Закрытая схема обработки сигнала в волоконно-оптическом датчике тока

Угловая скорость вращения определяется по формуле (9). Величину угла а можно вычислить из зависимости смещения луча по поверхности фотоприемника от угла отклонения зеркала:

" tg

N

Ax = d cos(0 + а) cos 0^

-2 Nd sin 0 + L  tg (2 Na) ,

п=1 ео8

где N - число пар отражений, Ь - расстояние от точки последнего отражения пучка света от неподвижного зеркал до поверхности ПЧФП. В расчете принимается, что луч света падает на поворотное зеркало в точке, лежащей на оси вращения зеркала.

Выводы

Рассмотрено несколько вариантов искажений сигнала на выходе оптической системы, вносимых отклонением компонентов оптико-механических приборов от первоначального положения. Искажение выходного сигнала (изменение его положения или его фазы) можно использовать для определения характеристик движения в неинерциальных системах отсчета. Предложен способ измерения угловой скорости вращения, основанный на измерении изменения положения светового луча на поверхности ПЧФП, обусловленного смещением луча, отраженного подвижным массивным зеркалом, поворачивающимся под действием центробежной силы, при этом угол отклонения луча увеличивают за счет многократного прохождения этого луча в зеркальном умножителе.

Литература

1. Водопьянов В.И., Савкин А.Н. Сопротивление материалов. Краткий курс, контрольные задания: Учебное пособие. - Волгоград: ВолгГТУ, 2002. - 64 с.

2. Заявка на полезную модель № 2008140497 «Измеритель угловой скорости вращения» / Богатырева В.В., Дмитриев А.Л. - Приоритет от 13.10.2008.

Богатырева Валерия Владимировна - Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, carlo.01@mail.ru, carlo02@yandex.ru

УДК 621.38

ЗАКРЫТАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛА В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ДАТЧИКЕ ТОКА

И.К. Мешковский, В.Е. Стригалев, С.А. Тараканов

Рассматривается способ увеличения точности волоконно-оптического интерферометрического датчика тока в большом диапазоне измеряемых токов путем использования закрытой схемы обработки сигнала, а также способ контроля работы модулятора путем введения второй обратной связи в схеме обработки. Ключевые слова: волоконно-оптический датчик тока, волоконная интерференционная схема, модулятор двулучепреломления, закрытая схема обработки сигнала.

Введение

В настоящее время эффект Фарадея является наиболее удобным для использования в волоконно-оптическом датчике тока (ВОДТ). В датчике такого типа информацию о силе тока несет свет, который проходит волоконно-оптический контур, охватывающий контролируемый проводник. Такое устройство обеспечивает ВОДТ высокую точность, электроизолированность, малые массогабаритные показатели, а также удобство

установки и эксплуатации. Задачей исследования явилось повышение точности и расширение динамического диапазона ВОДТ.

Интерференционный ВОДТ по схеме с обратным отражением

выходной сигнал

Рис. 1. Конфигурация ВОДТ по схеме с обратным отражением

Рассмотрим наиболее перспективную конфигурацию ВОДТ, построенную на основе волоконного интерферометра с обратным отражением (рис. 1) [1-4]. Разница фаз интерферирующих волн АФф в таком датчике прямо пропорциональна протекающему току I:

АФф = 4VNI,

где V - постоянная Верде, N - количество витков волокна вокруг проводника. Эта разница фаз измеряется следующим образом. Свет от источника излучения проходит через деполяризатор, который снимает остаточную поляризацию излучения. Далее в поляризаторе свет преобразуется в линейно-поляризованный, а за ним разделяется на две волны, равные по амплитуде, направляемые по быстрой и медленной оптическим осям двулучепреломляющего волокна. В фильтре эти волны разводятся по времени, чтобы предотвратить последствия преобразования мод, и попадают на пьезомодулятор двулу-чепреломления, обеспечивающий работу интерферометра в квадратурном режиме. После этого они проходят линию задержки, что обеспечивает приемлемую собственную частоту контура, на которой «успевает» работать пьезомодулятор. В четвертьволновой пластине волны преобразуются в противоположно циркулярно-поляризованные. В результате действия магнитного поля на специальное БРЦК-волокно, в котором оси дву-лучепреломления скручены вдоль направления распространения света, в чувствительной части датчика левоциркулярная и правоциркулярная волны получают относительный фазовый сдвиг. Отразившись от зеркала, волны проходят чувствительную часть в обратную сторону, фазовый сдвиг между ними удваивается. После прохода четвертьволновой пластины волны обратно преобразуются в линейно-поляризованные, при этом та волна, которая проходила датчик по быстрой оси двулучепреломляющего волокна, направляется в медленную ось, и наоборот. Волны проходят следующие три элемента в обратном порядке и интерферируют на входе поляризатора. Таким образом, достигается взаимность распространения двух волн в датчике, т.е. они проходят абсо-

лютно одинаковые пути. Результат интерференции фиксируется на фотодетекторе и с помощью синхронного детектора преобразуется в выходной сигнал датчика.

Интерферирующие волны в волоконном интерферометре с обратным отражением все время находятся относительно близко в пространстве, что делает датчик очень стабильным по отношению к внешним воздействиям, таким как изменение температуры и вибрации. В то же время при гармонической модуляции отклик интерферометра представляет собой синусоидальную функцию, что ограничивает диапазон измеряемых токов и не позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала от тока.

Для преодоления недостатков схемы ВОДТ с обратным отражением предлагается использовать закрытую схему обработки сигнала, аналогичную используемой в волоконной гироскопии [4]. Сигнал о силе тока используется как сигнал ошибки, с помощью которого создается обратная связь в системе в виде введения дополнительной разности фаз ЛФсю, компенсирующей вызванную магнитным полем разность фаз. Суммарная разница фаз удерживается в нуле, что обеспечивает большую точность и динамический диапазон, так как система всегда работает в точке с максимальной чувствительностью. В закрытой схеме измеряемым сигналом становится сигнал обратной связи, что приводит к линейной зависимости с большой стабильностью, потому что этот сигнал обратной связи не зависит от пришедшей на фотодетектор оптической мощности и коэффициента усиления регистрирующего каскада.

Пьезомодулятор на необходимой частоте может обеспечить только гармоническую модуляцию сигнала, поэтому предлагается вместо него использовать модулятор двулучепреломления на основе канального волновода в ниобате лития (рис. 2). Используется Х-срез кристалла ниобата лития, двулучепреломляющие волокна пристыковываются к кристаллу таким образом, чтобы быстрые оси волокна совпадали с быстрой осью волновода. Разница фаз вносится за счет отличия электрооптических коэффициентов для быстрой и медленной осей волновода в ниобате. Такой модулятор обладает достаточным быстродействием и позволяет подавать на него сигналы обратной связи необходимой формы.

Закрытая схема обработки сигнала

волокно

оптическ

Рис. 2. Волоконно-оптический фазовый модулятор двулучепреломления

на ниобате лития

Для введения компенсирующей разницы фаз удобно использовать линейно увеличивающееся напряжение, подаваемое на управляющие электроды интегрально-оптического модулятора. В ВОДТ по схеме с обратным отражением интерферирующие волны проходят через модулятор дважды, и разница фаз АФм между ними увеличивается с задержкой АТ. Таким образом, компенсирующую разницу фаз АФос можно регулировать скоростью нарастания напряжения во времени Т. Нарастание фазы АФм не может быть бесконечным, и на практике используется пилообразная модуляция со сбросом пилы Фсб на 2п (рис. 3).

Рис. 3. Аналоговая пилообразная модуляция

Аналоговая фазовая модуляция очень удобна, но требует высокой линейности и скорости работы модулятора, с ней невозможно синхронизировать модуляцию, обеспечивающую квадратурный режим работы интерферометра. Трудности преодолеваются с помощью цифровой реализации пилообразной модуляции. Вместо линейного нарастания фазы цифровая пилообразная модуляция создает фазовые приращения АФос длительностью АТ, соответствующей времени прохода сигнала по интерферометру, и соответствующие сбросы ступенчатой пилы. Эти фазовые приращения и сбросы легко синхронизировать с квадратурной прямоугольной фазовой модуляцией (рис. 4). Блок обработки в таком случае выполняется на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП), логической схемы и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Логическая схема строится на основе программируемой логической интегральной схемы.

Рис. 4. Цифровая пилообразная модуляция, синхронизированная

с прямоугольной

Цифровая пилообразная модуляция удобна еще и тем, что можно ввести вторую обратную связь, контролирующую работу модулятора, так как модулируемая им фаза зависит не только от управляющего напряжения на выходе ЦАП, но и от внешних условий (температуры, вибрации и т. п.). При отклонении сброса пилы от 2п появляется дополнительное изменение сигнала на фотоприемнике в моменты сброса. Логическая схема подстраивает итоговый сигнал, подаваемый на ЦАП, и через некоторое время величина сброса приводится к нужному значению.

Рис. 5. Результат работы модели пилообразной цифровой модуляции

Рис. 6. Конфигурация ВОДТ по схеме с обратным отражением с источником деполяризованного излучения, закрытой схемой обработки сигнала

и контролем работы модулятора

Для проверки работы такой схемы была создана модель работы закрытой схемы обработки с двумя петлями обратной связи. На рис. 5 представлен график изменения управляющего напряженияе на модуляторе во времени, на нем показан процесс приведения первоначального отклоненного сброса пилы к значению U2n, соответствующему по фазе 2п. В настоящее время вместо применения деполяризатора удобнее заменить в ВОДТ обычный источник излучения на источник, свет которого практически деполяризован. На рис. 6 показан, с учетом последнего, ВОДТ по схеме с обратным отражением и двумя петлями обратной связи.

Заключение

В работе рассмотрены способ повышения точности волоконно-оптического датчика тока в большом диапазоне измеряемых токов и увеличения линейности выходного сигнала посредством введения первой обратной связи в схеме обработки сигнала, а также способ улучшения работы модулятора в различных эксплуатационных условиях с помощью второй обратной связи.

Литература

1. Dong X., Chu C.B., Kong K.H., Chiang K.S. Phase Drift Compensation for Electric Current Sensor Employing a Twisted Fiber or a Spun Highly Birefringent Fiber // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2000. - V. 6. - № 5. - P. 803809.

2. Blake J., Tantaswadi P., de Carvalho R.T. In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor // IEEE Transactions on Power Delivery. - 1996. - V. 11. - № 1. - Р. 116-121.

3. Bohnert K., Brandle H., Brunzel M.G., Gabus P., Guggenbach P. Highly Accurate Fiber-Optic DC Current Sensor for the Electrowinning Industry // IEEE Transactions on industry applications. - 2007. - V. 43. - № 1. - Р. 180-187.

4. Kurosawa K., Shirakawa K., Kikuchi T. Development of Optical Fiber Current Sensors and Their Applications // IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition: Asia and Pacific. - Dalian, China, 2005.

5. Lefevre H. The Fiber-Optic Gyroscope. - London: Artech House, 1992.

Мешковский Игорь Касьянович

Стригалев Владимир Евгеньевич

Тараканов Сергей Александрович

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, igorkm@spb. Г^ш! т

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, кандидат физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой, vstrglv@mail.ru

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, младший научный сотрудник, netforever@mail.ru