Способ цифрового измерения аналоговой величины Советский патент 1992 года по МПК G01D21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации аналоговых величин световод- ными измерительными устройствами, а также может использоваться для число-импульсного или другого цифрового преобразования аналоговых сигналов и устройствах обработки информации.

Известен способ измерения аналоговых величин, который заключается в том, что в волоконно-оптиче3 i

скии тракт устройства направляют излучение в виде серий из N импульсов, отличающихся по амплитуде. Интенсивность 1(п) каждого п-го импульса в серии равна I(n)I0/g(n-ux) где п - номер импульса в серии, 10 - начальная интенсивность g(x) - функция преобразования оптического тракта, Дх | х - xm-,J /N (здесь xmai( и - соответственно максимальное и минимальное значения измеряемой величины х). 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 достаточно высокую (0,1% - 1%) 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 фотоприемник, 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 прстоянное

t составляет

t 1п7с

+

ЗА

(1)

5

5

5

5

где

Л

-Чл скорость света в вакууме; показатель замедления групповой скорости излучения е световоде;

протяженность световодного тракта,

время задержки импульса в электронном тракте устройства .

При известных величинах п, с и Ј9Л измеряя отношение N/t, соответствующее частоте следования импульса через регенератор, определяют согласно (1) длину световодного тракта 1.

В известном способе многократно пропускают оптический импульс, Формируемый из стартового электрического импульса, через световодный тракт, длину оптического пути которого модулируют аналоговой величиной, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт оптический импульс преобразуют в элек- Q 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 циркуляции импульса в замкнутой опто- электронной структуре.

Однако известный способ имеет недостаточно высокую точность измерения аналоговой величины, обусловленную регистрацией N с точностью до одного оборота импульса в замкнутом контуре оптоэлектронной структуры, нелинейность функции преобразования, что усложняет методику сбора и обработки 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 функции преобразования,

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения аналоговой величины, включающем многократное пропускание оптического импульса, формируемого из стартового электрического импульса, через световодный

0

5

0

тракт, длину оптического пути кото- рсго модулируют аналоговой величиной и определение аналоговой величины, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт оптический импульс преобразуют в электрический импульс, восстанавливают его длительность, 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 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 математического выражения

а,

dx

Ј П n --

vM -,

де

с - скорость света в вакууме;

f - частота эталонной последовательности импульсов;

N - заданное число пропусканий оптического импульса через световодный тракт;

1 - длина оптического пути све- товодного тракта-,

х - аналоговая величина1,

К - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов;

n - показатель преломления.

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

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 Лиг. А пример конкретной реализации пер0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

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 , 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 блока 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 1, 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 схемотехническими решениями. Схема регенератора 5 содержит последовательно соединенные триггер Шмит- та 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 одновибра- тора 13, вход которого является входом Запуск регенератора 5.

Измерительный блок 6 управляет работой регенератора 5 и регистратора 7. Его схема (сЬиг.З) также реализована на стандартной элементной базе по традиционным схемотехническим решениям. Измерительный блок 6 содержит первый И и второй 25 таймеры, первый 15, второй 17 третий 20, четвертый 22 и пятый 27 элементы И, первый 16, второй 21, третий 26 триггеры, первый 18, и второй 2 переключатели, генератор 19 запуска, эталонной генератор 23, лри- чем первый вход таймера 1А является входом Счет блока б и соединен с первым входом элемента И 15, второй

вход таймера k соединен с лереклю- чателем ifi, третий вход таймера Ik соединен с выходом генератора 19 запуска и входом внешнего запуска, второй вход элемента И 15 соединен с выходом таймера И, выход элемента И 15 соединен с вторым входом триггера 16, первый вход которого подключен к выходу генератора 19 запуска, прямой выход триггера 16 подключен к второму входу элемента ИИ 22 и является выходом ОстанЪв 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 19 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 2k, 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 активно 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, длитель0

5

5

0

5

0

5

0

ность и амплитуда сигнального импульса. Одновременно с сигналом Запуск на выход Счет блока 6 подается стабилизированная по частоте импульсная последовательность эталонного генератора 27, входящего в его состав. После заданного числа N циклов обращения сигнального импульса в АВОКС, определяемого блоком 6 по входу Счет циклов рециркуляции, на его выходах Стоп и Останов формируются импульсы управления соответственно переводящие регистратор 7 в режим индикации результатов измерения и прекращающие регенерацию сигнального импульса в АВОКС, Результатом измерения является число К импульсов эталонного генератора 22, поступивших за время N циркуляции сигнального импульса в АВОКС на вход Счет регистратора 7 (частотомер). После индикации результатов измерения процесс повторяется вновь.

Регенератор 5 работает следующим образом. По приходу импульса с выхода оптического приемника k триггером Шмитта 8 Формируется прямоугольный импульс со стандартной для примененных цифровых микросхем амплитудой. При постоянном пороге триггера Шмитта 8 длительность этого импульса зависит от затухания в световодном тракте 2 и коэффициента преобразования оптического приемника k. В связи с этим одновибратор 9 формирует импульс, длительность которого не больше длительности им- пупьса, поступающего на вход оптического передатчика 1. С помощью элемента И 10 прекращается циркуляция импульса в АВОКС. С помощью одно- вибратора 13, формирующего импульс, длительность которого не больше длительности импульса, поступающего в оптический передатчик 1, и элемента ИЛИ 11 осуществляется запуск циркуляции импvльca в АВОКС. Одновибратор 12 формирует импульс с заданной 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 сое9

тояние.Мо окончании сигнала Старт через элемент И 20 устанавливается триггер 21 и на выходе Запуск блок 6 формируется сигнал, в результате которого по АВОКС начинает циркулировать импульс. Одновременно 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 CHI- нального импульса в АВОКС, заданного по входу Счет1) при помощи таймера 1, 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 прекращающие 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 свето- водного тракта 2 и 3 увеличивается. Вследствие этого, количество импульсов стабильной частоты, прошедших на выход элемента И 17,- при измерениях больше, чем в отсутствии измеряемого воздействия. Программируемый переключатель 2k, 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 прямо пропорционально измеряемой величине, т.е. равно разности между числом импульсов при измеряемом воздействии и R его отсутствии. Для этого переключатель 2k программирут таймер 25 таким обоазом, чтобы в отсутствии воздействия через элемент И на вход Счет не проходил ни один импульс.

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

30

15

20

25

30

59Ю

тота следования импульса, в измерительных целях один из параметров сигнала не должен восстанавливаться. Тогда воздействующая на преобразователь 3 измеряемая величина приводит к соответствующему изменению невосстанавливаемого 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 dx на - преобразователь 3 приводит к соответствующему изменению dN числа импульсов

ctГ, Ъп„

- - оТпТс )г L эх

dN

3i.l

П Эх

dx

(2)

где пп и

1П - соответственно показатель преломления и длина чувствительного 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 dx

ct

()г|

Гч„°п

lln ST

n iisl

n« ax J

(3)

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

11

Увеличение чувствительности измерений в предлагаемом способе осуществляется за счет измерения интервала времени t (N const), за которое происходит фиксированное и целое число N const циркуляци, импульса в АВОКС. В этом случае за N оборотов импульса по АВОКС регистратором 7 отсчитывается К f T t (N const) тактов импульсной последовательности частотой fT эталонного генератора. Величина К и ее чувствительность dK/dx к изменениям dx измеряемой величины равны

Nf

«) 4t -4Й-

Разделив выражение (5) (3), получим отношение v dK ,dN ностей Q Лля

uX OX

и известного способов Q

„Nfj.С1 + Л г . v с + сэл

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

«гт.

(7)

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 генератор. (fT) и АВОКС (F).

Из выоажений () и (5) видно, чт число К регистрируемых тактов эталоного генератора линейно зависит от длины оптического пути (ln-nn) све- товодного 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 модулируют длину

3215912

оптического пути 0П пц) прямо про- порционально измеряемому воздействию (ln3ln /Зх + 1пЗпп/Э- const) . Отметим, что возможность линеаризации передаточной функции в рамках предлагаемого способа выгодно отличает его от традиционно аналоговых способов измерения физических

IQ величин, в большинстве случае характеризующихся нелинейной передаточ- ной характеристикой.

Пример. Рассмотрим реализацию предлагаемого способа в измерителе

15 перемещений, первичный преобразователь которого устроен следующим образом (фиг.4), Концы А и В У-образного ответвителя соединены с основным трактом. Излучение, поступающее в

20 ответвитель (А), выходит из его вы- ходного конца С, преобразуется с помощью объектива 0 в параллельный пучок и направляется на зеркало 3, соединенное с объективом, который мо25 жет перемещаться в направлении распространения светового пучка. Отраженное от зеркала излучение фокусируется объективом 0 в выходной торец ответвителя С и распространяется в

3Q направлении его выходного конца В. Таким образом, оптический путь излучения в тракте изменяется при перемещении зеркала 3. В соответствии с выражением (5)

35

dK

Nfr , ---dx

(здесь dx - перемещение зеркала) с учетом того, что воздушный зазор между зеркалом и световодом имеет показатель преломления п 1. В устрой- j стве используется кварцевый генератор с Јт 30 мГц. Число циркуляции импульса составляет N 10 . Таким образом, при индикации dK на частотомере единица младшего разряда соответствует десяти микронам. Общая длина световодного тракта 1 13 м, время С-эп 35 не. Тем самым период циркуляции импульсов в устройстве

равен 100 не, а время измерения (с учетом N ю6) составляет 0,Ъс.

В устройстве используются кварц- полимерный волоконный световод с диаметром сердцевины 00 мкм, частотомер Ф5041 в режиме счета импульсов, квантовые электронные модули МПД1-1А (оптический излучатель) и МПР1 (оптический приемник).

13

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 5%)

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.

73215914

тракт преобразуют в оптический импульс, отличающийся тем, что, с целью повышения точности цифре вого измерения аналоговой величины, после стартового электрического импульса формируют эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распроJQ странения оптического импульса в све- товодном тракте, и подсчитывают число импульсов эталонной последовательности импульсов с момента формирования стартового электрического импульса

15 до момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульса через световодный тракт, а при определении аналоговой величины вычисляют дифференциал аналоговой величины из

20 математического выражения

-

с Г. Зп А Э1П- dx --- 1-3- +П.7Г- dK Nf L 9x 9xJ

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации аналоговых величин све- товодными 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 све- товодный 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 световод- ног о тракта; х - аналоговая величина; k - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов; п - показатель преломления, b ил. (Я с -vl со к ел со

Ф

ормула изобретения 1. Способ цифрового измерения аналоговой величины, включающий много,- кратное 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

где с - скорость света в вакууме; f - частота эталонной последовательности импульсов; N - заданное число пропусканий оптического импульса через световодный тракт; 1 - длина оптического пути световодного тракта; х - аналоговая величина; К - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов; п - показатель преломления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при модуляции длину оптического пути световодного тракта изменяют прямо пропорционально аналоговой величине.

0

Запуск

Ъхад

Счет

Pue.t

fixqaj;

/

вход

ОСТАНОВ

РИГ. г.

TTN

I

Останов

Qb/ход cve/rr

ътай/п1

ътол

7

ff

12

- (WXOA

/3

л

вход

ЗАПУСК

вход Счет

Останоб Запуск

Фт.З