Способ цифрового измерения аналоговой величины

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации аналоговых величин световодными измерительными устройствами , а также может быть использовано для число-импульсного или другого цифрового преобразования аналоговых сигналов в устройствах обработки информации. Цель изобретения - повышение точности цифрового измерения аналоговых величин, а также линеаризации функции преобразования. В способе цифрового измерения аналоговых величин после стартового электрического импульса Формируют эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распространения оптического импульса в световодном тракте, и подсчитывают число импульсов эталонной последовательности импульсов с момента формирования стартового электрического импульса до момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульса через световодный тракт. При определении аналоговой величины вычисляют дифференциал аналоговой величины из маС КЈ тематического выражения dx jl-f-- + n-yi dk, где С - скорость L dx ox.J света в вакууме , f частота эталонной последовательности импульсов; К- заданное число пропусканий оптического импульса через световодный тракт; 1 - длина оптического пути световодног о тракта; х - аналоговая величина; k - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов; п - показатель преломления, b ил. (Я с -vl со к ел со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% Ш) ($l)$ С 01 П 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЯ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ния dx = -,— где С - скорость частота эталон1 (21) 4787341/10

{22 30.01.90 (4б) 07.05.92. Бюл. Y 17 (71) Специализированное конструкторское,бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР (72) А.В.Бочкарев, А.В.Логинов, И,Я,Иеш, И,И.Овчинников, А.Л.Шлифер и Г.А. Один (53) 531.j68(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР . > 1"77092, кл. G 01 P 15/00, 1987.

Briminstool M.R. Techniques for.

measuring Longitudinal Strain in

Graded Index Fibers. - Proc. SLIE, 1985, v.S59, р.95-106. (54) CAOCOE ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛОГОВОЙ ВЕЯИЧИНЫ . (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистра ции а налоговых величин с ветоводными измерительными устройствами, а также может быть использовано для число-импульсного или другого. цифрового преобразования аналоговых сигналов в устройствах обрабаткиинформации. Цель изобретения " повышение точности цифрового измерения аналоговых величин, а также линеаризации функции преобразования. В споИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации аналоговых величин световодными измерительными устройствами, а также может использоваться для число-импульсного или другого цифу собе цифрового измерения аналоговых величин после стартового электрического импульса формирует эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распространения оптического импульса в световодном тракте, и подсчитывают число импульсов эталонной последовательности импульсов с момента формирования стартового электрическогo импульса до момента завершения заданного числа пропуска ний оптического импульса через световодный тракт. При определении аналоговой величины вычисляют дифференциал аналоговой величины из маС тематического выраже

Г З а11-

1- — + n- — dk (dx дх l света в вакууме, ной последовательности импульсов, Nзаданное число пропусканий оптического импульса через световодный тракт;

1 — длина оптического пути световодного тракта; х - аналоговая величина, k — подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов, n - показатель преломления, 4 ил. рового преобразования аналоговых сигналов и устройствах обработки информации.

Известен способ измерения аналоговых величин, который заключается в том, что в волоконно-оптиче1732159

N =

1n/c + c р„ и где с — скорость света в вакууме;

n — показатель замедления групповой скорости, излучения в

1О световоде;

1 — протяженност ь с ветоводного тракта;

h,,sn — время задержки импульса в электронном тракте устрой15 ства. и

При известных величинах и, с и "en измеряя отношение N/t, соответствующее частоте следования импульса через регенератор, определяют согласно

20 (1) длину световодного тракта 1.

В известном способе многократно пропускают оптический импульс, формируемый из стартового электрического импульса, через световодный д тракт, длину оптического пути которого модулируют аналоговой величиной, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт оптический импульс преобразуют в элекЗО трический импульс, который преобразуют в оптический импульс. перед последующим пропусканием через световодный тракт. Измеряемую величину х определяют согласно выражению (1) по отношению N/t, равному частоте цирЗ5 куляции импульса в замкнутой оптоэлектронной структуре.

Однако известный способ имеет недостаточно высокую точность измере40 ния аналоговой величины, обусловлен" ную регистрацией N с точностью до одного оборота импульса в замкнутом контуре оптоэлектронной структуры, нелинейность функции преобразования, что усложняет методику сбора и об4 работки измерительной информации, а также может приводит к увеличению погрешности и к сужению динамического диапазона.

Целью изобретения является повышение точности измерения аналоговой величины, а также линеаризация функ" ции преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения аналоговой величины, включающем многократное пропускание оптического импульса, формируемого из стартового электрического импульса, через световодный ский тракт устройства направляют время t составляет излучение в виде серий из 0 импульсов, отличающихся по амплитуде. Интенсивность I(n) каждого и-го импульса в серии равна I(n)=I>/g(n Qx), 5 где n - номер импульса в серии, I - начальная интенсивность", g(x)— функция преобразования оптического тракта, d,x = х„„ „- хп,nj /N (эдесь х„, „и x„,;и - соответственно максимальное и минимальное значения измеряемой величины x) . Модулируя импульсы опроса измеряемым воздействием преобразуют сигнал модуляции в изменение интенсивности оптических импульсов, приводят их к электрическому виду и по числу импульсов, амплитуды которых превышают установленное пороговое значение, определяют измеряемую величину, Устройство, реализующее этот способ, содержит последовательно сопряженные друг .с другом генератор серий импульсов, оптический передатчик, световодный тракт с первичным измерительным преобразователем, оптический приемник, амплитудный дискриминатор и блок измерения числа импульсов, К недостаткам известных способа и устройства можно отнести доста- точно высокую (0,14 " 14) погрешность измерений, связанную с нестабильностью работы источника излучения и паразитной утечкой излучения в световодном тракте.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату и предлагаемому является способ измерения аналоговых величин, реализованный в устройстве для измерения длины световодного тракта. Устройство работает следующим образом. Запускающий стартовый импульс подается на дискриминатор-формирователь, выход которого подключен к оптическому передатчику. Импульс света с его оптического выхода через световодный тракт поступает на фотоприем. ник, где преобразуется к электрическому виду. После усиления.электрический импульс вновь поступает на вход дискриминатора-формирователя, который восстанавливает его по амплитуде, форме и длительности до стандартного первоначального неискаженного вида. Число N тактов регенерации импульса за постоянное

5 17321 тракт, длину оптического пути которого модулируют аналоговой величиной, и определение аналоговой величины, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт

5 оптический импульс преобразуют в электрический импульс, восстанавливают его длител ь ность, амплитуду и

Форму, затем, перед последующим пропусканием через световодный тракт преобразуют в оптический импульс, после стартового электрического импульса формируют эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распространения оптического импульса в световодном тракте, и подсчитывают число импульсов эталонной последовательности импульсов с момента 20 формирования стартового.электрического импульса до момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульса через световодный тракт, а при определении аналоговой 25 величины вычисляют дифференциал аналоговой величины из математического выражения

30 где с—

N—

40

55

-1 с 3 llр 1111 йх = 1п — -" + n — -)4К

Nf 3х Эх скорость света в вакууме; частота эталонной последовательности импульсов, заданное число пропусканий оптического импульса через световодный тракт; длина оптического пути световодного тракта; аналоговая величина; подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов, показатель преломления.

С целью линеаризации функции преобразования при модуляции длину оптического пути световодного тракта изменяют прямо пропорционально аналоговой величине.

Р

На Фиг. 1 показана схема волоконно-оптического измерительного устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 - схема управляемого цифрового регенератора стандартных импульсов; на фиг. 3 - схема измерительного блока; на йиг.. 4 пример конкретной реализации пер59

6 вичного преобразователя устройства для измерения перемещений.

Устройство содержит замкнутые в кольцевую структуру оптический передатчик 1, световодный тракт 2 с первичным измерительным преобразователем 3, оптический приемник 4, цифровой управляемый регенератор 5 стандартных импульсов. К входам

"Запуск" и "Останов" регенератора 5 подключен измерительный блок

6. Выход регенератора 5 подключен к входу "Счет" циклов регенерации блуа 6. Выходы "Счет", "Старт" и

"Стоп" блока 6 сопряжены с соответствующими входами регистратора 7, в качестве которого используется стандартный электронносчетный частотомер.

Регенератор 5 восстанавливает формы и амплитуду искаженных в световодном тракте импульсов, которые поступают с входа приемника 4, до стандартного вида. Через регенератор также вводится стартовый импульс (вход "Запуск") и прерывается процесс регенерации импульса (вход "Останов" ) с режимом работы устройства.

Цифровой управляемый регенератор

5 (фиг.2) реализован на стандартной элементной базе в соответствии с известными схемогехническими решениями.

Схема регенератора 5 содержит последовательно соединенные триггер Шмитта 8, одновибратор 9, элемент И 10, элемент ИЛИ 11 и .одновибратор 12, а также одновибратор 13, причем второй вход элемента И 10 является входом

"Останов", второй вход элемента

ИЛИ 11 соединен с выходом одновибратора 13, вход которого является входом "Запуск" регенератора 5.

Измерительный блок 6 управляет

5 работой регенератора 5 и регистратора .7. Его схема (йиг.3) также реализована на стандартной элементной базе по традиционным схемотехническим решениям. Измерительный блок 6 содержит первый 14 и второй .

25 таймеры, первый 15, второ" 17, третий 20, четвертый 22 и пятый 27 элементы И, первый 16, второй 21, третий 26 триггеры, первый 18, и второй 24 переключатели, генератор 19 запуска, эталонный генератор 23, при- чем первый вход таймера 14 является входом "Счет" блока 6 и соединен с первым входом элемента И 15,:второй

7 17 вход таймера 14 соединен с переклю--чателем 18, третий вход таймера 14 соединен с выходом генератора 19 запуска и входом внешнего запуска, второй вход элемента И 15 соединен с выходом таймера 14, выход элемента

И 15 соединен с вторым входом триггера 16, первый вход которого подключен к выходу генератора 19 запуска, прямо" выход триггера 16 подключен к второму входу элемента И4 22 и является выходом "Останов" блока

6, инверсный выход триггера 16 соединен с вторым входом элемента

И 17, первый вход элемента И 17 соединен с первым входом элемента И 22, прямым выходом триггера 21 и выходом "Запуск" блока 6, третий вход элемента И 17 соединен с выходом эталонного генератора 23 и вторым входом элемента И 20, выход элемента И 17 соединен с первыми входами таймера 25 и элемента И 27, первый (инверсный) вход элемента И 20 подключен к выходу генератора l9 запуска, выход элемента И 20 соединен с вторым входом триггера 21, первый вход триггера 21 соединен с выходом генератора 19 запуска, выход элемента И 22 является выходом "Стоп" блока 6, второй вход таймера 25 соединен с переключателем 24, третий вход таймера 25 соединен с выходом генератора 19 запуска и вторым входом триггера 26, выход таймера 25 соединен с первым входом триггера 26, выход триггера 26 соединен с вторым входом элемента И 27, выход элемента И 27 является выходом "Счет" блока, выход генератора 19 запуска является выходом "Старт" блока 6, Цифровое измерительное устройство (фиг.1) работает следующим образом.

На выходе "Старт" блока 6 формируется в режиме-разового (ручного) или автоматического запуска импульс, подготавливающий .регистратор 7 к измерению. По: окончании сигнала

"Старт" на выходе "Запуск" блока 6 формируется стартовый сигнальный импульс, который циркулирует по активной волоконно=оптической кольцевой структуре (АВОКС), состоящей из последовательно сопряженных элементов 1-5., При каждом из проходов по АВОКС в регенераторе 5 восстанавливается до стандартного вида форма, длитель32159 8 ность и амплитуда сигнального импульса. Одновременно с сигналом ""апуск на выход "Счет" блока 6 пода5 ется стабилизированная по частоте импульсная последовательность эталонного генератора 22, входящего в его состав. После заданного числа

N циклов обращения сигнального импульса в ABOKC определяемого блоком 6 по входу "Счет" циклов рециркуля ции, на его выход"x "Стоп" и

"Останов" Формируются импульсы управления соответственно переводящие регистратор 7 в режим индикации результатов измерения и прекращавшие регенерацию сигнального импульса в

АВОКС, Результатом измерения является число К импульсов эталонного генератора 22, поступивших за время N циркуляций сигнального импульса в

АВОКС на вход "Счет" РегистРатоРа 7 (частотомер) . После индикации результатов измерения процесс повторяется вновь.

Регенератор 5 работает следующим образом. f1n приходу импульса с выхода оптического приемника 4 триггером Шмитта 8 формируется прямоугольный импульс со стандартной для примененных цифровых микросхем ампли-. тудой. При постоянном пороге триггера Шмитта 8 длительность этого импульса зависит от затухания в световодном тракте 2 и коэффициента

Ç5 преобразования оптического приемника 4. В связи с этим одновибратор 9

Формирует импульс, длительность которого не больше длительности им. пульса, поступающего на вхол оптиче® ского передатчика 1. С помощью элемента И 10 прекращается циркуляция импульса в АВОКС. С помощью одновибратора 13, формирующего импульс, длительность которого не больше дли4 тепьности импульса, поступающего в оптический передатчик 1, и элемента, ИЛИ 11 осуществляется запуск цирку" ляции импульса в АВОКС. Одновибратор 12 формирует импульс с заданной 0 длительностью.

Измерительный блок 6 работает следующим образом. На выходе "Старт" при помощи генератора 19 или внешне-, го запуска Формируется импульс, подготавливающий регистратор 7 к измерению и устанавливающий все триггеры и таймеры блока 6 в исходное сос25

9 17321 тояние. llo окончании сигнала "Старт" через элемент И 20 устанавливается триггер 21 и. на выходе "Запуск" блока.

6 формируется сигнал, я результате которого по AR0KC начинает циркулировать импульс. Одновременнп с сигналом "Запуск" на таймер 25 и элемент И 27 с эталонного генератора

23 через элемент И 17 подается стабилизированная по частоте импульсная последовательность. После определенного числа N циклов обращения сигнального импульса в.РВОКС, заданного no входу "Счет", при помощи таймера 14, переключателя 18 и элемента И 15 срабатывает триггер 16. На выходе "Останов", а через. элемент И

22 на выходе "Стоп" блока 6 формируются сигналы, соответственно пре.- 2р кращающие регенерацию сигнального импульса по АВОКС и переводящие регистратор 7 (частотомер) в режим индикации результатов измерений. Данная схема работает с первичными преобразователями. 3, имеющими в от,— сутствии измеряемого воздействия минимальную оптическую. длину. В процессе измерений общая длина световодного тра кта 2 и 3 увеличивается.

Вследствие этого, количество импульсов стабильной частоты, прошед" ших на выход элемента И 17,. при измерениях больше, чем в отсутствии измеряемого воздействия. Программируемый переключатель 24, таймер 25, триггер 26 и элемент.И 27 предназначен для пропускания на выход "Счет" блока 6 части импульсной последовательности, проходящей через элемент

И 17, в которой число импульсов пря" мо пропорционально измеряемой величине, т.е. равно разности между числом импульсов при измеряемом воздействии и я его отсутствии. Для этого переключатель 24 программирут таймер 25 таким образом, чтобы в отсутствии воздействия через элемент

И 27 на вход "Счет" не проходил ни один импульс.

Иногократное прохождение оптиче59 ского импульса по световодному тракту, включающему измерительный преобразователь, сопровождается изменением параметров этого импульса. В от,личие от режима длительного хранения оптического сигнала в АВОКС, когда на каждом проходе регенерируется форма, амплитуда, длительность и час

ct Г Зпп

dN = — — — -- - 1п ——

+ (1 ° п +сс ) (jx

31.

+n dx ох (2) где и„ и

1 — соответственно показатель п преломления и длина чувствительногo участка све-. товодного тракта в первичном измерительном преобразователе.

Согласно (2) чувствительность способа-прототипа dN/dx, которая представляет собой крутизну функции преобразования N(x), запишем в виде

dN ct T 3nn ,Г„

dx (1 ° n+c ) 3x а1.

+ n

° а

Знак минус в выражении (3) означает, что с увеличением длины оптического пути уменьшается число регистрируемых импульсов.

59 1О тота следования импульса, в измери- . тельных целях один из параметров сигнала не должен восстанавливаться.

Тогда воздействующая на преобразователь 3 измеряемая величина приводит к соответствующему изменению невосстанавливаемогп в регенераторе параметра импульсного сигнала. Использование в качестве параметра, чувствительного к х, амплитуды и формы импульса (аналоговая регенерация) существенно ограничивает точность и диапазон измерений, так как в этом случае требуются широкополосные аналоговые устройства. Напротив, выбор в качестве сигнального параметра числа N (t = const) оборотов импульса за постоянное время t const (прототип) или времени t (N = const) прохождения им целого числа раз (N = const) по АВОКС (предлагаемое) позволяет избежать указанных недостатков, так как здесь применяются цифровые методы регенерации и регистрации сигнала.

Из выражения (1) следует, что воздействие измеряемой величины ах напреобразователь 3 приводит к соответствующему изменению dN числа импульсов

1 n n

К = Nf — -+с,„ т с 7 (4) dK Nfp Inn 31д1

1 — - +n- — (5)

dx с "дх дх «}

Разделив выражение (5) на выражение (3), получим отношение чувствительdK dN ностей Q = †/ — для предлагаемого

dx dx и известного способов

1 ° и ц -г (+ с ) с

Ý4

При прочих равных для прототипа и предлагаемого способа условиях иэ выражения (6) с учетом (1) следует, что т

Q = —

F где F = N/t - частота циркуляции сигнального импульса по АВОКС.

Таким образом, точность предлагаемого способа превышает точность способа-прототипа в число раз (7), равное отношению тактовых частот эталонного генератора (f ) и

АВОКС (F).

Из выражений (4) и (5) видно, что число К регистрируемых .тактов эталонного генератора линейно, зависит от длины оптического пути (1„ и„) световодного тракта, подверженному измеряемому воздействию в первичном измерительном преобразователе. Это позволяет линеаризовать (dK/dx =

const) функцию преобразования (К(х}) измерительного устройства, работающего на основе предлагаемого способа .-Для этого модулируат длину

50

11 17321

Увеличение чувствительности измерений в предлагаемом способе осуществляется за счет измерения интервала времени t (N const) за котоФ

5 рое происходит фи кси рова нное и целое число N const циркуляций. импульса в АВОКС. В этом случае за N оборотов импульса по АВОКС регистратором 7 отсчитывается К К t (N = const) 10 тактов импульсной последовательности частотой f эталонного генератора.

Величина К и ее чувствительность

dK/dx к изменениям dx измеряемой величины равны 15

59 12 оптического пути (1 .п ) прямо прои порционально измеряемому воздействию (и„31„/8x +1„3n„/3" = const) .

Отметим, что возможность линеариза" ции передаточной функции в рамках предлагаемого способа выгодно отличает его от традиционно аналоговых способов измерения. физических " величин, в большинстве случае характеризующихся нелинейной передаточной характеристикой.

Пример. Рассмотрим реализацию предлагаемого способа в измерителе перемещений, первичный преобразователь которого устроен следующим образом (фиг,4), Концы А и В У-образного ответвителя соединены с основным трактом. Излучение, поступающее в ответвитель (А), выходит из его выходного конца С, преобразуется с помощью объектива О в параллельный пучок и направляется на зеркало 3, со единенное с объективом, который может перемещаться в направлении распространения светового пучка. Отраженное от зеркала излучение фокусируется объективом О в выходной торец ответвителя С и распространяется в направлении его выходного конца В.

Таким образом, оптический путь излучения в тракте изменяется при перемещении зеркала 3 . В соответствии с выражением (5) 1 т

dK = — -dx с (здесь dx — перемещение зеркала) с учетом того, что воздушный зазор между зеркалом и световодом имеет показатель преломления n = 1. В устройстве используется кварцевый генератор с f = 30 мГц. Число циркуляций им- пульса составляет N = 10 . Таким обЬ разом, при индикации dK на частотомере единица младшего разряда соответствует десяти микронам. Общая длина световодного тракта 1 = 13 м, время Сэ„, = 35 нс. Тем самым период циркуляций импульсов в устройстве равен 100 нс, а время измерения (с учетом N = 10 ) составляет О, 1- с.

Ь

6 устройстве используются кварцполимерный волоконный световод с диаметром сердцевины 400 мкм, часто" томер Ф5041 в режиме счета импульсов, квантовые электронные модули МПД1-1А (оптический излучатель) и ИПР1 (оптический приемник) .

173

Испытания измерителя показали, что его нестабильность составляет

4-5 ед. младшего значащего разряда.

Таким образом пороговая чувствительность измерителя составляет 50 мкм.

Диапазон перемещений при испытаниях составлял 0-10 мм. Независимые (с помощью микрометра) одновременные измерения перемещения зеркала находились.в удовлетворительном согласии с показаниями созданного измерителя (несоответствие. :показаний не превышало 5Ф) .

Таким образом, предлагаемый способ цифрового измерения аналоговых величин позволяет увеличить точность (в реализованном измерителе перемещений в соответствии с формулой (5) точность по сравнению с прототипом выше в 3 раза), получить линейную номинальную характеристику измерителя.

Формула изобретения

1. Способ цифрового измерения аналоговой величины, включающий многократное пропускание оптического импульса, формируемого из стартового электрического импульса, через световодный тракт, длину оптического пути которого модулируют аналоговой величиной, и определение аналоговой величины после заданного числа пропусканий оптического луча через световодный тракт, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт оптический импульс преобразуют в электрический импульс, который восстанавливают по длительности, амплитуде и форме, а перед последующим пропусканием через световодный

2159 14 тракт преобразуют в оптический импульс, отличающийся тем, что, с целью повышения точности цифр вого измерения аналоговой величины, после стартового электрического импульса формируют эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распро10 странения оптического импульса в световодном тракте, и подсчитывают число ! импульсов эталонной последовательности импульсов с момента формирования стартового электрического импульса до момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульса через световодный тракт, а при определении аналоговой величины вычисляют дифференциал аналоговой величины из

N математического выражения с. Зп 311

dx=- — 1 — — +а ) dK

= ы з а3 где с — скорость света в вакууме;

25 f — частота эталонной последовательности импульсов;

N — заданное число пропусканий оптического импулЬса через световодный тракт;

1 — длина оптического пути световодного тракта;

x — аналоговая величина;

К . - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов; и — показатель преломления.

2. Способ по и. 1, отличаюшийся тем, что при модуляции длину оптического пути световодного тракта изменяют прямо пропорционально аналоговой величине.

1732159

9Ь8. f

ВХОД

"ОСтнноЬ"

ВХОД

"Ьяпуек

ФИГ. 8.

1732159

&о "сюл

nod

Ð70/7

Юьект иссеедо5ания

У

Фиг. Ф

Редактор И.Янкович

Заказ 1574 Тираж Полписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж- 35, Ра шсхая наб., д. 4/5 .

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101

Составитель А.Бочкарев

ТехРед М.Д щ к КоРРектоР С.ШекмаР хИ pëÔ