Чичура Ігор Іванович Моделювання та оптимізація характеристик волоконно-оптичних датчиків температури

Краткое описание

Чичура Ігор Іванович, старший викладач кафедри приладобудування інженерно-технічного факультету Державного вищого навчального закладу «Ужгородський національний університет» Міністерства освіти і науки України. Назва дисертації: «Моделювання та оптимізація характеристик волоконно-оптичних датчиків температури». Шифр та назва спеціальності 01.04.10 фізика напівпровідників і діелектриків. Спецрада Д 61.051.01 Державного вищого навчального закладу «Ужгородський національний університет» Міністерства освіти i науки України

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИИ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису
Чичура Ігор Іванович
УДК: 53.096, 535.337, 535.343.2, 535-15
ДИСЕРТАЦІЯ
Моделювання та оптимізація характеристик волоконно-оптичних
датчиків температури
01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело І.І. Чичура
Науковий керівник: Туряниця Іван Іванович, кандидат фізико-математичних наук, доцент, декан Інженерно-технічного факультету ДВНЗ «УжНУ»
Ужгород - 2021

ЗМІСТ
АНОТАЦІЯ 2
SUMMARY 7
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ 17
ВСТУП 19
РОЗДІЛ 1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРИ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ) 26
1.1 Фізичні та експлуатаційні характеристики оптичних волокон 26
1.2 Основні типи волоконно-оптичних датчиків та волоконно-оптичних
термометрів 28
1.2.1 Інтерферометричні волоконно-оптичні термометри 31
1.2.2 Волоконно-оптичні термометри на основі дифракційних ґраток .... 42
1.2.3 Волоконно-оптичні датчики температури з модуляцією
інтенсивності випромінювання 46
1.3 Матеріали чутливих елементів для волоконно-оптичних датчиків з
модуляцією інтенсивності випромінювання 51
Висновки до розділу 1 54
РОЗДІЛ 2. ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ ТА МЕТОДИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ 55
2.1 Технологія виготовлення кристалічних чутливих елементів 55
2.2 Технологічні дослідження методів одержання чутливих елементів із
стекол As-Se 58
2.3 Формування чутливих елементів методом роздавлювання 65
2.4 Оптимізація методів експериментальних досліджень параметрів та
характеристик чутливих елементів та волоконно-оптичних термометрів 70
Висновки до розділу 2 76
РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ СПЕКТРІВ ПОГЛИНАННЯ ТА ВИБІР ОПТИМАЛЬНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ОПТИЧНИХ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ І СХЕМ ТЕРМОМЕТРІВ 78
3.1 Дослідження спектрів пропускання кристалів GaP та GaAs 80
3.2 Встановлення оптимального для ВОДТ діапазону хімічних складів
стекол системи As-Se 87
3.3 Теоретичний аналіз краю оптичного поглинання скла As45Se55 95
3.4 Вибір оптимального типу оптичної схеми волоконно-оптичних
термометрів із напівпровідниковим чутливим елементом 101
3.5 Вибір елементів оптичного тракту для двоканальної оптичної схеми .. 105
Висновки до розділу 3 108
РОЗДІЛ 4. ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ І РОЗРАХУНКИ ПАРАМЕТРІВ ТЕРМОМЕТРА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК 111
4.1 Розрахунок потужності випромінювання на вікнах фотодіодів 111
4.2 Розрахунок величини вихідного електричного сигналу фотодіодів ... 118
4.3 Аналіз впливу флуктуацій густини та товщини чутливого елементу
на параметри термометрів 122
4.4 Аналіз чутливості ВОДТ 125
4.5 Вплив температурної та спектральної нестабільності параметрів
оптичного тракту на чутливість ВОДТ 130
4.5.1 Вплив спектральної нестабільності параметрів оптичного
тракту на чутливість ВОДТ 130
4.5.2 Аналіз спектральної та температурної стабільності джерела
випромінювання 133
4.6 Експериментальні дослідження параметрів ВОДТ та оцінка їх
експлуатаційних характеристик 139
Висновки до розділу 4 147
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 150
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 152
ДОДАТКИ А 150
ДОДАТОК Б 162
ДОДАТОК В 163
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ,
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ
У роботі введено та використано наступні умовні скорочення:
ВОД волоконно-оптичний датчик;
ВОДТ волоконно-оптичний датчики температури;
ВОТ волоконно-оптичний термометр;
ОВ оптичне волокно;
ОР оптоелектронний регістратор;
ПВП первинний вимірювальний перетворювач;
ТЧЕ термочутливий елемент;
ЧЕ чутливий елемент;
А оптична різниця ходу хвиль;
X довжина хвилі;
kd коефіцієнт термічного розширення плівки;
d товщина;
dp показник, що визначає площину паралельну товщині взірця;
Eg ширина забороненої зони;
F фаза оптичних хвиль;
h постійна Планка;
kd коефіцієнт температурного розширення
kf фазовий коефіцієнт;
kn термо-оптичний коефіцієнт зміни показника заломлення;
l відстань між об’єктами;
m порядок дифракції;
n оптичний показник заломлення;
P(X) інтегральна потужність світлового випромінювання;
r коефіцієнт відбивання випромінювання;
s період ґратки;
S крутизна краю оптичного пропускання ЧЕ;
S(X) інтегральна чутливість світлового випромінювання
ST середня температурна чутливість ЧЕ;
t час;
а коефіцієнт поглинання;
в коефіцієнт лінійного розширення
S зсув фази між двома послідовними відбитими в ЧЕ пучками;
є відносна зміна товщини
П коефіцієнт пропускання волоконно-оптичного тракту;
в оптичний кут;
v частота випромінювання;
т коефіцієнт пропускання;
X чутливість ВОДТ;
Хо коефіцієнт теплового розширення;
А константа матеріалу;
І інтенсивність випромінювання;
Т температура;
ш частота світла;
ВСТУП
У наш час сучасну промисловість неможливо уявити без автоматизованих систем керування. Складні технологічні процеси і технічні механізми потребують постійного контролю різноманітних параметрів процесів, що в них проходять. Моніторинг стану складних інженерних споруд та промислових систем є невід’ємною частиною їх повсякденної експлуатації. Для виконання подібного контролю потрібні датчики та системи контролю різних фізичних величин, таких як температура, механічні деформації, тиск і т.д.
Обґрунтування вибору теми дослідження. На ринку вимірювальних систем і датчиків домінуюче положення й надалі займають електронні вимірювальні технології, які передбачають перетворення вимірювального параметра в електричний сигнал та наступну його обробку. Альтернативою такому підходу є використання волоконно-оптичних систем вимірювання, де вимірюваний параметр перетворюється в оптичний сигнал, що передається по оптичному волокну. Незважаючи на постійне зростання ринку волоконно- оптичних датчиків (за даними компанії ASDReports: 892 мільйони доларів у 2018 році з щорічним приростом 10,8% по всім галузям промисловості [1]), відносна доля таких приладів в загальному ринку вимірювальних систем залишається невеликою. По суті, волоконно-оптичні датчики займають тільки нішові позиції там, де традиційні вимірювальні засоби не можуть бути використані або їх використання є дуже затратним.
Проте варто відзначити дві тенденції, що спостерігаються у нашому часі. По-перше, бурхливий розвиток суміжних технологій на основі волоконно- оптичної передачі інформації, прийому і обробки зображень за допомогою цифрової фото- та відеоапаратури, мікропроцесорної техніки сприяє розвитку оптоволоконної вимірювальної техніки і здешевленню їх виготовлення. По-друге, промисловість та регулюючі органи висувають все більш жорсткі вимоги до умов експлуатації різних пристроїв, зокрема завадозахищеності, безпеки вимірювань, точності та ін. По-третє, очевидними є переваги оптоволоконних систем над електронними технологіями: вибухобезпечність, відсутність чутливості до інтенсивних електромагнітних перешкод, висока роздільна здатність, завадостійкість оптичних каналів передачі інформації на кілометрових відстанях тощо. Всі ці критерії здатні задовольнити сучасні оптоволоконні датчики. Відповідно, вказані три тенденції свідчать про конкурентоспроможність оптоволоконних вимірювальних систем по відношенню до традиційних електронних як за робочими характеристиками, так і за економічними показниками. Дослідженню напівпровідникових матеріалів та термочутливих елементів (ТЧЕ) на їх основі для важливого типу сучасних оптоволоконних систем - волоконно-оптичних датчиків температури (ВОДТ) і присвячена дана робота, що й визначає її актуальність.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в науково-дослідній лабораторії «Волоконно- оптичних приладів та систем» кафедри приладобудування Державного вищого навчального закладу «Ужгородський національний університет». Тематика роботи відповідає науковим програмам Міністерства освіти та науки України з фундаментальних досліджень. Основні результати роботи увійшли у звіти по НДР: тема № 0116U003323 «Прилади і системи екологічного моніторингу довкілля» (роки виконання: 2016-2018 р.); тема № 0119U101432
«Автоматизація та моделювання комплексних автономних електроенергетичних систем» (рік виконання: з 2019 р. по теперішній час).
Мета і завдання дослідження. Вирішення наукової задачі моделювання та оптимізації оптичних параметрів легованих кристалів GaAs та стекол системи As-Se й термочутливих елементів на їх основі для розробки дистанційних волоконно-оптичних датчиків температури з екстремальними умовами роботи (інтенсивні електромагнітні поля, високі радіаційні потоки, вибухонебезпечні середовища).
Для досягнення поставленої мети при проведені досліджень вирішувались такі основні задачі:
- аналіз сучасного стану розробок волоконно-оптичних термометрів
(ВОТ);
- оптимізація технології виготовлення оптичних ТЧЕ із
напівпровідникових кристалів та стекол;
- експериментальні й теоретичні дослідження в широкому
температурному діапазоні змін спектрів краю оптичного поглинання легованих кристалів GaAs та стекол системи As-Se і ТЧЕ на їх основі;
- моделювання й теоретичні дослідження оптичних параметрів та характеристик оптичних ТЧЕ із легованих кристалів GaP, GaAs та стекол системи As-Se;
- розробка, оптимізація параметрів та виготовлення експериментального стенду для досліджень експлуатаційних параметрів ТЧЕ;
- експериментальні дослідження оптичних ТЧЕ та порівняльний аналіз їх результатів із теоретичними та модельними даними.
Об'єктом досліджень дисертації - є оптичні процеси на краю поглинання напівпровідникових кристалів і стекол та у ВОДТ на їх основі в умовах зміни температури навколишнього середовища.
Предмет дослідження - леговані кристали GaP, GaAs і халькогенідні стекла системи As-Se та ТЧЕ і ВОДТ на їх основі.
Методи досліджень, які використані для досягнення поставленої мети дисертації:
- аналіз фізичних основ функціонування та принципів побудови ВОДТ на основі напівпровідникових матеріалів;
- технологічні методи формування ТЧЕ із стекол системи As-Se;
- спектральні методи визначення параметрів краю поглинання напівпровідників та його зсуву при варіюванні температури в широкому діапазоні;
- методи оптимізації конструкції та фізичних параметрів ВОДТ на основі напівпровідникових кристалів та стекол;
- моделювання поведінки краю поглинання ТЧЕ при зміні їх температури;
- фотоелектричні методи реєстрації інформаційних сигналів від ВОДТ;
- методи оптимізації електроніки блоку обробки сигналів від ВОДТ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає:
1. У широкому діапазоні температур від 240 К до 450 К експериментально та теоретично досліджено спектри пропускання в області оптичного краю поглинання легованих кристалів GaP і GaAs, стекол системи As-Se та термочутливих елементів на їх основі для ВОДТ.
2. Вперше на основі результатів експериментальних досліджень для області краю поглинання визначено числові параметри функції коефіцієнта оптичного поглинання кристалів GaP, GaAs та стекол As45Se55, залежної від двох змінних: енергії фотонів випромінювання та температури. На базі отриманої функції розроблено фізичні основи створення ТЧЕ звказаних напівпровідникових матеріалів з чутливістю у межах від 0,002 в.о./К до 0,003 в.о./К.
3. Вперше методами оптимізації та теоретичного моделювання показано, що оптимальним поєднанням фізичних параметрів й характеристик для створення чутливих елементів волоконно-оптичних термометрів для екстремальних умов використання володіють халькогенідні стекла As45Se55.
4. Вперше проведено моделювання фізичного процесу проходження оптичного випромінювання через оптичний тракт двохканального ВОДТ з напівпровідниковими ТЧЕ з врахуванням параметрів всіх його елементів від джерела випромінювання до фотоприймача. У результаті встановлено оптимальну величину (біля 0,8) коефіцієнта поділу Y-розгалужувача оптичного тракту та діапазон змін потужності випромінювання на виході оптичного тракту (від 1 мВт до 5 мВт). Показано, що такі величини потужності випромінювання достатні для створення нових напівпровідникових сенсорів температури.
5. На основі моделей джерела випромінювання та оптичного тракту ВОДТ отримано математичне співвідношення температурної чутливості стекол As45Se55. Аналізом температурної чутливості визначено діапазон вимірюваних
температур ЧЕ на основі скла As45Se55, від 270 К до 430 К, що підтверджено експериментальними дослідженнями.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:
1. Розроблено нову технологію виготовлення ЧЕ високої оптичної якості для ВОДТ із халькогенідних стекол методом розчавлювання при близьких до склування умовах.
2. Розроблений теоретичний підхід і виведені математичні співвідношення суттєво спрощують практичну розробку та оптимізацію експлуатаційних параметрів термочутливих елементів із напівпровідникових матеріалів для використання у різних температурних діапазонах.
3. Створено діючий макет ВОТ для експериментальних досліджень параметрів і характеристик ВОДТ. На макеті показано, що для оптимізованих конструкції ВОДТ на основі скла As45Se55 відносна похибка вимірювання температури у діапазоні від 250 К до 400 К не перевищує 0,3 %.
Отримані результати можуть бути використані для конструювання нових та покращення параметрів вже існуючих ВОТ, призначених для роботи в різних несприятливих зовнішніх умовах та при надійній передачі даних на кілометрові відстані. Результати роботи вже використовуються для проведення лабораторних робіт студентами за напрямком підготовки "Автоматизація та приладобудування".
Особистий внесок здобувача полягає у наступному: пошук та аналіз літературних джерел, які стосуються теми роботи; розробка й реалізація експериментальної установки оптичних досліджень матеріалів та волоконно- оптичних систем; запропонування та апробація методик проведення моделювання оптичних процесів й оптимізації параметрів волоконно-оптичних датчиків температури із різними чутливими елементами; проведення численного моделювання поведінки краю поглинання напіпровідникових матеріалів зі зміною температури; оптимізація конструкції та параметрів волоконно-оптичних датчиків; експериментальні дослідження експлуатаційних характеристик датчиків температури. Формулювання мети та задачі досліджень, вибір теоретичних та експериментальних методів, обговорення отриманих результатів проводилося разом з науковим керівником к.ф.-м.н. доцентом Туряницею І.І.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи оприлюднені та обговорені на таких конференціях:
• ІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених та студентів. «Фізика і хімія твердого тіла. Стан досягнення і перспективи» (м. Луцьк, 2012 р.);
• 3-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції. «Інформаційно- вимірювальні технології, технічне регулювання та менеджмент якості». ОДАТРЯ (м. Одеса, 2013 р.);
• ХІІ Міжнародній Науково-технічній Конференції. «Приладобудування: стан і розвиток, перспективи» КПІ. (м. Київ, 2013 р.);
• 6-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених і студентів «Сучасний стан та перспективи розвитку системи технічного регулювання, метрології та якості» ОДАТРЯ. (м. Одеса, 2015 р.);
• 7-ій Всеукраїнській науково-практичній конференція молодих учених і студентів. «Тенденції розвитку технічного регулювання та метрології в умовах трансформації законодавства в Україні». ОДАТРЯ. (м. Одеса,
2016р.);
• 8-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих учених і студентів «Технічне регулювання, метрологія та якість виклики сучасності». ОДАТРЯ (м. Одеса, 2017 р.);
• 73-ій Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, науковців, аспірантів та студентів. (м. Одеса, 2018 р.);
• International Meeting «Clusters and nanostructured materials» (CNM-5) (м. Ужгород, 2018 р.);
• 10-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих учених і студентів «Технічне регулювання, метрологія, якість, інформаційні та транспортні технології». ОДАТРЯ (м. Одеса, 2019 р.);
• International Meeting «Clusters and nanostructured materials» (CNM-6) (м. Ужгород, 2020 р.).
Обсяг і структура дисертації
Дисертаційна робота викладена на 165 сторінках машинописного тексту, складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних
джерел та 3 додатків. Обсяг основного тексту дисертації складає 125 сторінок друкованого тексту. Робота ілюстрована 13 таблицями, 73 рисунками. Список використаних джерел містить 84 найменування, з них 45 кирилицею та 39 латиницею.

Список литературы

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Експериментально досліджено спектри краю поглинання легованих кристалів GaP і GaAs, стекол системи As-Se та ТЧЕ на їх основі в широкому діапазоні температур від 240 К до 450 К. На основі експериментальних даних визначені параметри співвідношення Урбаха для опису коефіцієнта оптичного поглинання стекол As-Se у вигляді функції температури та енергії фотонів для області краю поглинання. Встановлено діапазон хімічних складів стекол системи As-Se із вмістом атомів миш'яку від 25 ат.% до 60 ат.%, які підходять для виготовлення ТЧЕ
2. Досліджено технологічні особливості отримання ЧЕ високої оптичної якості для ВОДТ різними методами з: легованих Zn кристалів GaP, GaAs та стекол системи As-Se і плівок на їх основі. Показано, що найкращим поєднанням фізичних, технологічних та експлуатаційних параметрів для ТЧЕ володіють халькогенідні стекла. Для даних матеріалів розробленого нову технологію виготовлення ТЧЕ методу розчавлювання при близьких до склування умовах.
3. Показано, що вибираючи різні кристали та варіюючи хімічний склад стекол системи As-Se можна оптимізувати оптичні характеристики ТЧЕ під різні робочі довжини хвиль джерел випромінювання та під різні температурні діапазони роботи ВОТ.
4. Створено фізичну модель оптичного тракту ВОДТ для оптимізації їх конструкції. Теоретично досліджено фізичні процеси проходження оптичного випромінювання через робочий та опорний канали створеної моделі. Теоретично розраховані потужності випромінювання на виході каналів моделі оптичного тракту ВОДТ, які змінюються в діапазоні від 1 мВт до 5 мВт. Експериментально показано, що такі потужності можуть бути надійно виміряні сучасними фотодіодами з незначною похибкою.
5. Для створеної моделі теоретично досліджено вплив температурних
змін, спектральної та термічної нестабільності параметрів джерела
150
випромінювання та оптичного тракту а також флуктуацій густини та товщини ЧЕ на точність вимірювань температури ВОТ. Встановлено оптимальні параметри та умови використання ЧЕ із напівпровідникових матеріалів у складі ВОДТ.
6. Вперше отримано математичне співвідношення для температурної чутливості ВОДТ на основі напівпровідникових матеріалів. Встановлено, що цей параметр визначається переважно оптичним поглинанням матеріалу ЧЕ та його товщиною. Показано, що діапазон вимірюваних температур ВОДТ на основі скла As45Se55 доцільно обмежити інтервалом від 270 К до 430 К, у межах якого чутливість ВОДТ є максимальною.
Створено макет ВОТ, на якому експериментально досліджено передавальні характеристики ВОДТ із ЧЕ на основі скла As45Se55. Виявлено хорошу кореляцію експериментальних параметрів макету ВОТ із результатами теоретичних розрахунків параметрів моделі ВОДТ. Встановлено, що передавальні характеристики ВОДТ близькі до лінійних, а абсолютна похибка вимірювання температури не перевищує 1,5 К.