=3.3 мкм) на основе двойных гетероструктур InGaAsSb(Gd) / InAsSbP, ФТП, 2001, том 35, выпуск 10.

83. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. М.: Рикел, Радио и Связь, 1994