Волоконно-оптический датчик частоты вращения

Юрова О.В., Мышев В.В. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Информационно-измерительные системы (ИИС) с измерительными преобразователями на основе волоконной оптики отвечают всем требованиям искро- и взрывобезопасности и работоспособны в условиях воздействия сильных электромагнитных помех. При этом измерительный преобразователь может быть удален от блока обработки информации на сотни метров. По этим причинам интерес к подобным ИИС постоянно возрастает.

Частота вращения является одной из наиболее часто измеряемых величин в ИИС. Волоконнооптический датчик частоты вращения (ОВДЧВ) конструктивно состоит из блока формирования сигнала, волоконно-оптического кабеля и светомодулирующего ротор-датчика. Функциональная схема ВОДЧВ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Функциональная схема ВОДЧВ

Блок питания (БП), входящий в состав электронного блока вырабатывает из питающего напряжения +27 В напряжения, необходимые для работы всех элементов датчика. Светодиод БЬ1 генерирует инфракрасное излучение, вводимое в первое (подводящее) оптоволокно волоконно-оптического кабеля. По оптическому кабелю излучение подводится к объекту измерения, на вращающемся валу которого закреплен светомодулирующий диск (ротор-датчик), на периферийной части которого нанесены чередующиеся отражающие (зеркальные) и поглощающие (зачерненные) полоски. Полоски могут быть расположены либо на цилиндрической поверхности диска параллельно оси вращения, либо радиально на плоскости диска. Инфракрасное излучение, подводимое по первому оптоволокну, в зависимости от углового положения ротор-датчика либо поглощается зачерненными участками последнего, либо отражается от зеркальных. Отраженное излучение по второму (отводящему) оптоволокну кабеля возвращается к электронному блоку, воздействуя на фотодиод БЬ2. При вращении светомодулирующего диска на фотодиод будет поступать последовательность импульсов инфракрасного излучения. Импульсы излучения преобразуются в электрические импульсы, которые усиливаются усилителем и нормируются пороговым устройством, входящими в состав блока формирования сигналов (БФС). Выходные импульсы имеют форму, близкую к прямоугольной (крутые фронты и спады), и заданную амплитуду.

Частота I поступающих на фотодиод БЬ2 импульсов инфракрасного излучения определяется выражением:

I =пД/60,

где п - число оборотов в минуту контролируемого вала; N - число зеркальных полосок светомодулирующего диска.

При N=256 в диапазоне измерений п=(100...1800 0) об/мин получаем, что частота импульсов фототока, подлежащих усилению, будет находиться в пределах Г=(427...7 6800) Гц.

Импульсы фототока, получаемые от БЬ2, имеют амплитуду порядка (3.10) -10-9Д, зависящую от качества полировки торцов оптоволокна и зеркальных полос светомодулирующего диска, расстояния между торцом кабеля и светомодулирующим диском, а также разброса коэффициентов преобразования свето- и фотодиодов. А для надежной работы порогового устройства, поступающие на него импульсы должны иметь амплитуду порядка (0,5.1) В, то есть усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления порядка нескольких тысяч (до 2 0 0 0 0). Допуская некоторые округления, можно сказать, что усилитель в полосе частот до 80 кГц должен обеспечивать коэффициент усиления не менее 104 (80 дБ).

В разработанном авторами ВОДЧВ усилитель импульсов фототока реализован на микросхеме К1401УД1, содержащей четыре токоразностных усилителя. В этих усилителях выходной сигнал определяется разностью входных токов, а не напряжений, как в обычных операционных усилителях. Для входных сигналов такой усилитель представляет собой практически короткозамкнутую цепь [1]. Работа с токовыми сигналами, а не с напряжениями, позволяет, в частности, расширить полосу рабочих частот усилителя и получить в режиме малого сигнала на частоте 1 МГц усиление в 100 раз [2]. В неинвертирующем включении при заданной амплитуде выходного сигнала верхняя граничная частота определяется только скоростью нарастания выходного сигнала, обеспечиваемой усилителем. Экспериментально исследованные образцы микросхем в неинвертирующем включении при коэффициенте усиления 500 обеспечивали полосу пропускания не ниже 250 кГц при амплитуде выходного сигнала 1 В. И это несмотря на относительно невысокие паспортные динамические характеристики: частота единичного усиления 2,5 МГц и скорость нарастания выходного сигнала 0,5 В/мкс. Кроме того, этот усилитель имеет внутреннюю частотную коррекцию и работает от одного источника питания, что упрощает схемную реализацию устройства, уменьшает количество вспомогательных радиоэлементов, тем самым способствуя снижению массы и габаритов устройства.

Первый усилитель микросхемы использован в качестве преобразователя фототок-напряжение, второй

- в качестве линейного усилителя напряжения, третий - как усилитель-ограничитель напряжения. На четвертом реализован буферный повторитель напряжения, осуществляющий развязку усилительной части от порогового устройства.

В пороговом устройстве применена микросхема компаратора 521СА3. Выходной транзистор этой микросхемы допускает протекание тока до 50 мА, что обеспечивает быстрый перезаряд емкостей выходного кабеля и нагрузки. В экспериментах на нагрузке сопротивлением 1 кОм и входной емкостью 5100 пФ длительности фронта и спада импульсов не превышали 0,5 мкс.

Блок питания, конструктивно входящий в состав электронного блока, обеспечивает защиту от пере-полюсовки входного питающего напряжения, высокочастотную фильтрацию, а также вырабатывает из питающего напряжения 27 В стабилизированные напряжения, необходимые для работы всех элементов ВОДЧВ, реализован на микросхеме серии 142.

В качестве элементов BL1 и BL2 использованы светодиод АЛ107Б и фотодиод ФД256 соответственно. Светодиод запитывается постоянным током. Для светодиода АЛ107Б максимальное допустимое значение тока составляет 100 мА, при температуре окружающей среды (минус 60.+ 35) °С. При температуре

окружающей среды 85°С максимальное значение тока составляет 80 мА. Для повышения надежности выбрано рабочее значение тока 80 мА. Падение напряжения на светодиоде не превышает 2 В. В принципе, можно было бы запитать светодиод от входного напряжения 27 В, погасив излишки напряжения с помощью резистора. Но в этом случае бесполезно рассеивалась бы мощность 2 Вт, вызывая нагрев устройства. Кроме того, поскольку потребляемый датчиком ток не должен превышать 100 мА, на долю всей остальной электроники осталось бы всего 20 мА. Поэтому для питания светодиода целесообразно использовать импульсный преобразователь питающего напряжения. Такие преобразователи имеют достаточно высокие к.п.д. (для маломощных источников порядка 70.90 %) и могут строиться на основе либо импульсных стабилизаторов, либо статических преобразователей, которые по современной классификации относятся к ДС/ДС конвертерам [3].

Экспериментальный образец ВОДЧВ имеет следующие основные характеристики:

- диапазон измерений - от 100 до 18000 об/мин;

- питающее напряжение - 27_4 В;

- общий ток потребления - не более 100 мА;

- сопротивление нагрузки - не менее 1 кОм;

- емкость нагрузки - не более 5000 пФ;

- выходной сигнал - прямоугольный импульсы;

- амплитуда ^ых = 9±1 В с нулевым смещением до 1,5 В;

- длительности фронта и среза импульсов - не более 1 мкс;

- диапазон рабочих температур электронного блока (-40...+50)° С.

Литература

1. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике - М.: Энергоатомиздат,

1987 ;

2. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение: Перевод с английского/Под

общей редакцией М. В. Гальперина - М.: Энергия, 1980;

3. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. И доп. - М.: Издательский дом "Додека", 2001