Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
MULTI-SENSOR FIBER-OPTIC DATA ACQUISITION DEVICE

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления сложным технологическим оборудованием, а также при мониторинге пространственно распределенных объектов промышленной, транспортной и социальной инфраструктуры.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является мультисенсорный преобразователь бинарных механических сигналов в электрические на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя. Он содержит источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, аналого-цифровой преобразователь, состоящий из преобразователя напряжения в частоту и преобразователя частоты в код. [Гречишников В.М., Макаров Е.Г. Математическая модель функционирования мультисенсорного преобразователя бинарных механических сигналов в электрические на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя //Измерительная техника. 2020. №2, С. 20-26.].
Недостатком данного устройства является недостаточная достоверность преобразования, вызванная конечным временем срабатывания оптических переключателей сигналов, а также случайным характером начальных фаз переходных процессов переключения входных сигналов.
Другим близким по технической сущности аналогом является мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя [Пат. 2660644 РФ МПК Н03М 1/12 (2006.01); G02F 7/00 (2006.01); Н03М 1/08 (2006.01), опубл. 06.07.2018, Бюл. №19].
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации содержит источник опорного напряжения, группу электронных ключей, группу подстроенных резисторов, группу светодиодов, группу передающих световодов группу передающих сферических линз, группу элементов назначения веса на основе щелевых диафрагм, группу приемных сферических линз, группу приемных световодов, Y- ответвитель, общий световод, фотоприемник, фотоусилитель, дифференцирующую цепочку, выпрямитель, компаратор, аналоговый ключ, аналого-цифровой преобразователь.
Недостатком данного устройства является сложность и недостаточная стабильность схемы автокоррекции динамической погрешности, выполненной на аналоговой элементной базе.
В основу изобретения поставлена задача повышения достоверности устройства за счет цифровой обработки информации.
Для решения поставленной задачи в мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации, содержащее источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, причем выход источника излучения оптически связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выходы которого через оптические переключатели подключены ко входам соответствующих оптических аттенюаторов, выходы которых оптически связаны со входами волоконно-оптического сумматора, выход которого через фотоприемник подключен ко входу фотоусилителя, введен\ дополнительно микроконтроллер со встроенными двухпозиционным аналоговым ключом и аналого-цифровым преобразователем, входы аналогового ключа параллельно подключены к выходу фотоусилителя, выход аналогового ключа связан со входом аналого-цифрового преобразователя.
Изобретение характеризуется следующими чертежами, где:
- на фиг. 1 показана функциональная схема мультисенсорного волоконно-оптическоого устройства сбора информации;
0
-1
-2
-3
- на фиг. 2 изображены графики нормированных переходных процессов в четырехразрядном преобразователе при переключении сигналов с весовыми коэффициентами 2, 2, 2, 2 соответственно;
- на фиг. 3 показан график изменения напряжения на выходе усилителя;
- на фиг. 4 приведены графики модулей производных формируемых сигналов
- на фиг. 5 приведена блок схема алгоритма работы микроконтроллера.
0
1
n-1
0
-i
В состав мультисенсорного волоконно-оптического устройства сбора информации входит источник излучения 1, формирующий оптический сигнал мощностью Р, который подается на вход волоконно-оптического разветвителя 2, осуществляющего равномерное деление мощности между n его выходными полюсами. Оптические переключатели 3 имеют по два входа и одному выходу. Первые входы из них предназначены для подачи на них бинарных механических входных сигналов x(t), x(t), …x(t), а вторые - для подачи входных оптических сигналов с выходов разветвителя 2. В простейшем случае переключатель представляет корпус, внутри которого расположен подпружиненный шток, внешний торец которого выведен из корпуса наружу, а внутренний расположен внутри корпуса в зазоре между передающим и приемным световодами. При дискретном механическом воздействии на внешнюю часть штока, его внутренняя часть перекрывает оптический канал связи между световодами, что приводит к формированию на выходе приемного световода дискретного оптического сигнала амплитудой Р=Р/n. Оптические выходы переключателей 3 связаны с входами оптических аттенюаторов 4, коэффициенты передачи которых выбраны в соответствии с числовым рядом {2}, i=0, 1, 2, …, n-1. Указанные значения коэффициентов передачи аттенюаторов могут быть реализованы, например, путем введения в зазор между передающими и приемными световодами, входящими в состав аттенюаторов, шторок или диафрагм. Выходы аттенюаторов подключены к входам оптического сумматора 5, в качестве которого может быть использован, например, обратно включенный оптический разветвитель на n входов. Совокупность оптических аттенюаторов 4 и сумматора 5 представляют собой волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь 6. Выход цифроаналогового преобразователя 6 оптически связан с фотоприемником 7, подключенным к входу фотоусилителя 8. Выход фотоусилителя присоединен параллельно к входам «а» и «б» двухпозиционного аналогового ключа 9, встроенного в микроконтроллер 11. Выход аналогового ключа 9 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 10, также входящего в состав микроконтроллера 11.
0
1
n-1
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 подается на волоконно-оптический разветвитель 2, осуществляющий равномерное деление мощности излучателя между его выходными полюсами. С выхода каждого из полюсов снимается оптический сигнал мощностью P/n, где n - число входных сигналов. Сигналы с выходов разветвителя 3 поступают на входы оптических переключателей 4. В оптических переключателях под действием входных механических бинарных перемещений x(t), x(t), …x(t) формируются оптические логические сигналы вида
В результате суммирования полученных таким образом оптических сигналов в оптическом сумматоре 5 на выходе оптического цифроаналогового преобразователя 6 формируется оптический аналоговый квантованный сигнал
0
1
п-1
где x={х, х, …х} - кодовый вектор входных бинарных механических сигналов.
После фотоэлектрического преобразования полученного оптического сигнала в фотоприемнике 7 на выходе фотоусилителя 8 формируется электрический сигнал
ФП
ПР
ФП
ПР
0
0
-1
-2
-3
где S - токовая чувствительность фотоприемника, K - коэффициент преобразования фототока в напряжение. На фиг. 2 качестве примера показаны, графики нормированных относительно произведения SKР переходных процессов в четырехканальном преобразователе при переключении сигналов с весовыми коэффициентами 2, 2, 2, 2 соответственно.
График напряжения на выходе фотоусилителя при последовательном переключении сигналов показан на Фиг. 3. Как видно из графиков на фиг. 3, выходной сигнал фотоусилителя стремится к установившемуся значению 0,625 В.
Σ
a
Сформированное таким образом напряжение U(x,t) подается параллельно на входы «а» и «б» аналогового ключа 9. Вначале это напряжение поступает на вход «а». С помощью АЦП оно преобразуется в цифровой код N(x,t).
ΠОΡ
ΠОΡ
Σ
0
1
n-1
0
1
n-1
ПОР
-n
a
a
a
Микроконтроллер вычисляет модуль производной цифрового сигнала  и сравнивает ее с пороговым значением Ν', при котором переходный процесс можно считать завершенным. Пороговое значение производной Ν' не должно превышать величину 2. Для рассмотренного примера код порогового напряжения не должен превышать значение 0,0625. Необходимость вычисления модуля производной связана с тем, что при переключении сигналов из состояния «0» в состояние «1» и наоборот переходные процессы могут иметь разнонаправленный характер, при котором производные могут быть разных знаков (фиг. 3) Графики модулей производных формируемых сигналов для рассматриваемого случая приведены на рис. 4. При выполнении равенства  микроконтроллер подключает ко входу «б» установившееся значение напряжения фотоусилителя U(x).В результате на выходе АЦП формируется выходной электрический код а={,,…}, значения разрядных цифр которого однозначно соответствуют значениям бинарных механических сигналов х={х,х,...х} на входе устройства. Как видно из фиг. 4, для рассмотренного случая переходные процессы последовательно во времени кодовых комбинаций: 1101,1001,1011,1010, однозначно соответствующих достигают порогового уровня U. Это приводит к последовательному формированию на выходе АЦП установившимся значениям входных механических сигналов. При одновременном срабатывании оптических переключателей выходная кодовая комбинация сформируется по окончании переходного процесса в переключателе старшего разряда.
Блок - схема алгоритма работы микроконтроллера приведена на фиг. 5
Алгоритм работы МК сводится к выполнению следующих операций. В начале в программу вводятся исходные данные. К ним относятся:
Δt - шаг дискретизации сигнала фотоусилителя по времени;
ПОР
Ν' - код минимально допустимого значения напряжения производной, при котором переходный процесс можно считать завершенным;
a
0
a
0
a
0
В начальный момент номер точки на временной оси i принимается равным нулю. После этого через вход «а» аналогового ключа сигнал с выхода фотоусилителя подключается к АЦП. В результате формируется код N(x,t), соответствующий сигналу фотоусилителя в начале цикла преобразования. После этого через заданный интервал Δt формируется второе значение кода сигнала фотоусилителя N(x,t+Δt). На следующем этапе вычисляется производная N'(x,t), а затем и ее абсолютное значение
1
0
Σ
0
1
n-1
0
1
n-1
0
1
n-1
а
а
а
а
а
а
Если неравенство  не выполняется, то осуществляется переход к следующей точке на временной оси t=t+Δt. Величина Δt выбирается, исходя из требуемой точности вычисления производной. Далее процесс циклически повторяется до момента, при котором будет выполнено условие В этот момент микроконтроллер через вход «б» подключает к АЦП установившееся значение сигнала фотоусилителя U(x). В результате на выходе АЦП формируется выходной электрический код а={,,…}, значения разрядных цифр которого однозначно соответствуют установившимся значениям бинарных механических сигналов х={х,х,…х} на входе преобразователя. Полученные значения разрядных цифр a={,,…} сохраняются в памяти микроконтроллера. Для организации непрерывного процесса преобразования после сохранения и выдачи результата запускается новый цикл преобразования при значении переменной i=0. Указанный процесс повторяется до тех пор, пока не будет отключено напряжение питания устройства.