CC BY
434
БростиловаТ. Ю., БростиловС.А., МурашкинаТ.И.
Пензенский государственный университет
УНИФИЦИРОВАННЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ молодым ученым МК- 946.2011.8
Функционирование электрической части дифференциального ВОД рассматривается с учетом схем электрических согласующего устройства (рисунок 1) и блока преобразования информации (рисунок 2).
Рассмотрим схемы электрической принципиальной согласующего устройства дифференциального ВОД отражательного типа
В качестве источника излучения (ИИ) применяется светодиод 3Л119Б (или 3Л107Б), в качестве приемников излучения (ПИ) применяются фотодиоды КФДМ.
Через контакты 3 и 6 разъема Х1 источник инфракрасного излучения VD1 запитывается напряжением постоянного тока.
разъем Х1 - розетка СНЦ 13-10/10Р-11-В;VD1 - светодиод 3Л119Б (или 3Л107Б);
VD2, VD3 - фотодиод КФДМ
Рисунок 1 - Электрическая схема согласующего устройства ВОДД
Часть светового потока источника излучения VD1, претерпевшего определенные преобразования в пространстве волоконно-оптического преобразователя, поступает на фотодиод первого измерительного канала VD2. Другая часть светового потока источника излучения VD1, претерпевшего определенные преобразования в зоне волоконно-оптического преобразователя давления, поступает на фотодиод второго измерительного канала VD3.
Фотодиоды VD2 и VD3 работают в диодном режиме и питаются соответственно через контакты 1, 7 и
5, 8 разъема Х1 постоянным напряжением 20 В.Описание схемы электрической принципиальной блока
преобразования информации дифференциального ВОД отражательного типа.
В ВОПЛП и ВОПУП отражательного типа происходят большие потери мощности оптического сигнала. При использовании широко распространённых элементов - инфракрасного светодиода 3Л119Б (или 3Л107Б) (мощность излучения не менее 10 мВт) и фотодиода КФДМ (или ФД256) - рабочие значения фототока в экспериментальной установке находились на уровне от единиц до нескольких десятков наноампер. Поэтому при разработке принципиальной электрической схемы фотопреобразователя основным учитываемым фактором было малое ожидаемое значение фототока.
Фотодиоды могут использоваться в трёх режимах работы: фотодиодном, когда ФД работает при об-
ратном напряжении смещения, режиме короткого замыкания, когда на ФД поддерживается нулевое напряжение независимо от интенсивности регистрируемого светового потока (ФД - генератор тока), и фотовольтаическом, когда ток через ФД равен нулю (ФД - генератор напряжения). Для первых двух режимов характерна линейная зависимость между фототоком и мощностью оптического сигнала (энергетическая характеристика) более, чем на 6 порядков [Л]. Но в фотодиодном режиме в отсутствие светового потока через фотодиод протекает темновой ток (ток утечки), который к тому же изменяется с изменением температуры. Для фотовольтаического режима характерна нелинейная связь между фото э.д.с. и мощностью оптического сигнала. Для нашего случая единственно возможным режимом работы фотодиода является режим короткого замыкания, который обеспечивается подключением фотодиода к преобразователю ток - напряжение. Простейшая схема такого включения представлена на рисунке 2.
Считая операционный усилитель (ОУ) идеальным, получим, что выходное напряжение в статике определяется выражением
ЦВых = -1фЯ. (1)
Малое значение входного сигнала, находящегося на уровне темновых токов фотодиода, предопределяет, что используемый ОУ должен иметь полевые транзисторы на входах и характеристики, близкие к характеристикам идеального ОУ:
- малый входной ток Тех (на уровне долей наноампера);
- малое значение входного напряжения смещения Цсм (на уровне единиц микровольт);
- малые значения температурного дрейфа параметров;
- высокое значение коэффициента усиления (порядка нескольких десятков миллионов).
Подобные характеристики могут обеспечить только усилители с преобразованием медленно изменяющегося входного напряжения в переменное напряжение с последующим усилением и фазочувствительным выпрямлением усиленного напряжения. Такие усилители называют усилителями МДМ (модулятор - демодулятор) . Они выпускаются и в интегральном исполнении. Но серийные ОУ не позволяют построить фотопреобразователь с требуемыми характеристиками на одиночном ОУ в основном из-за недостаточного коэффициента усиления. При больших уровнях фототока (десятки...сотни наноампер) можно построить фотопреобразователь на одном ОУ (например, типа 140УД24 или 140УД 21).
Преобразователь «фототок - напряжение» разработан на основе прецизионного усилителя МДМ предусилителя 140УД13.
Принципиальная схема преобразователя представлена на рисунке 3
Рисунок 3 - Фотопреобразователь. Схема электрическая принципиальная
Собственно микросхема 140УД13 имеет небольшие значения коэффициента усиления (порядка 10.30). Основное её назначение - модуляция входного и демодуляция усиленного сигналов, а также обеспечение требуемой функции преобразования ВОД.
Основное усиление обеспечивают два дополнительных ОУ, конструктивно находящихся в одном корпусе (например, микросхема КМ140УД20). На первом дополнительном ОУ DA2.1 реализован усилитель переменного напряжения. Конденсаторы С2 и С3 являются разделительными, а коэффициент усиления каскада определяется отношением номинала резистора R1 к значению эквивалентного выходного сопротивления ОУ DA 1. Паспортное значение ЯВЫх - не более 10 кОм, реальные значения - в 2.3 раза меньше паспортного. Поэтому коэффициент усиления этого каскада будет находиться в пределах 100.300.
Ключевой полевой транзистор микросхемы 140УД13, подключенный стоком к выводу 5, образует совместно с конденсатором С3 и резистором R5 фазочувствительный детектор. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в качестве фильтра низких частот (ФНЧ) используется активный интегратор - ОУ DA2.1 с конденсатором С5 в цепи отрицательной обратной связи и входным резистором R6. При постоянном входном напряжении на интервале времени интегрирования, стремящемся к ~, выходное напряжение интегратора также стремится к ~ . То есть для низкочастотных сигналов (доли и единицы Гц) активный интегратор обеспечивает очень высокие значения коэффициента усиления, а общий коэффициент усиления по постоянному току всех трёх ОУ, не охваченных общей отрицательной обратной связью,
-1 п8
превышает 10 .
Резистивной цепью R2, R3, R4 в цепи общей отрицательной обратной связи задаётся требуемый коэффициент преобразования, а конденсатор С4 обеспечивает устойчивость преобразователя (отсутствие самовозбуждения).
Эквивалентное сопротивление резистивной цепи определяется выражением:
Ryes = R2 + R4 + (2)
R3
При нормированном диапазоне выходного напряжения (0.10) В и диапазоне измерения фототока (0.100) нА, должно быть Rэкв=100 МОм. В этом случае можно принять резисторы R2 = 1 МОм, R3=1,1 МОм, R4=100 кОм. Для регулировки чувствительности фотоприемника при смене фотодиодов резистор R3 целесообразно сделать составным, состоящим из двух последовательно соединенных - постоянного с номиналом 200 Ом и подстроечного с номиналом 1.1,5 кОм. Элементы цепи общей отрицательной связи должны быть прецизионными, стабильными.
В случае задания другого нормированного диапазона выходного сигнала или другого диапазона изменения фототока нужно определить необходимые значения RBbK, выбрать номиналы резисторов R2 и R4 и из приведенной формулы определить значение R3.
При аварийных ситуациях выходное напряжение фотопреобразователя будет определяться диапазоном выходного напряжения ОУ ДА 2.2 и может принимать значения примерно от минус 13 В до +13 В, что не всегда допустимо для подключаемых к фотопреобразователю устройств. Для ограничения уровней выходного напряжения фотопреобразователя границами диапазона нормированного сигнала можно в интеграторе использовать ОУ типа 153УД6 (153УД2), включенного по схеме, приведенной на рисунке 4. Вывод 8
этого ОУ может использоваться для выключения выходного каскада ОУ или ограничения его выходного напряжения. Микросхема DA4 - регулируемый параллельный стабилизатор напряжения - задает верхний уровень ограничения выходного напряжения.
Рисунок 4 - Выходной каскад фотопреобразователя с ограничением уровней выходного напряжения
Потенциометром Rs можно регулировать уровень ограничения. Диод VD2 ограничивает отрицательное выходное напряжение. При использовании кремниевых импульсных диодов уровень ограничения составляет (минус 0,45...0,6) В, при использовании германиевого диода типа Д310 выходное напряжение ограничивается на уровне минус 0,03 В. Если нет необходимости точно устанавливать верхний уровень ограничения, можно параллельно VD2 подключить обычный стабилитрон с соответствующим напряжением стабилизации. Элементы R7...R9, С7, VD1 и DA4 в этом случае не нужны.
Для проведения экспериментальных исследований по разработанной конструкторско-технологической документации изготовлены лабораторные и макетные образцы ВОПД и ВОДД. Разработана экспериментальная установка для проведения экспериментальных исследований макетных образцов ВОДД, с помощью которой снимались зависимости иэксп=£(Р) для одного измерительного канала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бусурин В.И Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и примене-
ния./Носов Ю.Р. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 188
2. Бростилов С.А., Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С.А. Бростилов, Т.И. Мурашкина, Т.Ю. Бростилова// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза: Изд-во ПГУ 2010 г., с.106-117.
