ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ КАНАЛОМ

Полезная модель относится к информационно-измерительным и управляющим системам и может быть использована для определения пороговых значений физического параметра - механического перемещения, температуры, напряженности электромагнитного поля.
Известна информационно-измерительная система (система сбора информации), полученная с помощью набора волоконно-оптических датчиков, входы которых оптически соединены с импульсным источником излучения, а выходы - с фотоприемником, выход которого подключен к электронному демультиплексору, имеющему связь с импульсным источником излучения (Бусурин В.И., Носов Д.Р. Волоконно-оптические датчики. - М.:Энергоатомиздат, 1990, с.232, 233, рис.11.36).
Для определения номера датчика, который регистрирует превышение порогового значения параметра, используется различная длина пути, по которому проходит импульс от источника.
Недостатком устройства является использование электронного демультиплексора, подверженного влиянию электромагнитных шумов и наводок. В результате снижается уровень помехозащищенности волоконно-оптического канала.
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.G
02 В 6/00, Н 04 В 10/00, 1995), содержащая последовательно соединенные с помощью отрезков волоконных световодов излучатель, n волоконно-оптических датчиков и фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки.
Недостатком устройства является низкая помехозащищенность и перманентный дрейф показаний, обусловленные внезапным и постепенным изменением мощности излучателя.
В основу полезной модели поставлена задача - повысить помехозащищенность устройства в жестких условиях эксплуатации.
Задача решается за счет того, что в информационно-измерительной системе с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом, содержащей импульсный генератор, последовательно соединенные излучатель,n бинарных волоконно-оптических датчиков и фотоприемник, а также блок обработки, один вход которого соединен с импульсным генератором, а второй вход подключен к выходу фотоприемника, согласно полезной модели, каждый бинарный волоконно-оптический датчик содержит оптический переключатель вида 1×2, управляемый физическим параметром p, оптическую линию задержки, а также оптический разветвитель вида 2×1, причем первый выход оптического переключателя соединен непосредственно с первым входом оптического разветвителя, а второй вход через оптическую линию задержки связан со вторым входом оптического разветвителя, в состоянии «выключен» датчик не оказывает воздействие на распространение сигнала в волоконно-оптическом канале, а в состоянии «включен» вносит в него задержку, величина которой для каждого датчика подобрана таким образом, что результирующая задержка однозначно определяет состояние каждого датчика.
На фигуре 1 показана функциональная схема устройства, на фигуре 2 изображена схема бинарного волоконно-оптического датчика, на фигуре 3 приведены временные эпюры сигналов на входе и выходе датчиков.
В состав информационно-измерительной системы с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом входит импульсный генератор 1, последовательно соединенные излучатель 2, бинарные волоконно-оптические датчики 3 - 5 и фотоприемник 6, а также блок обработки 7, один вход которого соединен с импульсным генератором 1, а второй вход подключен к выходу фотоприемника 6. На фиг.2 показано устройство датчика 3. Датчик состоят из оптического переключателя 8, реализованного по схеме 1×2, оптической линии задержки 9, а также оптического разветвителя 10, реализованного по схеме 2×1.
В качестве излучателя 2 может быть использован лазер на эрбиевом стекле, генерирующий непрерывную последовательность сверкоротких импульсов с частотой повторения до 10 ГГц (Компания «Оптителеком». Журнал «Оптоэлектроника», №ОЕР/01 от 16.09.2002 г.) или полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором типа SV3639 производства фирмы Honeywell (Оптоэлектроника, №ОЕР/04 от 01.10.2002 г.)
В качестве фотоприемника 6 может быть использован фотодиод Ge/Si со встроенными слоями квантованных точек Ge для ближней инфракрасной области 1,3 - 1,55 мкм (Якимов А.И., Двуреченский А.В., Никифоров А.И. и др. Журнал «Физика и техника полупроводников», том 37, вып.11, 2003 г.) или фотоприемник на основе фотодиода типа УФУ 0-02 производства ОАО «ЦКБ Ритм».
В блоке обработки 7 происходит сравнение времени прихода импульса от генератора 1 и импульса с выхода фотоприемника 6, с учетом задержки импульса в элементах 2 и 6. На основании сравнения делается вывод о состоянии «включен» или «выключен» датчиков 3, 4, 5.
Первый выход оптического переключателя 8 соединен непосредственно с первым входом оптического разветвителя 10, а второй вход - через оптическую линию задержки 9 со вторым входом оптического разветвителя 10. Управляющим сигналом для оптического переключателя 8 является значение физического параметра. Если значение физического параметра p при своем увеличении переходит установленное пороговое значение, оптический переключатель 8 переходит из состояния «выключен» в состояние «включен». Если значение физического параметра p при своем уменьшении переходит установленное пороговое значение, оптический переключатель 8 переходит из состояния «включен» в состояние «выключен».
В случае, если датчик находится в состоянии «выключен», оптический сигнал без временной задержки проходит с первого выхода переключателя 8 непосредственно на вход разветвителя 10 (фиг.2). В случае, если датчик находится в состоянии «включен», сигнал поступает со второго выхода переключателя 8 через оптическую линию задержки 9 на второй вход разветвителя 10, испытывая при этом задержку распространения в волоконно-оптическом тракте. Величина временной задержки определяется оптической линией задержки 9.
Датчики 4, 5 устроены аналогично, при этом они отличаются величиной оптической задержки в элементе 9. Для датчика 3 данная
величина равна h, для датчика 4 равна величине 2h, а для датчика 5 равна величине 4h.
Устройство работает следующим образом.
Импульсный генератор 1 в момент времени t1 вырабатывает электрический сигнал в виде короткого прямоугольного импульса (фиг.3). На выходе 11 излучателя 2 вырабатывается оптический импульс, поступающий на вход датчика 3. Пусть в момент времени t1 датчики 3 и 4 находятся в положении «включен», а датчик 5 - в положении «выключен». На выходе датчика 3 оптический сигнал формируется с задержкой, величина h которой является постоянной для датчика 3, что отображается эпюрой 12. Проходя датчик 4, оптический импульс задерживается на величину 2h, которая устанавливается фиксировано для датчика 4, что отображается эпюрой 13. Датчик 5 находится в положении «выключен», поэтому оптический импульс без задержки проходит на вход фотоприемника 6, что отображается эпюрой 14. Результирующая задержка определяется суммой задержек и равна h+2h=3h. Данная величина однозначно определяет состояние датчиков информационно-измерительной системы путем сравнения моментов времени t1 с моментом прихода оптического импульса в блок обработки 7.
Пусть в момент времени t2 датчики 3 и 5 находятся в положении «включен», а датчик 4 в положении «выключен». На выходе датчика 3 оптический сигнал формируется с задержкой, величина h которой является постоянной для датчика 3, что отображается эпюрой 12. Датчик 4 находится в положении «выключен», поэтому оптический импульс без задержки проходит на вход датчика 5, что отображается эпюрой 13. Датчик 5 находится в положении «включен», поэтому на его выходе сигнал формируется с задержкой, величина которой равна
4h и является постоянной для датчика 5, что отображается эпюрой 14. Результирующая задержка определяется суммой задержек во включенных датчиках и равна h+4h=5h. Данная величина однозначно определяет состояние датчиков информационно-измерительной системы путем сравнения моментов времени t2 с моментом прихода оптического импульса в блок обработки 7.
Аналогично определяется состояния датчиков для других возможных случаев. Устройство функционирует нормально, если период времени между опросом датчиков Τ=|t2-t1| значительно превышает время переключения датчиков, а результирующая задержка сигнала (в данном случае 7h) значительно меньше времени переключения датчиков 3-5.
При разнесении датчиков в пространстве система позволяет получать и обрабатывать данные о пространственном распределении физического параметра и его изменении во времени.