Преобразователь сигналов для волоконно-оптических датчиков

Серебряков Д.И. , Макаров Ю.Н., Редько В.В., Бростилов С.А.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Разработан экспериментальный образец универсального блока преобразования информации (УБПИ), который путем незначительной настройки может сопрягаться практически с любым типом волоконнооптических датчиков (ВОД), построенных по дифференциальной или компенсационной схеме преобразования оптического сигнала

Разрабатываемая широкая номенклатура ВОД ставит задачу разработки универсального блока преобразования информации, который сможет сопрягаться с любым типом ВОД. В большинстве случаев в конструкции ВОД имеется два канала: рабочий и компенсационный, а если ВОД построен по дифференциальному типу - рабочий канал 1 и рабочий канал 2 [1, 2]. Данные схемные решения позволяют в дальнейшем при совместной обработке сигналов исключить большинство погрешностей, обусловленных изменением мощности оптического сигнала, излучаемого источником излучения (ИИ), а также погрешность от механических деформаций волоконно-оптического кабеля (ВОК).

При УБПИ возникает необходимость в изготовлении простой и надежной схемы обработки сигнала, поступающего с ВОД, и его преобразование в удобную форму для регистрации или дальнейшей передачи в информационно-измерительные системы (ИИС).

На рисунке 1 приведена блок-схема УБПИ совместно с ВОД.

УБПИ содержит модулятор и схему обработки сигналов.

Работа УБПИ заключается в следующем.

Напряжение питания Ид подается на вход УБПИ. С выхода схемы обработки сигналов выдается напряжение ипи, которое питает ИИ ВОД, последний в свою очередь начинает излучать световой поток Фо. При этом часть светового потока Фо от ИИ проходит по ВОК рабочего канала до чувствительного элемента (ЧЭ), где испытывает воздействие измеряемой физической величины, а часть по компенсационному каналу. После прохождения светового потока Фо по рабочему и компенсационному каналам, на их

выходах получаем световые потоки Фо-

Фо

которые поступают на приемники излучения (ПИ) рабочего

и компенсационного каналов соответственно. С выходов ПИ на вход схемы обработки сигналов поступает фототок Тр(Ал), Хк рабочего и компенсационного каналов соответственно. Для ВОД дифференциального типа компенсационный канал заменен вторым рабочим каналом, который также как и первый испытывает воздействие измеряемой физической величины.

В качестве ИИ для ВОД выбран светодиод 3Л107Б, т.к. по сравнению с суперлюминесцентными и лазерными диодами он выигрывает по надежности и стоимости, а на объектах ракетно-космической и авиационной техники надежность ИИС, соответственно, всех ее компонентов является важнейшим требованием.

(!№)/( иЕ+щ

Рисунок 1 - Блок-схема УБПИ совместно с ВОД

В качестве ПИ для ВОД выбран фотодиод ФД-25 6, т.к. его спектральная характеристика (СХ) максимально согласуется со СХ светодиода 3Л107Б [ 2 ]. Кроме этого у него высокая чувствительность в

рабочем диапазоне длин волн (не ниже 4 5 дБ), большое быстродействие, низкий уровень вносимых шумов, малые масса и габариты, точно воспроизводит форму принимаемого сигнала.

Питание ИИ может осуществляться в различных режимах: постоянным током, в импульсном режиме и

функциональном режиме.

В предлагаемом УБПИ осуществлен импульсный режим питания ИИ, т.к. он позволяет более эффективно использовать информативные парметры сигнала.

Мощность рассеяния на ИИ определяли с учетом линейной аппроксимации вольтамперной характеристики по следующей формуле [3]:

^рас - ^с.д^с.д. + 1с.дГд ,

где Хс.д. - ток через ИИ; Гд - динамическое сопротивление ИИ; Эффективное значение тока

напряжение отсечки.

эф

где 1Ж - импульсный ток; Q - скваженность.

Отсюда максимально допустимое значение тока

max = ,

где ¿и - длительность импульса; T - длительность паузы.

Из (1) следует, что для получения требуемой мощности излучения необходимо уменьшить длительность импульса ¿и и увеличить паузы T между импульсами. Однако следует отметить, что длительность импульсов тока ограничена быстродействием ПИ [ 4 ]. Если фотопроводимость (фототок) успевает установиться за (3...4) Тф, то ¿и ^ (3.4) Тф,

где Тф - постоянная времени ПИ.

Подбирая необходимую скважность, можно обеспечить достаточно высокую мощность излучения, на один-два порядка превышающую номинальную мощность излучения ИИ.

Учитывая характеристики светодиода 3Л107Б [5] и фотодиода ФД 256 [6], определили, что схема

формирования импульса должна выдавать сигнал частотой * 1,5 кГц.

Предлагаемая схема формирования импульса представляет собой задающий генератор, в нашем случае построенный на микросхеме 5 64 ЛЕ5 (рисунок 2).

R1

Рисунок 2 - Схема формирования импульса ИИ

При подаче на вход 14 микросхемы 5 64 ЛЕ5 напряжения питания, на её выходе формируется последовательность импульсов прямоугольной формы. Частота следования импульсов / определяется по из-естной формуле

Задавшись емкостью конденсатора С=0,047мкф и изменяя сопротивление резистора Я1 добиваемся нужной частоты. Подставляя значение С в формулу (2), для /и =1,5 кГц получаем Я1~ 14,2 кОм.

С выхода 10 микросхемы 5 64 ЛЕ5 напряжение ивых. питает светодиод УБ1 через токозадающий резистор Я2, параметры которого определяются следующим образом

=ия/Хитах

где ик - напряжение отсечки,

ия = ( ивых _ ипр.д ) ;

где Цдр.д - падение напряжения на ИИ [3],

ІИ тах определяется выражением (1).

На выходе светодиода при подаче на его вход импульса напряжения ия, образуется световой сигнал квазипрямоугольной формы, который затем вводится в ПОВ.

Схема обработки сигналов (см. рисунок 1) производит следующие преобразования. Усиливает сигналы с ПИ, т.к. при прохождении светового потока по ВОД происходят его потери [7, 8, 9], отфильтро-

вывает все ненужные сигналы, выполняет операции суммирования (ир+ ик) и вычитания (ир-ик) сигналов с рабочего и компенсационного каналов, после чего выполняет операцию деления сигналов (ирик/ Цр+ ик) . Деление производится с помощью аналогового делителя. Окончательно на выходе УБПИ получаем сигнал

ЦвЫх.= (ир-ик)/(ир+ик).

На основании вышесказанного была разработана схема электрическая принципиальная УБПИ (рисунок

3).

Схема питания светодиода построена на микросхемах ББ1, БА4, резисторах Я5, Я12, Я13, Я 22,

конденсаторе С7 и транзисторах УТ1, УТ2. Светодиод подключается к выводам 1 и 2. С помощью микросхемы ББ1 конденсатора С7 и резистора Я5 задаются прямоугольные импульсы нужной частоты /и . Микросхема БА4 вместе с транзисторами УТ1, УТ2 и токозадающим резистором Я22 обеспечивают токовый режим питания светодиода.

Рабочий ПИ подключается к выводам 4, 5, компенсационный ПИ (или рабочий 2 для ВОД дифференциального типа) - к выводам 6, 7 (рисунок 3).

Предварительное усиление сигнала с рабочего канала происходит с помощью микросхемы БА2, резистора Я6, конденсатора С4, усиление сигнала с компенсационного (рабочего 2) канала - микросхемы БАЗ, резистора Я7, конденсатора С6. Т.к. усиливается частотный сигнал, и коэффициент усиления микросхем зависит от частоты, который может не обеспечить усиление сигналов до нужного значения, необходимого для дальнейшей обработки, дополнительно введен второй каскад усилителей. Построены они на микросхеме ББ2.1, резисторах Я8, Я10 и микросхеме ББ2.2, резисторах Я9, Я11 соответственно для рабочего и компенсационного (рабочего 2) каналов.

Сигналы, пройдя предварительные стадии усиления, поступают на фильтры, построенные на микросхеме ББ2.3, резисторах Я14, Я16, Я18, конденсаторах С9, С11 и микросхеме ББ2.4, резисторах Я15,

Я17, Я2 0, конденсаторах С10, С12 соответственно для рабочего и компенсационного (рабочего 2) ка-

налов. На данном этапе отсекаются все неинформативные сигналы других частотных диапазонов.

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная УБПИ

Широкополосные полосовые фильтры (ПФ) можно построить путем последовательного соединения ФНЧ и ФВЧ, либо резонансных ПФ. Построение широкополосных фильтров на основе ФВЧ и ФНЧ приводит к уменьшению числа элементов при 02/01 > 5, где 02, «1 - [9]. При 02/01 < 5 целесообразно объединить

резонансные ПФ. В предлагаемой конструкции УБПИ реализован ПФ.

Процесс затухания неинформативных сигналов можно проследить на рисунке 4.

Рисунок 4 - Данные осциллографа

Для проверки пропускной способности фильтров, настроенных на пропускание сигналов с частотой 1500±20 Гц, поочередно в схему подавались сигналы разной часты. Из рисунка 4 видно, что сигнал с частотой 1500 Гц проходит через фильтр без затуханий, а сигналы, заданные с частотой 1450 Гц и 1550 Гц соответственно, в начале и в конце осекаются.

Выделенные с помощью фильтров информативные сигналы в дальнейшем необходимо выпрямить, т.к. операцию деления микросхема БА5 выполняет только при входных сигналах постоянного напряжения. Выпрямление сигналов осуществляли с помощью микросхемы ББЗ.1, резисторов Я23, Я2 4, Я27, диодов

УБ1, УБЗ и микросхемы ББЗ.2, резисторов Я25, Я2 6, Я2 8, диодов УБ2, УБ4 соответственно для рабочего и компенсационного (рабочего 2) каналов (см. рисунок 3).

Для устранения постоянной составляющей погрешности (изгиб волокна, темновой ток, фоновая засветка) в конструкции ВОД предусмотрен компенсационный канал или ВОД строится по дифференциальной схеме. Шумы и помехи проходят те же стадии усиления в компенсационном (рабочем 2) канале, что и рабочий сигнал, а затем подаются на аналоговый сумматор, построенный на микросхеме ББ3.3, резисторах Я31, Я32, Я35 и вычитающее устройство, построенное на микросхеме ББ3.4, резисторах Я33,

Я3 4, Я3 6 сигналы (см. рисунок 3), сигналы с выхода которых соответственно равны:

ивых1_ Цк ,

ивых2_ Цр- Цк ,

где Цр, ик - напряжения рабочего и компенсационного (рабочего 2) каналов соответственно.

Дальнейшим преобразованием сигналов Цвых1 и Цвых2 является деление, т.е. Цвых2/ Цвых1, которое осуществляется на микросхеме БА5. Выходной сигнал снимается с выводов «Вых» и «ОУ».

На основании схемы электрической была проведена разводка печатной платы, которая представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Печатная плата

Опираясь на размеры печатной платы, был разработан корпус УБПИ, конструкция которого приведена на рисунке 6.

По изготовленным чертежам печатной платы, корпуса УБПИ, были изготовлены печатные платы и корпус УБПИ. В процессе сборки был произведен монтаж элементной базы на печатную плату согласно схеме электрической принципа (см. рисунок 3) и окончательная сборка всего УБПИ (рисунок 6). Питание микросхем осуществляется с помощью стандартного промышленного блока МДМ7,5-2В1515МУ, который преобразует напряжение ±27 В в напряжение питание питания микросхем ±15В. Подключение ВОД к УБПИ осуществляется посредством разъема Х1, снятие выходного сигнала и питание УБПИ осуществляется через разъем Х2.

Проведенные испытания УБПИ совместно с изготовленными ВОД подтвердили правильность принятых технических решений (рисунок 7).

Рисунок 7 - Фото УБПИ

Литература

1. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И Особенности применения источников и приемников излучения в волоконно-оптических сигнализаторах уровня // Информационно измерительная техника, экология и мониторинг // Науч. тр. - Вып. 7 (2005). - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - С.148-154.

2. Мухитдинов М.Н., Мусаев Э.С. Светоизлучающие диоды и их применение. - М.: Радио и связь,

1988.-80 с.

3. Белкин М.Е., Шевцов Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем. - М.: Радио и

связь. 1992. - 224 с.

4. Коган Л.Н. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 208 с.

5. Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства: Справ.

для гражданского применения / Под ред. Ушаковой. - М.: НТЦ "Информатика", 1991. - 100 с.

6. Гольдфарб И. С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздействии механических

нагрузок // Электросвязь. - 1980. - № 12. - С. 16-19.

7. Патлах А. Л. Влияние изгибов на параметры волоконных световодов // Светотехника. - 1986. -№ 4. - С. 8-10.

8. Пивкин А.Г., Гориш А.В., Бадеева Е.А. Анализ механической надежности волоконно-оптического

кабеля волоконно-оптических датчиков//Труды. Межд-го симпозиума "Надежность и качество", 26 мая -1июня 2003, Пенза - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та.- 2003.- С. 366-370.

9. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. США. 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е. Знамен-

ского. М., «Сов. радио», 197 4.