CC BY
32
Шикульская О.М., Плешакова Л.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУРТИЦЕПНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
В современных системах управления все большее применение находит новый класс измерительных приборов, которые используют световодные структуры.
В качестве универсального элемента, способного реагировать на различные виды воздействий (механическое, электрическое, световое и т.д.) и являющегося основой при построении чувствительных элементов преобразователей, целесообразно использовать световодные структуры, поверхность которых может контактировать с внешней средой [1].
Волоконно-оптические датчики характеризуются высокой концентрацией самых передовых научных и технических достижений. В связи с высокими темпами развития техники и кратким жизненным циклом преобразователей наибольшее влияние на значение их эксплуатационных характеристик оказывают используемые физико-технические эффекты ФТЭ.
Как правило, при разработке датчиков выбор физико-технических эффектов для специалиста-разработчика невелик. Он ограничен преемственностью систем, опытом разработок в этой области и доступностью информации в приемлемые сроки. В настоящее время в мировой науке отсутствует официальная регистрация открытых ФТЭ, а информация о них публикуется в очень широком круге источников, при этом теоретические основы ФТЭ публикуются в одних источниках, а описание их технической реализации - в других. Существуют также барьеры между ведомствами, организациями и предприятиями, которые занимаются как теоретическими, так и экспериментальными разработками по конкретным ФТЭ. В связи с этим возникает потребность в автоматизированном банке данных по ФТЭ.
Решение этой проблемы привлекало внимание ученых и специалистов постоянно. Однако широкое распространение многие работы не получили по следующим причинам: они ориентировались на использование неформализованных методов, не были вскрыты закономерности проявления и технической реализации ФТЭ, отсутствовали приемлемые для практического использования базы данных по ФТЭ.
Наиболее удачно эту проблему решает теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарат параметрических структурных схем (ПСС).
Энерго-информационный метод основан на теории аналогии и подобия. Он предоставляет математический аппарат для универсального описания явлений любой физической природы. ЭИМЦ оперирует следующими величинами: Р - величина импульса, и - величина воздействия, I - величина реакции, 0 - величина заряда; параметрами: R - сопротивление, G=1/R - проводимость, С - емкость, И=1/С - жесткость, Ь -индуктивность, D=1/L - дедуктивность[2]. Для описания межцепных преобразований используются ФТЭ.
Для выявления величин и параметров в цепи какой либо физической природы используются основные и производные критерии, которые представляют собой определенные элементарные взаимосвязи между величинами и параметрами внутри цепи одной физической природы [2], а также физические законы, по которым происходят процессы преобразования.
Критерии приведены в табл. 1
Таблица 1
№ п/п Вид критерия Формула
Прямой | Производный
Энергетический N = и • I
Статический Р = I • Ь I = Р • в
Статический Q = и • С и = Q • W
Статический и = I • к I = и • О
Динамический и = йР йі Л II йч
Динамический 1 II і |Й 2 = | Мі
На основании теории ЭИМЦ уже описаны внутрицепные преобразования электрической, магнитной, механической линейной, механической угловой, тепловой и гидравлической цепей. Однако, наиболее сложная - оптическая цепь, которая сочетает в себе электрическую и магнитную природы пока не описана.
В данной работе представлено описание оптической цепи в терминах ЭИМЦ. Полученные результаты сведены в табл.2.
Полученные выражения позволят расширить сферу автоматизированного поискового проектирования.
Результаты получены на основании уравнений Максвелла, записанной в отсутствие зарядов и токов в диэлектрической среде, которой является волоконный световод и уравнениями, характеризующими связь между векторами поля в материальной среде[3].
Таблица 2____________________________________________________________________________________
Приро- да цепи Обобщенные величины-аналоги Обобщенные параметры-аналоги
Воздей- ствие Реакция Заряд Импульс Сопро- тивле- ние Емкость Индук- тив- ность
Опти- ческая и 0 = Е (М) Iо = Н (М) 2о = в (5) Ро=в= = -\и0й (?) Ко = (Ом) со = ее (-) ^ Вм ) Ьо = МоМ (м)
Список обозначений к таблице: Цо - величина воздействия в оптической цепи; 10 - величина реакции
в оптической цепи; 00 - величина заряда в оптической цепи; Ро- величина импульса в оптической цепи; Ко- величина сопротивления в оптической цепи; Со - величина емкости в оптической цепи; Ьо- величина индуктивности в оптической цепи; Е- напряженность электрического поля; Н - напряженность магнитного поля; Б - электрическая индукция; В- магнитная индукция; Мо - магнитная проницаемость среды; м- относительная магнитная постоянная; Єо~ диэлектрическая проницаемость среды; е- относительная диэлектрическая постоянная; 2ВВ- волновое сопротивление.
В результате математического моделирования с использованием энергоинформационной теории цепей получены внутрицепные зависимости между величинами и параметрами оптической цепи, проведена провер-
ка критериев ЭИМЦ, получены величины-аналоги оптического воздействия, реакции, заряда, а также параметры-аналоги индуктивности, дедуктивности, оптического импульса
ЛИТЕРАТУРА
1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы и применения. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
2. Зарипов М.Ф., Зайнулин Н.Р., Петрова И.Ю. Энергоинформационный метод научно-технического творчества. М: ВНИИПИ, 1988.
125 с.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.: Гардари-
ки,2003. 316 с.
4. Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконн-оптические измерительные системы. — М.: Физматлит, 2001.
272 с.
5. Окоси Т., Окамото К. и др. Волоконно-оптические датчики. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
