СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ СОБЫТИЙ НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Полезная модель относится к информационно-измерительным и управляющим системам, системам автоматического мониторинга и может быть использована для контроля состояний сложного технического объекта при перемещении его подвижных частей.
Наиболее близким техническим решением к полезной модели является система контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом [1], содержащая последовательно соединенные с помощью оптических волокон излучатель, n бинарных датчиков, фотоприемник и блок обработки. Каждый бинарный датчик выполнен в виде оптомеханического устройства, в котором между торцами соосно расположенных оптических волокон находится растр из чередующихся прозрачных и непрозрачных кодовых элементов, имеющий возможность перемещения перпендикулярно оптической оси волокон под воздействием жестко связанного с ним концевика. Идентификация номера датчика в системе происходит на основании относительных измерений длительностей оптических импульсов, формируемых элементами растра при смене состояния датчика.
Недостатком данного технического решения является зависимость достоверности получаемых системой данных от девиации скорости перемещения подвижных частей контролируемого объекта, приводящей к изменению скорости движения концевика и жестко связанного с ним растра.
Внезапные изменения скорости перемещения растра в процессе смены логического состояния датчика приводят к нарушению временных пропорций оптических сигналов, что повышает вероятность ошибки как в определении номера датчика, так и в характере смены его логического состояния. Таким образом, надежность показаний системы находится в сильной зависимости от внешних эксплуатационных факторов.
В основу полезной модели поставлена задача - повысить надежность и достоверность определения номера датчика и характера смены его логического состояния, снизить влияние внешних эксплуатационных факторов.
Задача решается за счет того, что в предложенной системе обнаружения событий на основе бинарных волоконно-оптических датчиков между торцами соосно расположенных оптических волокон находится растр, состоящий из чередующихся прозрачных, полупрозрачных и непрозрачных кодовых элементов.
Это позволяет при наступлении события сформировать сигнал на выходе датчика в соответствии с уникальным для каждого устройства трехуровневых оптических кодом, на основании которого в блоке обработки определяется номер датчика и характер изменения его логического состояния. Информация о всех событиях хранится и анализируется в блоке обработки, что позволяет в любой момент времени определить бинарное состояние каждого датчика.
На фигуре 1 показан состав и функциональные связи между элементами системы, на фигуре 2 изображена упрощенная конструкция бинарного волоконно-оптического датчика, на фигуре 3 приведены эпюры сигналов на выходе фотоприемника.
В состав системы обнаружения событий на основе бинарных волоконно-оптических датчиков входят последовательно соединенные с помощью оптических волокон излучатель 1, бинарные волоконно-оптические датчики 2-5, фотоприемник 6 и блок обработки 7. На фиг.2 показано устройство бинарного волоконно-оптического датчика 2, основными функциональными элементами которого являются расположенные на одной оптической оси отрезки передающего 8 и приемного 9 оптических волокон с диаметром d, растр состоящий из прозрачного 10, трех непрозрачных кодовых элементов 11 и полупрозрачного кодового элемента 12, а также наконечника 13. В зависимости от положения наконечника 13 бинарный волоконно-оптический датчик 2 может находится в двух устойчивых логических (бинарных) состояниях. На фиг.2 показано состояние «выключен». При линейном перемещении наконечника 13, по направлению h на величину hx, бинарный волоконно-оптический датчик 2 переходит в состояние «включен». Линейные размеры каждого из трех непрозрачных кодовых элементов 11, линейный размер полупрозрачного кодового элемента 12, а также линейные размеры прозрачных кодовых элементов 10, расположенных между ними превышают диаметр d оптических волокон 8 и 9. При перемещении наконечника 13 элементы 11 и 12 по очереди пересекают область передачи излучения из торца оптического волокна 8 в торец оптического волокна 9. В положении «включен» последний непрозрачный элемент 11 оказывается за пределами диаметра d оптических волокон и не препятствует передаче оптического излучения. Бинарные волоконно-оптические датчики 3-5 устроены аналогично, при этом они отличаются порядком расположения полупрозрачных и непрозрачных элементов растра, а также их количеством.
вх
вых
Устройство работает следующим образом. С выхода излучателя 1 на вход бинарного волоконно-оптического датчика 2 поступает поток оптического излучения с уровнем мощности Р, который передается через торец оптического волокна 8 на торец оптического волокна 9. Пусть в исходном состоянии растр бинарного волоконно-оптического датчика 2 находится в положении, показанном на фигуре 2. Данное состояние бинарного волоконно-оптического датчика 2 называется «выключена. Пусть в состоянии «выключена находятся также бинарные волоконно-оптические датчики 3-5. В этом случае оптическое излучение Р с выхода бинарного волоконно-оптического датчика 2 передается практически без потерь мощности через бинарные волоконно-оптические датчики 3-5 на вход фотоприемника 6. В фотоприемнике 6 оптический сигнал преобразуется в эквивалентный ему высокий уровень электрического сигнала, что фиксируется в блоке обработки 7. Данное состояние характеризуется отсутствием событий.
вых
Переход бинарного волоконно-оптического датчика 2 из состояния «выключена в состояние «включена обусловлен линейным перемещением наконечника 13 на расстояние hx в направлении h, показанном на фигуре 2. Временная эпюра 14 данного процесса изображена на фигуре 3. При пересечении непрозрачными кодовыми элементами 11 области d, оптический поток перекрывается полностью, а при пересечении полупрозрачным кодовым элементом 12 наполовину. При пересечении области d прозрачными кодовыми элементами 10 каждый раз наблюдается возврат к высокому уровню оптического сигнала. Эти изменения оптической мощности Р через бинарные волоконно-оптические датчики 3-5 передаются на вход фотоприемника 6, в котором преобразуются в электрические сигналы. В результате блок обработки 7 фиксирует поступление трехуровневого двоичного кода 1101, в котором логическая единица соответствует низкому уровню электрического сигнала, логический ноль - среднему уровню электрического сигнала, а интервалы между ними - высокому уровню электрического сигнала. Происходит обнаружение события -переход датчика 2 из состояния «выключена в состояние «включена.
Обратный переход бинарного волоконно-оптического датчика 2 из состояния «включена в состояние «выключена сопровождается перемещением наконечника 13 в направлении, обратном h на расстояние hx. При этом порядок пересечения непрозрачными кодовыми элементами 11, полупрозрачными кодовыми элементами 12 области d меняется на обратный, что отражено на временной эпюре 15 фигуры 3. В результате блок обработки 7 фиксирует поступление кода 1011, в котором логическая единица соответствует низкому уровню электрического сигнала, логический ноль - среднему уровню электрического сигнала, а интервалы между ними - высокому уровню электрического сигнала. Происходит обнаружение другого события -переход бинарного волоконно-оптического датчика 2 из состояния «включена в состояние «выключена.
Аналогично происходит обработка сигналов, получаемых от других датчиков системы. Данные о всех событиях хранятся и анализируются в блоке обработки 7, что позволяет в любой момент времени определить бинарное состояние каждого бинарного волоконно-оптического датчика. Информация о событиях кодируется трехуровневым двоичным кодом, применение которого позволяет не учитывать возможные отклонения между сигналами во временной области, фиксируя только факт изменения логических уровней сигнала. Тем самым решается задача полезной модели - повысить надежность и достоверность определения номера датчика и характера смены его логического состояния, снизить влияние внешних эксплуатационных факторов.
Литература
1. Патент РФ на полезную модель №74486, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.06.2008 г. Автор Зеленский В.А. Система контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом.