Волоконно-оптическая информационно-измерительная система на основе бинарных оптомеханических датчиков дифференциального типа

Зеленский В.А.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ ОПТОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТИПА

Рассмотрены вопросы построения волоконно-оптических информационно-измерительных систем на основе бинарных оптомеханических датчиков дифференциального типа. Проанализированы преимущества и недостатки данного решения, определены условия допустимости использования датчиков, выполнен расчет информационных возможностей системы. Показана инвариантность измерительной информации к воздействию эксплуатационных факторов.

Волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС) характеризуются использованием волоконно-оптических датчиков в качестве первичных преобразователей информации и оптических волокон в качестве физической среды передачи сигналов [1, 2]. Надежность и помехоустойчивость

ВОИИС обеспечивается концепцией их построения, согласно которой чувствительный к воздействию дестабилизирующих факторов блок электронной обработки выносится за пределы рабочей зоны [3]. В то же время, сложные технические объекты требуют принятия дополнительных мер по обеспечению качества и надежности информационно-измерительных систем.

Одним из таких способов повышения надежности ВОИИС является получение, сопоставление и анализ данных, полученных от альтернативных источников [4]. Понятно, что данный подход требует большего числа не только источников информации - датчиков, но и соединительных линий между датчиками и блоком электронной обработки, что автоматически приводит к резкому удорожанию системы. В результате, высокая стоимость волоконно-оптических компонентов сводит на нет их несомненные технические преимущества.

Выходом из данной ситуации представляется организация множественного доступа первичных источников информации к единому волоконно-оптическому каналу передачи данных. Организация такого множественного доступа в данной работе рассматривается для случая бинарных оптомеханических датчиков перемещений [5].

Бинарный оптомеханический датчик (БОМД) - аналог электронного компаратора, поскольку он предназначен для определения порогового значения физического параметра (в данном случае перемещения). Его также можно рассматривать, как измерительный аналого-цифровой преобразователь с вырожденной шкалой [6].

Бинарные оптомеханические датчики перемещений бывают двух типов:

- потенциального (абсолютного) типа - значение кода может быть считано в любой момент времени;

- дифференциального типа - значение кода может быть считано только в момент изменения состояния датчика.

Одним из способов мультиплексирования сигналов для датчиков первого типа является многоуровневое кодирование, преимущества и недостатки которого рассматривались в работе [3]. Использование датчиков дифференциального типа открывает принципиально новые возможности организации множественного доступа к единому каналу передачи данных, анализ которых и составляет предмет настоящего доклада.

Базовая конструкция БОМД перемещений представлена на рис. 1.

Рис. 1. Базовая конструкция бинарного оптомеханического датчика перемещений

В стакане корпуса 1 находится подвижный цилиндр 2, на внешнем (по отношению к корпусу) конце которого укреплен металлический подшипник 3, обеспечивающий точечный контакт с объектом контроля. При нажатии через подшипник 3 на цилиндр 2 приводится в движение кольцо 4 и сжимается пружина 5. В результате, закрепленный на противоположном конце цилиндра 2 кодирующий элемент 6 перемещается вдоль неподвижного стакана корпуса и попадает в зазор между соосно расположенными отрезками оптических волокон 7. Для обеспечения механической прочности и минимизации потерь передачи излучения, торцы оптических волокон 7 заключаются в юстированные втулки 8. Кодирующий элемент 6 представляет собой амплитудный растр с чередующимися прозрачными и непрозрачными участками [7]. В результате перемещения кодирующего элемента происходит модуляция оптической мощности и на выходе датчика формируется сигнал, несущий информацию о его порядковом номере в системе и характере смены его логического состояния. Рассмотренный пример демонстрировал случай включения датчика, при котором он переходит из состояния логического нуля в состояние логической единицы. Выключению датчика (переходу из состояния логической единицы в состояние логического нуля) будет соответствовать обратный ход кодирующего элемента.

БОМД могут отличаться способом кодирования, который зависит от структуры растра. Остальные элементы конструкции датчика при этом достаточно универсальны. Таким образом, смысл базовой конструкции БОМД в том, что ее можно использовать для построения системы из множества датчиков, которые будут отличаться только видом кодирующего элемента.

Принципиальным моментом использования БОМД дифференциального типа является тот факт, что оптический сигнал на выходе датчика существует только в момент срабатывания. В остальное время кодирующий элемент не препятствует прохождению сигналов от других датчиков, поэтому объединение пер-

вичных преобразователей в информационно-измерительную систему на основе единого волоконнооптического канала может быть выполнено последовательно (рис. 2).

Рис. 2. Волоконно-оптическая информационно-измерительная система с последовательным включением

бинарных датчиков дифференциального типа

ВОИИС состоит из электронного блока 1, излучателя 2, п бинарных оптомеханических датчиков дифференциального типа, соединенных последовательно с помощью оптоволоконного канала связи, фотоприемника 4, и вычислительной системы 5. В электронном блоке 1 происходит предварительная обработка измерительной информации, преобразование ее к виду, удобному для ввода в вычислительную систему через стандартный интерфейс, а также стабилизация режимов работы оптоэлектронных устройств. В вычислительной системе 5 происходит хранение, статистическая обработка и анализ информации, подготовка необходимых отчетов и формирование данных для системы управления.

Динамический диапазон изменения оптических сигналов на входе фотоприемника одинаков для всех датчиков и зависит только от потерь в волоконно-оптической линии связи. В такой системе достаточно просто выполнить масштабирование, т.е. установить при необходимости дополнительные датчики. Затраты на волоконно-оптический кабель при этом минимальны, а использование дополнительных дорогостоящих волоконно-оптических компонентов не предусмотрено.

Главным недостатком построения волоконно-оптической информационно-измерительной системы на основе БОМД дифференциального типа является возможность наложения сигналов, поступающих с разных датчиков в асинхронном режиме. Для устранения (уменьшения вероятности) данных явлений используются приемы, рассмотренные в [8].

Рассмотрим способы кодирования информации о порядковом номере датчика и характере смены его логического состояния. Как уже было упомянуто, форма оптического сигнала на выходе датчика будет определяться структурой кодирующего элемента.

Один из вариантов набора кодирующих элементов изображен на рис. 3.

Рис. 3. Набор кодирующих элементов для бинарных оптомеханических датчиков

Кодовый рисунок растра состоит из прозрачных и непрозрачных элементов. Прозрачные элементы часто называют глазками (eyehole), а непрозрачные - штрихами (stroke). Заметим, что за пределами кодирующей шкалы l растр прозрачен и волоконно-оптический канал открыт для любого датчика системы.

На рис. 3 показан пример двухштрихового кодирования. На прозрачный растр наносятся два штриха дискретной длины, расположенные в различных позициях в пределах линейной кодирующей шкалы. Длина

кодирующей шкалы l = 8s, где s - длина дискретного шага штриха, причем s = d, где d - диаметр

сердцевины оптического волокна (область считывания кода).

Логично полагать, что образуемые штрихами кодовые комбинации должны быть уникальны для каждого датчика информационно-измерительной системы. Однако, это еще не все. Необходимо исключить симметричные (1, 1; 2, 2; 3, 3 и т.д.) кодовые комбинации, поскольку в противном случае невозможно

определить направление движения кодирующего элемента, которое, как было сказано выше, определяет характер смены логического состояния. Кроме того, кодовые комбинации прямого хода растра (вдоль оси L) одного датчика не должны повторять кодовые комбинации реверсивного хода растра другого датчика (1, 2 - 2, 1; 2, 3 - 3, 2 и т.д.). Между штрихами растра должен оставаться зазор величиной не менее s, необходимый для их идентификации.

Поиск допустимых кодовых комбинаций S1,i, S2, j (первый индекс - номер штриха, второй - его дискретная длина) удобно выполнять с помощью матричной таблицы. Порядковые номера строк и столбцов в таблице равны дискретной длине соответствующих им штрихов растра. Значение элементов внутри таблицы означает допустимую (1) или запрещенную (0) кодовую комбинацию. Запрещенными элементами матричной таблицы будут элементы главной диагонали, половина элементов в позициях, симметричных относительно главной диагонали, а также элементы, сумма порядковых номеров строк и столбцов которых превышает значение l - s = 7s.

Таблица

S2,1 S2,2 S2,3 S2,4 S2,5 S2,6 S2,7

1 1 S 0 1 1 1 1 1 0

2 1 S 0 0 1 1 1 0 0

3 1 S 0 0 0 1 0 0 0

1 S 0 0 0 0 0 0 0

51,5 0 0 0 0 0 0 0

6 1 5 0 0 0 0 0 0 0

51,7 0 0 0 0 0 0 0

Из таблицы следует, что значения 51,1, 52, ^, для рассматриваемого случая будут следующими (записать в виде 51,1, 51,2): 1, 2; 1, 3; 1, 4; 1, 5; 1, 6; 2, 3; 2, 4; 2, 5; 3, 4. В систему можно

включить не более девяти датчиков, т.е. для данного случая п = 9.

Обобщим данный пример. Для последующих выкладок удобно ввести безразмерный параметр р, равный

отношению длины кодирующей шкалы к длине дискретного шага штриха р=1/з. Будем исходит из того,

что р - целое число и р^ 4.

В общем случае максимальное число датчиков системы определяется для четных р формуле:

N = (р/2-1)2 .

Для нечетных значений р максимальное количество датчиков равно:

Кн = ((р -1) / 2 -1)2 + (р - 3)/2

Двухштриховое кодирование позволяет абстрагироваться от воздействия ряда эксплуатационных факторов, в частности, девиации скорости перемещений, методом относительных измерений. Скорость перемещения кодирующего элемента определяется конструктивными особенностями датчика (механические свойства пружины, эффекты трения) и поведением контролируемого объекта. Для каждого датчика системы скорость срабатывания может существенно отличаться. Варьирование скорости может происходить также при каждом срабатывании одного и того же датчика. Инвариантность к изменению скорости срабатывания достигается измерением разности длительностей временных интервалов, которые соответствуют позиционным перемещениям кодирующего элемента относительно области считывания. Для кодовой комбинации 51,2 , 52,2 получаем позиционные и временные эпюры, представленные на рис.4.

. А

1 1 1

Г* -1 1

Т\+с1Т Т2+(1Т

Рис. 4. Позиционные и временные эпюры работы бинарного датчика

В первом случае при перемещении кодового элемента относительно области считывания (метка А) в моменты принятия решений С в электронном блоке формируется пара прямоугольных импульсов с длительностями Т1 и Т2. В случае изменения скорости перемещения (пунктирная линия) длительности обоих импульсов меняются на величину СТ. При любых изменениях выполняется равенство Т2 - Т1 = Т2 + СТ - (Т1 + СТ).

Предлагаемое решение рассматривается в качестве альтернативы существующим волоконно-оптическим информационно-измерительным системам, системам автоматического контроля дискретных параметров и состояний объекта. Организация множественно доступа к каналу передачи данных позволяет решить одну из серьезных проблем на пути широкого внедрения волоконно-оптических систем - снижение стоимости при сохранении надежности и функциональных возможностей системы. Применение ВОИИС на основе бинарных оптомеханических датчиков позволяет достаточно просто масштабировать систему при необходимости добавления в нее новых устройств. Способ идентификации сигналов датчиков системы обладает свойством инвариантности к воздействию ряда эксплуатационных факторов.

Литература

1. Патент № 2029324 Российская Федерация. Волоконно-оптическая информационно-измерительная система / Гречишников В.М., Зеленский В.А.

2. Гармаш В.Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении. / Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н. и др. - Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука, № 6, 2005. - с. 128 - 140.

3. Зеленский В.А., Гречишников В.М. Бинарные волоконно-оптические преобразователи в системах

управления и контроля. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2006. - 120 с.

4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. Пер. а

сангл. Под ред. С.Л.Баженова. - М.: Техносфера, 2006. - 224 с.

5. Патент № 74486 Российская Федерация. Система контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом./Зеленский В.А.

6. Кнорринг В.Г. Цифровые измерительные устройства. - С.Петербург: Изд-во С.-Петербургского

государственного политехнического университета. - 144 с.

7. Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации// Самара: ИПО СГАУ,1998. - 264 с.

8. Зеленский В.А., Пиганов М.Н. Интеллектуальная система управления объектами жилищнокоммунального хозяйства. Труды Восьмого международного симпозиума «Интеллектуальные системы» -Нижний Новгород, 2008. с. 591 - 595.