Интеллектуальные оптоэлектронные преобразователи перемещения на основе аналоговых оптомеханических сенсоров

Высокие требования к точности, надежности и экономичности управляющих и информационно-измерительных систем (ИИС) в SCADA – системах машиностроительных и энергетических комплексов создают предпосылки для активного внедрения интеллектуальных оптоэлектронных преобразователей перемещения (ОПП) с применением различных методов удаленного конфигурирования, автоматического контроля и коррекции инструментальных погрешностей [1-3].

В целом у этого класса преобразователей, отличающихся большим разнообразием, существует широкий спектр достоинств: высокая разрешающая способность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низкое энергопотребление, высокая устойчивость к эксплуатационным факторам, технологичность и низкая стоимость.

Наибольший вклад в интеллектуализацию ОПП вносит микроэлектроника, возможности которой позволяют максимально облегчить функциональную нагрузку и существенно упростить сенсорные оптомеханические узлы [4].

В этой связи важное значение приобретает защита удаленных сенсоров с передачей оптической информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) к электронному блоку от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, несанкционированного доступа к измерительным каналам.

В число последствий этих факторов входят: - искажение (до полной потери) инфор- мации, передающейся от сенсоров по ВОЛС к электронному блоку;

• -    потеря работоспособности сенсоров, ВОЛС и электронных блоков.

• -    рост энергопотребления вследствие деградации элементов, дефектов в ВОЛС, нарушения изоляции в электроцепях и т д.

С целью учета и реализации различных методов компенсации последствий воздействия указанных факторов авторами разработана математическая модель кодирующего сопряжения с волоконно-оптическим каналом передачи сигналов, структурные схемы и алгоритмы функционирования различных вариантов интеллектуальных ОПП, построенных на базе аналоговых оптомеханических сенсоров.

Структурная схема интеллектуального ОПП с аналоговыми оптмомеханическими сенсорами

Конструктивно ОПП выполняются в едином корпусе или разделены на два связанных между собой отдельных конструктивных блока: сенсор (датчик, первичный преобразователь) и электронный блок (вторичный преобразователь) [1, 3]. Сенсор устанавливается непосредственно на измеряемом объекте, функционирующем в жестких условиях эксплуатации. Сенсоры могут иметь корпусное или бескорпусное исполнение. В первом случае вал или шток ОПП сопрягается с объектом с помощью специальных муфт, во вто-

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ОПП с ВОЛС:

ИИ – источник излучения; Д – диафрагма; ЧЭ – чувствительный элемент (шкала) ; СчС – считывающая система; КС – кодирующее сопряжение ЧЭ и СчЭ; ОС – оптическая система; ФПУ – фотоприемное устройство; ПНК – преобразователь напряжения в код; К – контроллер; КУ – каналы управления командами контроллера; ВыхУ – выходное устройство; ВДФ – внешние дестабилизирующие факторы; ВнП – внутренние помехи; α – линейное или угловое перемещение; N _a – выходной код перемещения

ром – подвижная часть ОПП жестко совмещается с объектом и составляет с ним единое целое. Электронный блок выносится в комфортные условия эксплуатации с возможностью аппаратного контроля.

На рис. 1 показана обобщенная структурная схема ОПП с волоконно-оптической линией связи (ВОЛС) между сенсором и электронным блоком.

Световой поток Ф ₀ от источника излучения (ИИ) проходит через оптическое волокно и оптическую систему с диафрагмой к чувствительному элементу (шкале). Шкала совместно со считывающей системой, состоящей из одного или нескольких считывающих элементов (СчЭ), формирует один или несколько оптических сигналов Ф _{a j} ( j =1, 2,…), пропорциональных перемещению a. Далее световые лучи по ВОЛС направляются на фотоприемное устройство (ФПУ), в котором из них получаются аналоговые электрические сигналы, пропорциональные измеряемой величине. Электрические сигналы в ПНК (многоканальном или одноканальном с коммутацией входных сигналов) преобразуются в цифровой код и после алгоритмической обработки в контроллере поступают в выходное устройство, подключенное к входным каскадам системы управления.

В качестве ИИ обычно применяются микроминиатюрные лампы накаливания со световым потоком Ф =0,12…2,4 Лм, а также светодиоды и полупроводниковые лазеры с мощностью излучения Р_и =1…50 мВт [1- 5].

Выбор ИИ определяется, в основном, длиной и параметрами ВОЛС, площадью и рисунком профилированных поверхностей диафрагм, модулирующих масок сенсоров и СчЭ, линейностью характеристик пропускания ВОЛС и чувствительности ФПУ, информационной емкостью ОПП и др. [1, 3].

Из ВОЛС наиболее широкое применение получили одно- и многомодовые волокна с центральной длиной волны пропускания l0= 850/1300/1550 нм [1-3, 5, 6]. Подвод и отвод светового потока от сенсора осуществляется посредством фоконов, фоклинов, граданов, микролинз и т.д. [1, 3].

Шкала, как правило, представляет собой оптически непрозрачную пластину с нанесенной на нее тем или иным способом оптически прозрачной маской. Рисунок маски в соче- тании с алгоритмом расстановки и рисунками профилирующих поверхностей диафрагмы и СчЭ позволяет при перемещении шкалы однозначно идентифицировать направление и значение углового, линейного или многокоординатного перемещения. На рис. 2 показа- ны некоторые типы рисунков масок аналоговых однокоординатных шкал оптомеханических сенсоров (ОМС).

Самый простой вариант однокоординатной аналоговой маски шкалы (рис. 2,а) представляет плавно расширяющуюся оптически прозрачную дорожку, сопряженную с находящимися в одной плоскости диафрагмоαй и СчЭ. Оптический сигнал Φα ≈ Φ0 sin β , b где α = 0 α ; a - диапазон измерения. С це-

а)

Ф 0

б)

Рис. 2. Варианты однокоординатных масок чувствительных элементов ОПП:

а – аналоговая маска преобразователя линейных перемещений; б – квантованная маска преобразователя угловых перемещений; в – ступенчатая маска, реализующая многоуровневую цифровую амплитудную модуляцию с перемежением и помехоустойчивым кодированием

U ПНК

Квант 3

Квант 5

Квант1

Квант 2

Квант 4

α

в)

лью повышения точности и стабильности преобразования маска может выполняться в виде равномерно квантованной шкалы (КШ) из оптически прозрачных и непрозрачных участков с периодом a0 при ширине диафрагмы и СчЭ ад=ас=a0 /2 (рис. 2,б). В этом случае для идентификации направления перемещения внутри периода a0 требуется введение дополнительного СчЭ, смешенного относительно первого на расстояние (k +1 / 4)a0, где k=1,2,... , а для определения значения a во всем диапазоне перемещения – ввести реверсивный счетчик квантов [1]. Маска, реализующая амплитудную цифровую модуляцию, похожа на аналоговую, отличаясь ступенчатым изменением рисунка по всей шкале перемещения, либо в пределах кванта (рис. 2,в). В этом варианте возможно применение методов, соответствующих перемеже-нию и помехоустойчивому кодированию, характерных для многоуровневых цифровых сигналов. Тогда маска приобретает форму с псевдослучайно изменяемой высотой ступенек и ширины квантов по законам, известным в электронном блоке. Возможны сочетания приведенных рисунков в одной маске, а также формирование массы других чертежей диафрагм, масок и СчЭ, позволяющих идентифицировать перемещение и, как дополнительная функция, корректировать погрешность преобразования, вызываемую дестабилизирующими факторами [1].

В фотоприемном устройстве преобразованные оптические сигналы усиливаются до уровня, позволяющего осуществлять их аналого-цифровое преобразование в ПНК, подключенном к контроллеру.

Контроллер в простейшем варианте выполняет функции определения направления и значения перемещения по алгоритму, соответствующему схеме КС.

В интеллектуальных ОПП в функции контроллера входит:

передача в систему управления текущего значения перемещения и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм;

уменьшение искажений измерительной информации на пути от сенсоров к электронному узлу (ЭУ);

увеличение надежности измерения благодаря диагностике сенсоров, ВОЛС и элементов ЭБ;

построение мультисенсорных многофункциональных датчиков;

хранение значений измеряемой величины в памяти контроллера за заданный интервал времени с целью дальнейшего анализа работоспособности ОПП;

выбор диапазона измерения и информационной емкости сенсоров;

программирование ОПП для реализации алгоритмов измерения.

Для определения возможности интеллектуализации ОПП с аналоговыми сенсорами целесообразно исследовать математическую модель сенсора в совокупности с ВОЛС ввода и вывода светового потока.

Математическая модель аналогового сенсора с ВОЛС

Световой поток на входе фотоприемно-го устройства является функцией нескольких основных аргументов без учета квантовых шумов ИИ и шумов в ФП:

Фa= Ф0 f(Кa ,d)w1w2w3w4 , (1) где Ф0 – световой поток, формируемый ИИ; Кa – коэффициент изменения площади при перемещении a объекта, определяемый площадью геометрической проекции чертежей диафрагмы и маски на поверхности СчЭ; d – расстояние между шкалой и СчЭ; w1, w2, w3, w4 – коэффициенты передачи участков волок- на от ИИ до сенсора, от сенсора до фотоприемника, оптической системы сенсора и материала шкалы соответственно.

Практически все аргументы в (1), по разным причинам медленно или быстро, случайно или детерминированно изменяются во времени, а также в большей или меньшей степени зависят от температуры, давления, запыленности и других внешних эксплуатационных факторов (ВЭФ). Например, среднее значение светового потока от ИИ и коэффициентов передачи w1…w4 медленно уменьшается по экспоненте вследствие деградации материалов и загрязнения открытых участков оптических элементов. Изменение расстояния d определяется параметрами виброударных воздействий на сенсор, температурными перепадами.

Если маска состоит из квантованных участков, то необходимо учитывать погрешность дифракции и пространственного квантования. Искажения оптических сигналов в каналах связи обусловлены погрешностями стыковки волокон с оптическими элементами сенсора, ИИ и ФПУ.

Затухание в волокне обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне [3-6]:

• -    рэлеевское рассеяние на неоднородностях материала ОВ ( x_р );

• -    рассеяние на конструкционных дефектах волокна ( x_кд );

• -    собственное поглощение кварцевого

стекла ( x_п );

• -    примесное поглощение ( x_пр );

• -    поглощение на микро и макроизгибах

( x_и );

• -    френелевское отражение ( x_о );

• -    флюоресценция ( x_ф );

• -    рассеяние Рамана, Брюллюэна ( x_РБ ).

В общем случае сигнал на выходе ОВ определяется выражением [6]

Г обйа= Оа-exp -LX- ,

V i = 1 7

где L – длина волокна; xi – коэффициенты за- тухания, которые могут иметь довольно сложную функциональную зависимость [1, 3, 4-7]. При удаленном сборе информации волокно может существенно ослабить аналого-

α

x

y

Y

Шкала

b

Ф 0

df

fo , квi- 1

Ω квi+

Ф с

d=d 0 + Δ d

X

Y

Ω СчЭ

p(X,x,Y,y )

b d

Рис. 3. Схема прохождения параллельного светового пучка через квантованную шкалу ОМС

вый сигнал, что без принятия специальных

мер приводит к резкому снижению достоверности информации.

Независимо от геометрической формы

элементов кодирующего сопряжения, световой поток на выходе k -го СчЭ определяется

выражением [1]

O_{a k}= O_QK_a = O.   ^a

α k      0 α 0          ,

^ max

где Ф ₀ – световой поток на входе диафрагмы; W _a – геометрическая область прозрачности системы “диафрагма-шкала-СчЭ”, обра-

зуемая при перемещении объекта; W _max – об-

ласть, соответствующая максимально

возможному совмещению чертежей масок шкалы и k -го СчЭ с чертежом диафрагмы.

В общем случае область пересечения

всех опорных областей равна

^ « = П ^ p = { « ( x, y, ^a ) = K to p ( x, y, a ) > 0 } , (4)

где to_p ( x , y , a ) - предикаты, формализующие область светового пятна на профилированной

поверхности СчЭ, редуцируемого в волокно

z

Z

и направляемого далее на чувствительную поверхность фотоприемника.

Количество и параметры опорных областей при отсутствии инструментальных погрешностей зависят от формы диафрагмы, СчЭ и маски ОМС, значения параметра перемещения a .

Если сенсор включает равномерно квантованную шкалу (КШ) из оптически прозрачных и непрозрачных участков, то реальные

геометрические размеры квантов, как правило, соизмеримы с расстоянием d от шкалы до СчЭ и намного больше нижней границы l _н спектра излучения (рис. 3).

Комплексная амплитуда U _p волны в точке Р наблюдения [1, 7]:

U = kU ( x, y, z ) ^Rd p       2πiR e n

Р

где R = ^ ( X - x ) 2 + ( У - y ) 2 + ( Z - z ) 2 , X, Y Z — координаты точки р наблюдения на плоскости

P считывания,

a

a

-—

2 ^x 2^;

bb

< y <

2       2;

z = 0; x, y, z - координаты точек волновой поверхности; U(x, y,z) – амплитуда световой волны на одном из отверстий шкалы, через которое проходит световой поток, df_n – проекция элемента площади волновой поверхности на плоскость СчЭ, перпендикулярную направлению волнового вектора k . Если считать, что U = U0 = const и Z = d, т.е. если плоская волна падает нормально к плоскости отверстия КШ, то имеет место дифракция Френеля, а амплитуда дифрагированной волны

U = U x p 2πi a2 b2 exp (ik^(X — x)2 + (Y — У)2 + d2)       (6)

x ---\—'-dydx

-v -/    V(X - x)²+ (Y - У)²+ d²

Интенсивность света на поверхности СчЭ [1, 3]:

Ip(^x, У, d =

U_p(x, y,d)

4-.J[c(X+)+C(X_)] +[s(X+)+5(X_)] lx

x][C(i+)+C(Y_)]²₊[S(Y?₊)+5<>■’ ) 2

где

v2

C(v) = [cos| nt- |dt, 5(v) = [si 0    I 2 )0

^nt sin --- dt_-

< ²?

интегралы Френеля.

Функция считывания профилирующей поверхностью СчЭ определяется интегралом:

H(Xd) = J ф(X, Y) • Ip (X, Y, Z)dsn

Sd, где ϕ(X,Y) – функция распределения коэффициента передачи СчЭ по считывающей поверхности; dsn – проекция элемента площади СчЭ ds на плоскость, нормальную к направлению падения светового луча.

Исходное расстояние d₀ между диафрагмой и СчЭ и случайные вибрационные перемещения Δd шкалы (d=d₀+Δd) определяют форму и степень осцилляции оптического сигнала на выходе СчЭ. На рис. 4 показан пример визуализации информации о влиянии виброударных воздействий на погрешность преобразования перемещения α в пределах кванта α₀ при различных амплитудах d. Из графика видно, что погрешность имеет не-

Рис. 4. График зависимости Aa(a, d)

линейный характер, а диапазон осцилляций с ростом d увеличивается. Например, значение относительной погрешности, вызванной биениями шкалы вдоль оси Z, в16-разрядном ОПП доходит до 15% (потеря точности составляет 2…4 двоичных разряда в диапазоне перемещения α=0...50 мм). Это показывает, что такую погрешность необходимо учитывать и компенсировать при работе ОПП в жестких условиях эксплуатации. Для надежного (без опасности разрушения элементов) функционирования ОМУ начальное расстояние d0 выбирается из соотношения d0 > 2Admax . (8)

Коррекция погрешностей ОМС

Ряд погрешностей ОМС имеют доминирующий характер (перекосы и биения в направляющих, затухание и флуктуации светового потока), позволяя при расчетах пре небречь остальными. Для их учета и коррекции используются различные способыалгоритми-ческого и конструкционного характера [1].

Например, для коррекции погрешности Δα(α, d) в ОМУ вводится дополнительный измеритель расстояния между КШ и ИИ с вводом в ПЗУ контроллера поправок в код перемещения, полученных на этапе калибровки [8]. На рис. 5 изображен график зависимости Δα(α) при d =const до (линия 1) и после (линия 2) ввода коррекции.

В приведенном в качестве примера ОПП (n=16, a=0...50 мм) при оцифровке параметра d в 128 позициях максимальное значение относительной погрешности снижается с 11

Рис. 5. Погрешность функции отклика: без автокоррекции (линия 1), с автокоррекцией (линия 2)

до 2% (Δa_max=2 мкм), что позволяет получить 14 достоверных разрядов кода перемещения.

В основу построения ОМУ преобразователя, представленного на рис. 6, положена шкала, на которой выполнены две оптически прозрачные дорожки: автокалибрующая (АКД), и измерительная (ИД). Световой поток от источника излучения (ИИ) подается на ОМУ по одножильному оптическому волокну. Ширина АКД соответствует, как вариант, единице младшего разряда кода перемещения после аналого-цифрового преобразования сигнала U_a от ИД с учетом обеспечения заданного отношения сигнал/шум. Тогда при n=8 ширина ИД по диапазону измерения или кванту шкалы линейно изменяется от b_ИДmin = b_АКД до b_ИДmax=b_АКД(2ⁿ+1)=65 b_АКД.

Фактическое значение b_АКД определяется из соотношений для амплитудно-кодовой модуляции, соответствующей преобразованию аналогового сигнала в цифровой код с допустимой вероятностью погрешности квантования в ПНК р_q, равной вероятности ошибки р_е=10^-7...10^-9 при передаче цифровых посылок по линиям связи [5, 6]. При этом необходимо учитывать удаленность L сенсора, параметры оптического волокна, ИИ, ФПУ, геометрию СчЭ, квантов КШ и ряд других характеристик [1, 5].

Алгоритм управления коэффициентом усиления k_у нормирующего усилителя (НУ) основан на сравнении усиленного сигнала U_АКД с выхода канала АКД с амплитудой U_МР младшего разряда ПНК в период подключения ФП через коммутатор (К) к каналу АКД. Любое изменение k_у, обусловленное зависимостью

(1), приводит к появлению сигнала рассогласования ΔU=U_АКД-U_МР, которое подается в канал обратной связи НУ. Путем автоподстройки k_у достигается значение ΔU=0. Такой алгоритм позволяет выставлять начальное значение светового потока от ИИ Ф₀<Ф_{0 max} и увеличивать его посредством схемы управления ИИ (СУИИ) при достижении максимально допустимого значения k_у, что может существенно увеличить срок эксплуатации преобразователя до замены ИИ или ЭБ в целом.

Для выявления и регистрации несанкционированного отъема информации, а также ситуаций, связанных с выходом из строя оптических и оптоэлектронных элементов, к схеме сравнения (СС) подключен решающий элемент (РЭ), фиксирующий в момент времени t+T резкое изменение ΔU и, соответственно, Δk_у :

А ^кУ = |ky, - ^kyt + _Г| >A kydon , где Т – период считывания сигнала.

С целью повышения энергетической эффективности ЭБ, а также для возможности спектрального уплотнения сигналов в одножильном волокне, светопропускающие слои шкалы выполняются из узкополосных интерференционных светофильтров (УИС) [9]. Сигналы с выхода ОВ поступают на оптический демультиплексор (ОДМ). Если в ОДМ используется перестраиваемый УИС, то он может по командам от контроллера выполнять коммутирующие функции при подключении к ПНК через общий для всех каналов ФП [10]. Это позволяет применить простую одноканальную схему нормирующего усилителя (НУ) сигналов

Рис. 6. Структурная схема ОПП с автоподстройкой коэффициента усиления информационного сигнала

Рис. 7. Влияние перекоса шкалы из двух профилированных УИС на форму оптических сигналов с выхода ФП для согласования с ПНК. На рис. 7 показана аналоговая шкала из двух УИС, в которой уменьшение светового потока Фl1 сопровождается увеличением Фl2. Перекос g шкалы относительно линии считывания приводит к изменению значений А Фа = ФХ1 (а)- Фх 2 (а) и Фе = Фл1 (а) + Фх 2 (а), которые можно учесть в контроллере с целью внесения коррекции на соответствующую перекосу величину погрешности кода перемещения.

Спектральное уплотнение посредством УИС создает возможности для построения мультисенсорных ОПП (МОПП) с различными схемами подвода и отвода светового потока от сенсоров. При этом сбор информации может производиться в ждущем режиме. В этом случае применяется неэквидистантный метод уплотнения сигналов, существенно разгружающий канал связи при сохранении заданного уровня достоверности информации [11]. На рис. 8 представлена построенная по данному алгоритму структурная схема интеллектуального МОПП.

Преобразователь включает N сенсоров, каждый из которых работает на одной (l_i) или группе (l_i1, l_i2,…, l_iM) волн. Сигналы сенсоров через ОДМ, ФПУ и коммутатор (К) поступают в ПНК, где преобразуются в цифровые коды, разрядность которых определяется параметрами чувствительности и диапазонами измерений. Особенностью алгоритма МП является адаптированность к скорости и ускорению перемещения с учетом заданных

Рис. 8. Мультисенсорный ОПП со спектральным разделением каналов критериев. В этом случае задаются требуемые параметры устанавливаемых перемещений для каждого режима, скорость и ускорение процессов выхода на режим с соответствующими допусками. Для “обучения” МП в ОЗУ вводятся значения параметров в контрольных точках в процессе эталонного выполнения режимных операций.

Заключение

В интеллектуальных ОПП (ИОПП) с аналоговыми оптомеханическими сенсорами большинство функций преобразования и цифровой обработки информационных сигналов, алгоритмическую реализацию коррекции погрешности преобразования целесообразно переносить на вынесенный посредством ВОЛС электронный блок [1-3, 6, 8-11]. С учетом ограничений на передачу по ВОЛС аналоговых оптических сигналов, компромиссное решение заключается в использовании квантованных шкал и ступенчатых масок по принципу многоуровневой амплитудной модуляции, спектрального кодирования и уплотнения оптических сигналов посредством узкополосных интерференционных светофильтров. С ростом количества сенсоров существенно повышается энергоэффективность ИОПП. При этом, по своим характеристикам мультисенсорные ИОПП плотно приближаются к специализированным информационно-измерительным системам, нередко превосходя их по функциональным возможностям.