СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БИНАРНЫХ ДАТЧИКОВ С МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛОМ

Полезная модель относится к информационно-измерительным и управляющим системам, устройствам автоматики и вычислительной технике. Может быть использована для определения бинарных значений механического перемещения, а также других физических параметров, преобразованных в механическое перемещение.
Известна система обнаружения пожара (Свинцов А.Г., Авдеев С.В. Распределенная многоточечная волоконно-оптическая система обнаружения пожара в туннелях. Спецвыпуск «Фотон-Экспресс» - Наука, 2005, №6, стр.177-180), содержащая последовательно соединенные светосборники, контролирующие пожароопасные участки и два фотоприемника на концах волоконно-оптического тракта. Принцип работы системы заключается в сравнении относительных задержек оптического излучения на входах фотоприемников.
Недостатком устройства является неопределенность моментов прихода оптических импульсов вследствие неравномерной оптической диаграммы направленности открытого пламени, широкого и неконтролируемого спектра излучения, непредсказуемой формы сигнала на входе фотоприемника. Поэтому высока вероятность неправильного определения номера сработавшего датчика и, соответственно, зоны возгорания.
Наиболее близким техническим решением к полезной модели является волоконно-оптическая информационно-измерительная система
(Зеленский В.А., Гречишников В.М. Волоконно-оптическая информационно-измерительная система. Патент РФ №2029324, кл. G02В 6/00, Н04В 10/00, 1995), содержащая последовательно соединенные с помощью отрезков оптических волокон излучатель, n бинарных волоконно-оптических датчиков и фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки. Используются датчики шторочного типа, в которых полупрозрачная шторка играет роль оптического аттенюатора. Если шторка не перекрывает поток оптического излучения, датчик находится в одном из двух возможных состояний - состоянии логического нуля. Уровень оптической мощности на входе и выходе датчика при этом практически одинаков. При перекрытии шторкой потока оптического излучения она уменьшает уровень оптической мощности на выходе датчика, что характеризует переход во второе возможное состояние - состояние логической единицы. Коэффициенты аттенюации датчиков различны и подобраны таким образом, что по уровню оптической мощности на входе фотоприемника в блоке обработки принимается решение о состоянии каждого датчика.
Недостатком устройства является небольшое количество обслуживаемых датчиков. Низкая информационная емкость системы обусловлена нелинейным кодирования сигнала по уровню оптической мощности, вследствие чего оптический бюджет расходуется нерационально. Высока вероятность ошибки определения номера датчика, вызванная внезапным и постепенным изменением мощности излучателя.
В основу полезной модели поставлена задача - увеличить информационную емкость системы контроля, а также повысить надежность и достоверность определения номера датчика в системе.
Задача решается за счет того, что в системе контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом, содержащей соединенные с помощью оптических волокон излучатель, n бинарных датчиков и фотоприемник, выход которого соединен со входом блока обработки, согласно полезной модели каждый бинарный датчик выполнен в виде оптомеханического устройства, в котором между торцами соосно расположенных оптических волокон находится растр, состоящий из чередующихся прозрачных и непрозрачных элементов, имеющий возможность перемещения перпендикулярно оптической оси волокон под воздействием жестко связанного с ним концевика. Это позволяет модулировать по мощности оптическое излучение между торцами передающего и приемного оптических волокон, причем размеры элементов растра и их соотношение между собой для каждого датчика уникальны, поэтому в блоке обработки по форме модулированного сигнала однозначно определяется номер датчика и его бинарное состояние.
На фигуре 1 показана функциональная схема устройства, на фигуре 2 изображена схема бинарного датчика, на фигуре 3 приведены позиционные и временные эпюры сигналов на входе фотоприемника.
В состав системы контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом входят последовательно соединенные с помощью оптических волокон излучатель 1, бинарные датчики 2-5 и фотоприемник 6, выход
которого электрически соединен с входом блока обработки 7. На фиг.2 показано устройство датчика 2. Основными функциональными элементами датчика 2 являются отрезки передающего 8 и приемного 9 оптических волокон, растр 10 с первым непрозрачным элементом 11 и вторым непрозрачным элементом 12, а также концевик 13, жестко связанный с растром 10. В зависимости от положения концевика 13 датчик 2 может находится в двух устойчивых логических (бинарных) состояниях. На фиг.2 показано состояние «выключен». При линейном перемещении концевика 13, а вместе с ним и растра 10 по направлению h на величину hx датчик 2 переходит в состояние «включен». Линейный размер h1 первого непрозрачного элемента растра 11, линейный размер h2 второго непрозрачного элемента растра 12, а также размер прозрачного элемента, расположенного между ними превышает диаметр d оптических волокон 8 и 9. При перемещении концевика 13 на величину hx оба непрозрачных элемента растра по очереди пересекают область передачи излучения из торца оптического волокна 8 в торец оптического волокна 9. В положении «включен» второй непрозрачный элемент 12 оказывается за пределами диаметра d оптических волокон и не препятствует передачи оптического излучения. Датчики 3-5 устроены аналогично, при этом они отличаются размерами прозрачных и непрозрачных элементов растра.
Устройство работает следующим образом.
С выхода излучателя 1 на вход датчика 2 поступает поток оптического излучения с уровнем мощности Рвх, который передается через торец оптического волокна 8 на торец оптического волокна 9. Пусть в исходном состоянии растр 10 датчика 2 находится в положении, показанном на фигуре 2. Данное бинарное состоянии датчика
называется «выключен». Пусть в состоянии «выключен» находятся также датчики 3-5. В этом случае оптическое излучение Рвых с выхода датчика 2 передается практически без потерь мощности через датчики 3-5 на вход фотоприемника 6. В фотоприемнике 6 оптический сигнал преобразуется в эквивалентный ему электрический сигнал, что фиксируется в блоке обработки 7.
Переход датчика 2 из состояния «выключен» в состояние «включен» характеризуется линейным перемещением концевика 13 и жестко связанного с ним растра 10 на расстояние hx в направлении h, показанном на фигуре 2. Позиционная эпюра такого перемещения 14 изображена на фигуре 3. При пересечении непрозрачных элементов растра 11 и 12 области d, определяемой одинаковыми диаметрами оптических волокон 8 и 9, оптический поток перекрывается. Это изменение оптической мощности Рвых через датчики 3-5 передается на вход фотоприемника 6. Уровень оптической мощности на входе фотоприемника 6 близок к нулю. Следовательно, уровень соответствующего ему электрического сигнала на выходе также близок к нулю, что фиксируется в блоке обработки 7.
Аналогичный процесс происходит во временной области. Позиционной эпюре 14 соответствует временная эпюра 15 на фигуре 3. Модуляция оптического сигнала по мощности в датчике 2 передается через волоконно-оптический канал, образуемый оптическими волокнами, соединяющими элементы 2-6 на вход фотоприемника 6, где преобразуется в соответствующую ему форму электрического сигнала. В блоке обработки 7 вычисляется длительность импульсов Т1 и Т2, соответствующих длине непрозрачных элементов растра h1 и h2. С целью обеспечить инвариантность определения номера датчика, в блоке
обработке 7 сравниваются не абсолютные значения периодов T1 и Т2, зависимые от скорости перемещения растра 10, а их отношение Т1/Т2.
Переход датчика 2 из состояния «включен» в состояние «выключен» характеризуется линейным перемещением концевика 13 и жестко связанного с ним растра 10 на расстояние hx в направлении, противоположном направлению h, показанном на фигуре 2. При этом сначала область d пересекает непрозрачный элемент 12 растра 10, а затем непрозрачный элемент 11, что отражается и на временной эпюре. Этот случай показан на правой половине графиков 14 и 15. Для наглядности позиционные и временные эпюры совмещены друг с другом, не показано также изменение направления перемещения при обратном ходе растра. Длительность импульса Т21 в общем случае не равна длительности Т2, а длительность импульса T1l не равна длительности T1, так как скорость перемещения растра при каждом изменении бинарного состояния может меняться. Однако в течение времени одного переключения датчика скорость движения растра 10 можно считать постоянной. В этом случае пропорция Т1/Т2=Т11/Т21 выполняется. Численное значение данного отношения является уникальным для каждого датчика 2-5 и позволяет путем измерения временных интервалов в блоке обработки 7 идентифицировать номер датчика в системе. Направление перемещения растра определяет вид изменения состояния датчика. В случае изменения состояния «выключен» на состояние «включен» блок обработки 7 фиксирует отношение Т1/Т2. В случае изменения состояния «включен» на состояние «выключен» блок обработки фиксирует величину Т21/Т11.
На графиках 16 показаны аналогичные позиционные эпюры для датчика 3, а на графике 17 приведены их отображения во временной
области. На фигуре 3 показано, что для датчика 3 выбраны другие значения размеров непрозрачных участков растра h3 и h4. Измерение временных интервалов Т3, Т4, Т31, Т41 и вычисление отношений Т3/Т4 и Т31/Т41 в блоке обработки 7 позволяет сделать вывод об изменение логического состояния датчика 3.
Аналогично происходит обработка сигналов, получаемых от других датчиков системы. Информация о всех изменениях храниться и анализируется в блоке обработки 7, что позволяет в любой момент времени определить бинарное состояние каждого датчика. При этом используется единый мультиплексированный волоконно-оптический канал передачи сигналов. Используемый метод мультиплексирования экономит оптический бюджет, что позволяет включить в систему большее количество датчиков, увеличив тем самым ее информационную емкость. При этом на определение номера датчика слабо влияет изменение мощности излучателя, что снижает вероятность ошибки в системе контроля и повышает ее надежность.