Дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптических преобразователях

Пивкин А. Г.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Предлагается вариант дифференциальной схемы преобразования сигналов, отличный от «классической» схемы, применительно к преобразованию оптического сигнала в волоконно-оптических преобразователях (ВОП) аттенюаторного типа.

Дифференциальные схемы находят широкое применение в различных измерительных преобразователях, поскольку они уменьшают влияние внешних факторов на результат измерения, компенсируют постоянную составляющую выходного сигнала, увеличивают чувствительность и линейность выходной характеристики [1]. Уменьшение влияния внешних факторов объясняется тем, что изменение температуры, вибраций, влажности и т. п., а также параметров источников питания вызывает в идентичных звеньях одинаковые погрешности, которые исключаются при вычитании выходных сигналов преобразователей. Подобным же образом исключается (или снижается) влияние постоянной составляющей входной величины.

Дифференциальной схемой называется схема, содержащая два канала с последовательным соединением звеньев, выходные сигналы которых Yl и Y2 подаются на два входа вычитающего преобразователя, выходная величина которого Y представляет собой нечетную функцию двух входных у = Е(у1 - у2). В частности, выходная величина может быть равной у = у1 - у2 (рисунок 1) [1].

V = —Э2Х2

Рисунок 1 - Структурная схема дифференциального соединения

Оба канала дифференциальной схемы делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях

Известны дифференциальные схемы двух типов.

В схеме первого типа измеряемая величина воздействует на вход одного канала, на вход другого воздействует физическая величина той же природы, но имеющая постоянное значение, в частности, равное нулю. Второй канал служит для компенсации погрешностей, вызванных изменением условий работы прибора (поэтому такие схемы называют «компенсационными»).

Если первый и второй преобразователи имеют линейную функцию преобразования вида у1 = Бх1 + уо; у2 = Бх2 + уо, где уо - постоянная величина, то выходная величина дифференциального преобразователя при этом у = У1 - У2 = Б(Х1 - Х2).

В схеме второго типа измеряемая величина после некоторого преобразования воздействует на оба канала, причем таким образом, что когда на входе одного канала входная величина возрастает, на входе другого - уменьшается. Для дифференциальной схемы второго типа обычно Х1=Хо+х; Х2 = Хо - х. Отсюда У1 = Б(Хо + х); У2 = 3 (Хо - х). При этом выходная величина имеет вид у = 2Sx и не зависит от хо, а чувствительность средства измерения вдвое выше чувствительности одного канала.

Если звенья имеют нелинейные функции преобразования вида у1=(хо+х)2; у2=(хо-х)2, то функция преобразования измерительного преобразователя получается линейной: у = у1 - у2 = (хо + х2) - у2(хо - х)2 =

4хох.

Если преобразователи имеют гиперболические функции преобразования вида:

А ; А ,

VI =----- У 2 =------'

х0 - х х0 + х

где А - некоторая постоянная, то при Хо >> х

.( 1 1 ^ . 2х 2Ах .

У - у1 - У 2 - А1---------------------I - А 2-2 ™ Г

V хо х хо +х/ х0 — х х0

Если преобразователи имеют функции преобразования вида:

у-^ , у-х,

то после преобразований получим

(., .. у., ... \ _ 2х или 2х 2х .

(У1 — У2 )(у1 + У 2 ) — ~7Г у - у1 — у 2 - 7-ЧТ-- -“

А (у1 + у 2 )А уоА

Таким образом, использование дифференциальных схем позволяет получить на выходе сигнал у, линейно зависящий от входного сигнала х.

В настоящей работе предлагается третий вариант дифференциальной схемы преобразования сигналов, отличный от «классической» схемы, применительно к преобразованию оптического сигнала в волоконнооптических преобразователях аттенюаторного типа [2].

На рисунке 2 приведена упрощенная конструктивная схема одного из вариантов волоконно-оптического датчика давления, в котором базовым элементом является дифференциальный ВОП с предельным аттенюатором [2].

Мембрана 1 жестко соединена со штуцером 2 или является его частью. В центре мембраны жестко с зазором относительно излучающего торца подводящего оптического волокна ПОВ 4 и приемных торцов отводящих оптических волокон ООВ 5 первого и второго измерительных каналов соответственно закреплена шторка 3 с отверстием (например, круглым) . ПОВ 4 и ООВ 5 жестко закреплены в корпусе 6. Юстировка волокон относительно отверстия в шторке 3 осуществляется с помощью металлической прокладки 7, толщина которой подбирается в процессе настройки датчика.

Датчик работает следующим образом.

Часть светового потока Фо источника излучения ИИ по подводящим оптическим волокнам ПОВ 4 подается в зону измерения, проходит сквозь отверстие в шторке 3 на отводящие оптические волокна ООВ 5. Под действием измеряемого давления Р мембрана 1 прогибается, соответственно смещается в направлении Ъ шторка 3. Часть оптического излучения Ф1(Р) проходит через отверстие в шторке, поступает в ООВ первого измерительного канала, другая часть светового потока Ф2Р) - в ООВ второго измерительного

канала.

ариантов дифференциального ВОДД с предельным аттенюатором

По ООВ 5 первого и второго измерительных каналов световые потоки направляются на приемники излучения ПИ 1 и ПИ 2 первого и второго измерительных каналов соответственно. Приемники излучения ПИ 1 и ПИ 2 преобразуют оптические сигналы Ф1 (Р) и Ф2(Р) в электрические сигналы Х1 (Р) и Х2 (Р) соответственно, которые далее преобразуются в блоке преобразования информации.

В нейтральном положении при Zi = 0, когда центр изображения совпадает с осью У приемных торцов ООВ, открыты верхняя половина первого ООВ и нижняя половина второго ООВ. При этом потоки излучения, поступающие на каждое волокно, Ф1 и Ф2, равны между собой. Если шторка смещается, то происходит перераспределение световых потоков между отдельными приемными волокнами: в первое ООВ поступает оптический сигнал Ф1-ДФ, во второе ООВ поступает оптический сигнал Ф2+ЛФ.

Если сигналы с выхода ООВ поступают на приемники излучения, а затем на вычитающее устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный разности потоков излучения:

I - (Ф1-ДФ) - (Ф2+ЛФ) = 2ДФ,

В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования.

В данном случае происходят следующие преобразования.

Ф](2) — ад

I =11- 12

I - 2ДФ

Ф2

12

На рисунке 3 приведена структурная схема дифференциального соединения ВОП аттенюаторного типа.

Как и в схеме «классического» дифференциального соединения второго типа измеряемая величина Х (в приведенном примере - давление Р) после преобразования в физическую величину Z воздействует на оба канала, причем таким образом, что когда на входе одного канала входная величина возрастает, на входе другого - уменьшается. Особенностью предложенной схемы является то, что в процессе преобразования измерительной информации принимает участие промежуточная физическая величина: например (как в

нашем случае), световой поток Фо, введенный в зону преобразования измеряемой физической величины, причем после некоторого преобразования промежуточная физическая величина воздействует на оба канала одинаково.

Рисунок 3 - Структурная схема дифференциального соединения ВОП аттенюаторного типа

Если сигналы с выхода ООВ (см. рисунок 2) поступают на делительное устройство, то на его выходе наблюдается сигнал, пропорциональный отношению потоков излучения: I ^) - (Ф1-ДФ)/(Ф2+ДФ) . В этом

случае снижается влияние на точность измерения таких факторов, как неинформативные изгибы волоконно-оптического кабеля, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ.

При обработке сигналов ВОП для повышения чувствительности преобразования, а также исключения влияния на точность измерения таких факторов, как неинформативные изгибы ВОК, изменение мощности излучения ИИ, чувствительности ПИ, целесообразно сформировать отношение разности сигналов к их сумме, то есть

[11(Р) - 12(Р)]/[ 11(Р) + 12(Р)] - (Ф1-Ф2)/(Ф1 + Ф2).

ЛИТЕРАТУРА

1 Молчанов А.Г., Мещеряков В.А, Мурашкина Т.И. Теория, расчет и проектирование измерительных приборов и систем. Учебное пособие: Изд-во Пенз. гос. ун-та.-1998.

2 Пивкин А.Г. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для летательных аппаратов/ Бадеева Е.А., Мещеряков В. А., Мурашкина Т. И., А.Г. Пивкин // Датчики и системы.-2 00 3. - №.4. - с.11 - 14

X

7

Ф