ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2010 года по МПК G01D5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения физических параметров (температуры, давления и т.п.) преимущественно в условиях, характеризующихся повышенными требованиями к помехозащищенности канала передачи информации, а также необходимостью гальванической изоляции источника и приемника информации.

Известна [1] оптоэлектронная измерительная система для измерения силы тока с питанием оптическим излучением, состоящая из первого источника излучения, соединенного с первым оптическим волокном, второй конец которого соединен с многоэлементным фотовольтаическим преобразователем, питающим электрической мощностью устройство кодирования измерительной информации, выход которого подключен к второму источнику излучения, оптически связанному с вторым оптическим волокном, выход которого подключен ко входу приемника излучения, выход которого связан с устройством декодирования и отображения измерительной информации.

Устройство работает следующим образом. Мощное оптическое излучение от первого источника (лазера) через оптическое волокно поступает на вход многоэлементного фотовольтаического преобразователя, на выходе которого формируется электрическое напряжение с мощностью, достаточной для питания устройства кодирования и передачи измерительной информации с помощью второго источника излучения. Оптический информационный сигнал через второе оптическое волокно поступает на вход фотоприемника и преобразуется в электрический сигнал, который декодируется и поступает на устройство отображения измерительной информации.

Недостатком этого устройства является сравнительно низкая надежность, связанная с наличием двух волоконных световодов и применением двух раздельных полупроводниковых приборов для фотовольтаического преобразования излучения и формирования оптического информационного сигнала.

Известна также оптоэлектронная измерительная система [2], содержащая источник излучения, оптически связанный с одним из входов разветвителя Y-типа, второй вход которого подключен к приемнику излучения, а выход этого разветвителя подключен к оптическому волокну, второй конец которого через второй разветвитель Y-типа связан с фотовольтаическим преобразователем и вторым источником излучения, который подключен к выходу устройства кодирования измерительной информации. Данное устройство работает аналогично предыдущему, но ввод-вывод оптического излучения в оптический световод осуществляется через разветвители. Недостатком этого устройства является низкая эффективность использования оптической мощности, связанная с наличием потерь в двух разветвителях и применением двух раздельных полупроводниковых приборов для фотовольтаического преобразования излучения и формирования оптического информационного сигнала.

Наиболее близкой к данному изобретению системой является измерительная система [3], содержащая источник и приемник оптического излучения, устройство декодирования и отображения информации, волоконный световод с волоконным разветвителем Y-типа на одном конце, фотовольтаический диод, интегратор, устройство приема и кодирования информации, причем вход волоконного разветвителя оптически связан с источником, а выход - с приемником оптического излучения, второй конец волоконного световода оптически связан с фотовольтаическим диодом, подключенным к интегратору, а выход фотоприемника подключен к входу устройства декодирования и отображения информации. Фотовольтаический диод выполнен на основе материала с фотолюминесцентными свойствами. Фотоприемник снабжен спектральным фильтром для выделения излучения с длиной волны фотолюминесценции, а выход фотовольтаического диода через интегратор (RC-фильтр) подключен к устройству приема и кодирования информации.

Данная система работает следующим образом. Излучение от источника вводится через оптический разветвитель в волоконный световод, выход которого подключен к фотовольтаическому диоду. Напряжение с фотовольтаического диода питает устройство приема и кодирования информации. Измерительная информация кодируется в частоту следования импульсов, которые поступают на устройство, модулирующее фотолюминесцентное излучение полупроводниковой структуры, на основе которой выполнен фотовольтаический диод. Модулированное фотолюминесцентное излучение через тот же световод и второй канал разветвителя Y-типа поступает на вход фотоприемника, с выхода которого электрический сигнал поступает на устройство декодирования (преобразователь частота-напряжение). После декодирования сигнал направляется на показывающее устройство, отображающее измеренное значение соответствующей величины.

Недостатком этой системы является сравнительно низкая точность измерений, обусловленная слабостью эффекта фотолюминесценции, что приводит к малому значению отношения сигнал/шум. Другим недостатком этой системы, снижающим ее энергетическую эффективность, являются потери электрической мощности, связанные с тем, что фотовольтаическое напряжение поступает на устройство кодирования сигнала через резистор интегратора.

Технической задачей данного изобретения является повышение эффективности функционирования измерительной системы.

Указанная задача решается тем, что в систему, содержащую источник и приемник оптического излучения, устройство декодирования и отображения информации, волоконный световод с волоконным разветвителем Y-типа на одном конце, фотовольтаический диод, интегратор, устройство приема и кодирования информации, причем вход волоконного разветвителя оптически связан с источником, а выход - с приемником оптического излучения, второй конец волоконного световода оптически связан с фотовольтаическим диодом, подключенным к интегратору, а выход фотоприемника подключен ко входу устройства декодирования и отображения информации, дополнительно введены модулятор, связанный с источником оптического излучения, электронный двухпозиционный переключатель, преобразователь напряжения, компаратор и регулируемый источник напряжения, а фотовольтаический диод выполнен на основе материала, обладающего электролюминесцентными свойствами, причем анод этого диода соединен со входом интегратора и общим контактом двухпозиционного переключателя, подключенного в одной позиции ко входу преобразователя напряжения, а другой - к выходу устройства приема и кодирования информации, выход компаратора соединен с управляющими входами электронного двухпозиционного переключателя и устройства приема и кодирования информации, один вход компаратора соединен с выходом интегратора, а другой - с выходом регулируемого источника напряжения.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На Фиг.1 показана структурная схема оптоэлектронной измерительной системы.

На Фиг.2 показан пример диаграммы разделения присутствующих в системе оптических сигналов на шкале времени.

Предложенное устройство содержит (Фиг.1) источник 1 оптического излучения с модулятором 2, приемник 3 оптического излучения, устройство 4 декодирования и отображения информации, вход которого подключен к выходу приемника 3, волоконный световод 5 с волоконным разветвителем 6 Y-типа на одном конце, вход которого оптически связан с источником 1, а выход - с приемником 3 оптического излучения, фотовольтаический диод 7, оптически связанный со вторым концом световода 5, интегратор 8, вход которого подключен к аноду фотовольтаического диода 7, электронный двухпозиционный переключатель 9, общий контакт которого соединен с анодом фотовольтаического диода 7, преобразователь 10 напряжения, вход которого соединен с позицией «а» электронного двухпозиционного переключателя 9, устройство 11 приема и кодирования информации, подключенное своим выходом к позиции «б» переключателя 9, компаратор 12, один вход которого соединен с выходом интегратора 8, другой - с выходом регулируемого источника 13 напряжения, а выход - с управляющими входами электронного двухпозиционного переключателя 9 и устройства 11 для приема и кодирования информации.

Фотовольтаический диод 7 с электролюминесцентными свойствами может быть выполнен, например, на основе эпитаксиальных излучающих структур AIGaAs (ЭСАГА-20, ЭСАГА-60, ЭСАГА-107, ЭСАГА-136 и др.), выпускаемых серийно отечественными предприятиями - НИИМЭТ (г.Калуга), НИИПП (г.Томск) и др.

Заявленное устройство работает следующим образом. Мощный источник оптического излучения 1 (см. Фиг.1), управляемый модулятором 2, осуществляет периодические включение и выключение оптического излучения. Временная диаграмма работы системы показана на Фиг.2. Включение осуществляется в момент времени t_n, выключение - в момент времени t_n+1, следующее включение - в момент времени t_n+2 и т.д. (см. Фиг.2а). В состоянии «включено» излучение через разветвитель Y-типа 6 вводится в волоконный световод 5 и на выходе из световода поступает на фотовольтаический диод 7. Фотовольтаический диод 7 осуществляет преобразование энергии оптического излучения в электрическую энергию. Электрический сигнал с анода фотовольтаического диода 7 в позиции «а» двухпозиционного электронного ключа 9 подается на преобразователь напряжения 10, осуществляющего преобразование уровня напряжения с выхода фотовольтаического диода 7 в напряжение (3,3 В или 5,0 В), необходимое для питания элементов 8, 9, 11, 12, 13 заявленного устройства. Преобразователь также запасает электрическую энергию в количестве, достаточном для питания элементов системы во время паузы в излучении источника 1. Интегратор 8, вход которого подключен к аноду фотовольтаического диода 7, усредняет напряжение U_A на аноде фотовольтаического диода 7 (см. Фиг.2б) с постоянной времени τ>>τ_имп, где τ_имп - время протекания импульсного тока возбуждения электролюминесценции. Сигнал с выхода интегратора 8 (Фиг.2в) подается на первый вход компаратора 12, который сравнивает выходное напряжение интегратора U_И с напряжением U_R от регулируемого источника напряжения 13, которое подается на второй вход компаратора. В момент времени t_n+1, соответствующий выключению излучения от источника 1, значение напряжения U_И на выходе интегратора 8 уменьшается, и при U_И<U_R компаратор выдает управляющий сигнал на переключение электронного переключателя 9 в позицию «б», в результате чего анод фотовольтаического диода 7 отключается от преобразователя напряжения 10 и подключается к выходу устройства приема и кодирования информации 11. Сигнал с выхода компаратора также является сигналом начала передачи измерительной информации, сформированной в устройстве приема и кодирования информации 11. Через диод 7 течет импульсный ток, соответствующий коду передаваемой информации, при этом диод 7 работает в электролюминесцентном (светодиодном) режиме и является источником модулированного оптического излучения Р₇ (Фиг.2г), несущего измерительную информацию и передаваемого по волоконному световоду 5 через разветвитель 6 на фотоприемник 3 и далее на устройство 4 обработки и отображения измерительной информации. Передача измерительной информации осуществляется импульсами малой длительности τ_имп и большой скважности, так чтобы постоянная составляющая информационного сигнала всегда была меньше U_R. Постоянная времени интегратора и U_R также выбираются для удовлетворения этому условию. Продолжительность цикла передачи устанавливается меньшей, чем интервал времени между t_n+1 и t_n+2. В момент времени t_n+2 включается оптическое излучение от источника 1, в результате чего постоянная составляющая U_И возрастает, и при U_И>U_R компаратор 12 снова подключает анод фотовольтаического диода 7 к преобразователю напряжения 10, и цикл далее повторяется.

Положительный эффект, состоящий в повышении точности оптоэлектронной измерительной системы, достигается за счет того, что в предложенном устройстве информационный оптический сигнал имеет мощность на 2-3 порядка выше, чем мощность излучения фотолюминесценции в прототипе. Более высокая энергетическая эффективность системы обеспечивается за счет исключения из цепи питания резистора интегратора. Кроме того, все элементы устройства работают при стандартном для них напряжении питания, в системе используется один световод и один полупроводниковый прибор, совмещающий функции фотовольтаического преобразователя и электролюминесцентного диода, что повышает надежность работы всей системы.

Источники информации

1. S.Weiss, J.Werthen, A.Andersson. Optically Powered Sensor Technology, ISA '97, May 4-8, 1997 in Orlando, Florida, USA.

2. US 4857727. Optically powered remote sensors with timing discrimination. James E.Lenz et al., Int.cl. H01J 5/16, Publ. 15/08/1989.

3. US 4417140. Fibre Optic Measuring Device with Electrically controled Photoluminescence. Adolfsson et al., Int.cl. G01D 5/26, Publ. 22/11/1983.

Оптоэлектронная измерительная система, содеращая источник и приемник оптического излучения, устройство декодирования и отображения информации, волоконный световод с волоконным разветвителем Y-типа на одном конце, фотовольтаический диод, интегратор, устройство приема и кодирования информации. Вход волоконного разветвителя оптически связан с источником, а выход - с приемником оптического излучения, второй конец волоконного световода оптически связан с фотовольтаическим диодом, подключенным к интегратору. Выход приемника оптического излучения подключен ко входу устройства декодирования и отображения информации. В систему введены модулятор, связанный с источником оптического излучения, электронный двухпозиционный переключатель, преобразователь напряжения, компаратор и регулируемый источник напряжения. Фотовольтаический диод выполнен на основе материала, обладающего электролюминесцентными свойствами, причем анод этого диода соединен со входом интегратора и общим контактом двухпозиционного переключателя, подключенного в одной позиции ко входу преобразователя напряжения, а в другой - к выходу устройства приема и кодирования информации. Выход компаратора соединен с управляющими входами электронного двухпозиционного переключателя и устройства приема и кодирования информации, один вход компаратора соединен с выходом интегратора, а другой - с выходом регулируемого источника напряжения. Технический результат - повышение эффективности функционирования измерительной системы, заключающейся в повышении точности измерительной системы. 2 ил.

Оптоэлектронная измерительная система, содержащая источник и приемник оптического излучения, устройство декодирования и отображения информации, волоконный световод с волоконным разветвителем Y-типа на одном конце, фотовольтаический диод, интегратор, устройство приема и кодирования информации, причем вход волоконного разветвителя оптически связан с источником, а выход - с приемником оптического излучения, второй конец волоконного световода оптически связан с фотовольтаическим диодом, подключенным к интегратору, а выход приемника оптического излучения подключен ко входу устройства декодирования и отображения информации, отличающаяся тем, что в систему введены модулятор, связанный с источником оптического излучения, электронный двухпозиционный переключатель, преобразователь напряжения, компаратор и регулируемый источник напряжения, а фотовольтаический диод выполнен на основе материала, обладающего электролюминесцентными свойствами, причем анод этого диода соединен со входом интегратора и общим контактом двухпозиционного переключателя, подключенного в одной позиции ко входу преобразователя напряжения, а в другой - к выходу устройства приема и кодирования информации, выход компаратора соединен с управляющими входами электронного двухпозиционного переключателя и устройства приема и кодирования информации, один вход компаратора соединен с выходом интегратора, а другой - с выходом регулируемого источника напряжения.