CC BY
79
Серебряков Д.И. , Пивкин А.Г., Мурашкина Т.И. , Носов ОПТИЧЕСКИЙ ТЕСТЕР
При разработке и изготовлении волоконно-оптических датчиков (ВОД) существует проблема, связанная с отсутствием необходимого измерительного оборудования, в частности оптического тестера с требуемыми характеристиками. Большинство ВОД построено по дифференциальному типу [1] или имеют в своем составе компенсационный канал [2] и для их изготовления необходим оптический тестер, имеющий один оптический выход и два оптических входа, причем который мог бы работать как с единичным ОВ, так и с о жгутами волокон, скомпонованных по определенному алгоритму. Тем самым на стадии настройки, исследования ВОД, ОВ можно заранее получить требуемое значение уровней оптического сигнала.
Существующие оптические тестеры имеют недостатки: работают только с единичным ОВ с диаметром
0,125 мм, имеют только один оптический выход и один оптический вход, отсутствует возможность изменения значения питания источника излучения (ИИ), в качестве которого обычно используется полупроводниковый светодиод инфракрасного излучения.
Отсутствие подобного оборудования сказывается на процессе настройки, при изготовлении ВОД, процесс получается сложный и длительный, а конечный результат может быть отрицательным. В этой связи поставлена актуальная задача создания оптического тестера, отвечающего вышеупомянутым требованиям.
Авторами предлагается конструкция оптического тестера, внешний вид которого приведен на рисунке 1.
аПТИБХИЙ ТЕСТЕР
даааааав
о— (ду
1 канал
о—(5W
2 канал
6
7
х8
1 - корпус; 2 - оптический выход (источник излучения); 3, 4 - оптический вход 1-го и 2-го ка-
нала соответственно (приемники излучения); 6 - кнопка переключения режимов измерения; 5 - индикаторное табло; 7 - кнопка установки нуля; 8 - ручка регулирования мощности излучения ИИ Рисунок 1 - Внешний вид оптического тестера
Принцип действия оптического тестера следующий. Предположим, что к тестеру подключен ВОД дифференциального типа. При подаче напряжения на ИИ последний излучает оптический сигнал Фо, который поступает на вход подводящего оптического волокна (ПОВ) через разъем Р1 и подается в зону измерения, т.е. на чувствительный элемент (ЧЭ) ВОД (рисунок 2) . При воздействии на ЧЭ ВОД измеряемой физической величины I 1х происходит изменение интенсивности оптического сигнала Ф0 пропорционально измеряемой величине, т.е. происходит модуляция сигнала. Так как на рисунке 2 представлен ВОД дифференциального типа, поэтому часть световой потока Ф±^х) промодулированная в функции контролируемого параметра Их, поступает в отводящие оптические волокна (00В1к) первого канала, а часть световой потока Ф2 ( х) - в 00В2к второго канала. Так как измерительные каналы ВОД дифференциального типа изготавливаются идентичными друг другу, изменения Ф1 ( х) , Ф2(Мх) пропорциональные, но с противоположенными знаками.
Рисунок 2 - Структурная схема подключения ВОД к оптическому тестеру
По ООВ1к, ООВ2к световой поток направляется на приемники излучения (ПИ) 1-го и 2-го каналов соответственно. Соединение ООВ1к, ООВ2к с ПИ1к и ПИ2к происходит с помощью разъемов Р2 и Р3 соответственно. TIHiK и ПИ2к регистрируют оптические сигналы и преобразуют в напряжение Ui(Ix) и U2 (Шх) соответственно 1-го и 2-го каналов.
При обработке сигнала с ВОД для улучшения метрологических характеристик целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе 1-го и 2-го каналов к их сумме. В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов волоконно-оптического кабеля, изменения мощности излучения ИИ и чувствительности ПИ, т.к. данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в двух каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов [3]. Поэтому в разрабатываемом тестере один из режимов измерения осуществляет именно такое преобразование сигналов.
В этом случае на индикаторном табло тестера формируется значение, определяемое следующим выражением [Ui( х) - U2 (I lx) ] / [Ui ( х) + U2(llx)].
Данный режим работы тестера также подходит для настройки и исследования ВОД, имеющих в своем
составе компенсационный канал.
В силу специфики конструкций ВОД некоторые из них имеют одно подводящее и одно отводящее оптические волокна, т.е. в оптическом тестере предусмотрен режим работы только одного канала: либо 1го, либо 2-го канала. Данный режим позволяет проанализировать сигналы каждого из каналов ВОД дифференциального типа, ВОД с компенсационным каналом.
На основании вышесказанного была разработана электрическая схема оптического тестера, приведенная на рисунке 3.
Питание тестера осуществляется напряжением ~220 В, которое с помощью трансформатора преобразуется в напряжение ~15 В. С помощью диодов VD4, VD5 и конденсаторов С9, С10 происходит преобразование ~15 В в напряжение ±15 В, которое в последствии с помощью интегральных стабилизаторов
напряжения DA3, DA4, DA5, конденсаторов С11, С12, С13 и резисторов R2 4, R25, R2 6 преобразуется в
напряжения U1, U2, U3. Данные напряжения используются для питания операционных усилителей DA1,
DA2 микроконтроллера DD1, дешифратора DD2 и светодиода VD3.
Питание светодиода VD3 осуществляется постоянным напряжением и1, через токозадающие резисторы R22, R23. Регулировка мощности излучения светодиода VD3 осуществляется с помощью переменного резистора R23. Для достижения положительного результата при настройке ВОД, в тестере применяется светодиод VD3 того же типа, что и ВОД.
і л. а
FJ10,25A □
va,vüz
_т_
і
<Zss MCJ RC
— FC2
т RC
— RC
R0 RC
RA1 RC
RA2 RC
RA3
RA4 FB0
RA5 R1
RB2
RB3
СЮ RB4
FB5
FB6
OC R7
X
Т
X0
X1 VC 0
X2
F1
E2
F3
Л+J
х0Z 7
R23* - регулщхша мщнхт шлченя
Рисунок 3 - Схема электрическая оптического тестера.
Световые потоки, поступившие на фотодиоды VD1, VD2 соответственно 1-го и 2-го каналов тестера, обрабатываются с помощью интеграторов, построенных на операционном усилителе DA1, конденсаторе С1, резисторах R1, R2, R3, R4 и усилителе DA2, конденсаторе С2 , резисторах R5, R6, R7, R8. Для сглаживания пульсаций предусмотрены конденсаторы С3, С4 соответственно 1-го и 2-го каналов тестера. Сигналы с интеграторов 1-го и 2-го каналов тестера поступают на входы RAO, RA1 микроконтроллера DD1 соответственно, где обрабатываются согласно алгоритму заложенной программы. Питание микроконтроллера DD1 осуществляется напряжением U1, через вход Vdd, для сглаживания пульсаций используется конденсатор С7. Сброс микроконтроллера DD1 происходит по приходу низкого логического уровня сигнала на вход MCLR. С помощью кварцевого генератора BQ 1,4 МГц и конденсаторов С5, С6 задается тактовая частота микроконтроллера DD1 по входам OSC1, OSC2. Выбор режимов работы микроконтроллера DD1 осуществляется через вход RŒ с помощью переключателя SB1 и резисторов R10, R20, которые формируют значение управляющего сигнала. Установка нуля происходит посредством переключателя SB2 и резисторов R11, R21, которые формируют значение управляющего сигнала на входе RС7 микроконтроллера DD1. В качестве микроконтроллера DD1 может быть использован PIC16F87 3-2 0I/SP.
Для управления девяти разрядным сегментным индикатором HG1 в схеме задействованы дешифратор DD2 (в качестве которого может быть использован К55ИД7) и выходы RС0-RС2, RBO- RB7 микроконтроллера DD1. Питание дешифратора осуществляется напряжением U1, через вход +U.
Выходы RС0-RС2 микроконтроллера DD1 выдают двоичный код, который поступает на входы Х0-Х2 дешифратора DD2 и в зависимости от кода на выходах 0-1 дешифратор DD2 формируются управляющие сигналы, которые поступают на индикатор HG1 и включают соответствующий разряд индикатора. При этом первый разряд индикатора (слева) предназначен для индикации режима работы тестера (дифференциальная схема включения, работа 1-го канала, работа 2-го канала). Второй разряд индикатора не используется (пробел). Остальные шесть разрядов индикатора предназначены для индикации значений сигналов поступивших на фотодиоды VD1, VD2.
Совместно с управляющими сигналами с дешифратора DD2, на индикатор HG1 поступают управляющие сигналы с выходов RB0 - RB7 микроконтроллера DD1, через токозадающие резисторы R12 - R19, которые определяют комбинацию включения сегментов в разрядах индикатора, в зависимости от сигналов, поступивших на фотодиоды VD1, VD2 и обработанных согласно алгоритму заложенной программы в микроконтроллере DD1. Индикация происходит в динамическом режиме. Выбранная тактовая частота следования импульсов делает мигание разрядов не заметным.
Таким образом, в предлагаемой конструкции оптического тестера реализовано схемное решение, обеспечивающее необходимые режимы его работы, использование которых при изготовлении ВОД на этапах настройки и контроля позволят получить выходной сигнал достаточный для дальнейшего использования в волоконно-оптических линиях сбора данных или электроном блоке преобразования информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пивкин А.Г. Развитие теории дифференциального преобразования сигналов в волоконнооптических преобразователях // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 200 6. -
№8. - С. 4 2-4 4
2. Серебряков Д.И., Карасев Н.Я. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости// Датчики и системы. - 2005. - №10. - С.14-16
3. 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.
Канал 1
Канал 2
- J3
15 В
