Интегрированная система обработки сигналов бинарных волоконно-оптических датчиков

Самарский государственный аэрокосмический университет

Сформулирована идея объединить сигналы, получаемые от волоконно-оптических датчиков различных физических величин в одну интергированную систему. В зависимости от характера объекта и местонахождения оператора предлагается применять параллельную и последовательную систему обработки сигналов. Рассмотрены энергетические диаграммы, поясняющие принцип работы системы. Предлагаемые решения могут быть использованы в процессе контроля за состоянием сложных промышленных объектов.

Волоконно-оптические датчики различных физических величин в последнее время широко используются в промышленности [1, 2, 3]. Во многих случаях достаточно зафиксировать только предельные (граничные) состояния измеряемого параметра. В этом случае применяются бинарные волоконнооптические датчики [4]. Выходные оптические сигналы бинарных датчиков сигнализируют о том, что достигнуто некоторое граничное значение измеряемого физического параметра – механического перемещения, уровня вибраций, температуры. Сигналы датчиков целесообразно интегрировать в единую систему сбора и обработки измерительной информации на основе компонентов волоконной оптики. Предлагается рассмотреть два вида систем, обрабатывающих сигналы, получаемые с бинарных волоконно-оптических датчиков.

Система устройства параллельной обработки информации изображена на рис. 1.

В нее входит источник опорного напряжения 1, излучатель 2, первый оптический разветвитель 3, бинарные волоконно-оптические датчики (БВОД) 4 -7, второй оптический разветвитель 8, фотоприемник 9 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10. Напряжение с выхода источника опорного напряжения 1 задает ток накачки излучателя 2 и, соответственно, уровень оптической мощности на его выходе. С помощью передающего оптического волокна излучение подводиться к первому оптическому разветвителю 3, в котором делиться на четыре равных по мощности потока, поступающих на входы четырех. БВОД 4 - 7. Каждый из датчиков находиться в одном из двух устойчивых состояний. В первом состоянии коэффициент передачи датчика равен нулю, во втором – определяется выбранным законом кодирования. Закон кодирования должен отвечать двум основным требованиям. Во-первых, обеспечивать однозначное преобразова-

Рис.1. Система обработки сигналов бинарных датчиков параллельного типа

ние оптических логических сигналов в аналоговую (квантованную) форму. Во-вторых, он должен быть энергетически оптимальным. Этим требованиям удовлетворяет закон цифро-аналогового преобразования с естественным порядком весов, когда высокий логический уровень каждого последующего сигнала в два раза меньше уровня предыдущего. Если пронормировать сигналы по мощности и принять уровень высокого логического сигнала БВОД 4 равным единице, на выходе БВОД 5 он будет равен 1/2, на выходе БВОД 6 он будет равен 1/4, на выходе БВОД 7 он будет равен 1/8.

Сигналы с выходов БВОД 4 - 7 складываются по мощности во втором оптическом разветвителе 8. Полученный суммарный сигнал по приемному оптическому волокну поступает на вход фотоприемника 9, где преобразуется в электрическую форму. АЦП 10 преобразует аналоговый электрический сигнал в цифровой 4-х разрядный параллельный код. Значение этого кода отображает логическое состояние каждого бинарного датчика. Систему целесообразно применять в случае, когда оператор или автоматизированная система управления находятся на значительном расстоянии от наблюдаемого объекта.

Идеализированные энергетические диаграммы, поясняющие принцип работы системы, изображены на рис.2.

Диаграммы построены без учета потерь в волоконно-оптических компонентах, их соединениях и разброса потерь в каналах

Рис. 2. Энергетические диаграммы сигналов в системе параллельного типа оптических разветвителях. Цифры означают выход соответствующего элемента, высота прямоугольника под цифрой – нормированный уровень оптической мощности на выходе этого элемента.

Система обработки сигналов бинарных волоконно-оптических датчиков последовательного типа изображена на рис. 3.

В ее состав входят источник опорного напряжения I, излучатель 2, четыре БВОД 3 -6, фотоприемник 7 и функциональный аналого-цифровой преобразователь 8.

Напряжение с выхода источника опорного напряжения 1 задает ток накачки излучателя 2, которым определяется уровень оптической мощности на его выходе. Излучение вводится в передающее оптическое волокно и поступает на вход первого БВОД 3. Датчики соединены последовательной оптической связью, поэтому их коэффициенты передачи должны принимать значения 1 или k_i где 0 <  k_i < 1.

На выходе последнего БВОД 6 формируется аналоговый (квантованный) оптический сигнал, определяемый произведением коэффициентов передачи

n

^=П k^.

i = 1

где j = 0,1,2, ... , m -1 ; д_ji –символ Кронекера второго ранга [4].

По приемному оптическому волокну этот сигнал поступает на вход фотоприемника 7, где преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал. Функциональный АЦП 8 преобразует этот сигнал в 4-х разрядный двоичный код, в котором значение каждого разряда совпадает с логическим состоянием соответствующего ему датчика.

Использование функционального АЦП вместо обычного (линейного) АЦП связано с нелинейным характером зависимости уровня оптического сигнала на входе фотоприемника 7 от комбинаций логических состояний БВОД 3…6. На идеализированных (построенных без учета потерь в волоконно-оптических компонентах) энергетических диаграммах поясняется принцип работы устройства (рис. 4).

Систему целесообразно применять в случае, когда контролируемые элементы объекта распределены в пространстве, а оператор

Рис. 3. Система обработки сигналов бинарных датчиков последовательного типа или автоматизированная система управления находятся внутри рабочего пространства объекта.