Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя


 


Владельцы патента RU 2565856:

Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" (RU)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре. Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя содержит оптически связанные источник света, поляризационно-оптическую систему, включающую фотоупругий элемент, два фотоприемника, источник опорного напряжения. При этом выход каждого фотоприемника подключен ко входу соответствующего преобразователя ток-напряжение, выходы которых подключены ко входу дифференциального усилителя и ко входу суммирующего усилителя. Выход суммирующего усилителя подключен ко входу усилителя сигнала ошибки. Ко второму входу усилителя сигнала ошибки подключен источник опорного напряжения, а к выходу усилителя - источник света. Выход дифференциального усилителя подключен к выходному интерфейсу. Техническим результатом является расширение полосы частот регистрируемого сигнала, повышение надежности и точности измерения деформаций, повышение помехоустойчивости, миниатюризация, расширение области применения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Уровень техники

Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения деформаций (напряжений), обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например с тензорезистивными преобразователями (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с. 45-48) [1].

Пьезооптический преобразователь состоит из оптически связанных источника света, поляризатора, фазовой пластинки, фотоупругого элемента, анализатора, фотоприемника и блока обработки сигнала. Световой поток от источника света проходит поляризатор и фазовую пластинку, затем проходит фотоупругий элемент, анализатор и попадает на фотоприемное устройство. Блок обработки сигнала преобразует ток с фотоприемника в электрический сигнал, пропорциональный величине внешнего напряжения, приложенного к фотоупругому элементу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству обработки сигнала пьезооптического преобразователя является устройство, описанное в АС №567964 (Миронов Ю.В., Слезингер И.И., Белицкий Г.М., Ширяев В.А. Авт. Свидетельство №567964, Бюллетень изобретения, 1977, №29) [2], которое содержит источник света, поляризационно-оптическую систему, включающую фотоупругий элемент, и два дифференциально включенных фотоприемника, при этом он снабжен источником опорного напряжения, управляемым блоком питания источника света, блоком сравнения и сумматором выходного сигнала фотоприемников, соединенным с одним из входов блока сравнения, другой вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход - ко входу управляемого блока питания.

Недостатком данного устройства является то, что схема подключения фотодиодов и регистратора сигнала ограничивает частотный спектр регистрируемого сигнала, что не позволяет регистрировать высокочастотный сигнал.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в создании миниатюрного устройства обработки сигнала с пьезооптического преобразователя с широкой полосой пропускания, малыми шумами, с большим соотношением сигнал/шум, с большим динамическим диапазоном, с малым энергопотреблением, позволяющее объединить его в единой конструкции с пьезооптическим преобразователем.

Технический результат - расширение полосы частот регистрируемого сигнала, повышение надежности и точности измерения деформаций, повышение помехоустойчивости, миниатюризация, расширение области применения.

Поставленная задача решена тем, что в известном устройстве обработки сигнала пьезооптического преобразователя, содержащем оптически связанные источник света, поляризационно-оптическую систему, включающую фотоупругий элемент, и два фотоприемника, источник опорного напряжения, согласно изобретению выход каждого фотоприемника подключен к входу соответствующего преобразователя ток-напряжение, выходы которых подключены как ко входу дифференциального усилителя, выходной сигнал которого пропорционален разности сигналов с фотоприемников, так и к входу суммирующего усилителя, выходной сигнал которого пропорционален сумме сигналов с фотоприемников, выход которого подключен ко входу усилителя сигнала обратной связи (сигнала ошибки), обеспечивающего постоянство сигнала с выхода суммирующего усилителя путем управления интенсивностью источника света, при этом ко второму входу усилителя обратной связи подключен источник опорного напряжения, а к выходу усилителя - источник света, при этом выход дифференциального усилителя, величина которого пропорциональна величине измеряемых напряжений, подключен к выходному интерфейсу.

Обоснование введенных признаков

Подключение выхода с фотоприемника к преобразователю ток-напряжение позволяет существенно расширить полосу пропускания устройства за счет размещения преобразователя непосредственно около фотоприемника и снижения отрицательного влияния паразитной емкости фотоприемника за счет стабилизации напряжения на фотоприемнике.

Преобразователь ток-напряжение может быть реализован на основе интегральных операционных усилителей, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум, что в свою очередь расширяет динамический диапазон измеряемого сигнала.

В качестве фотоприемных устройств могут использоваться многоэлементные фотоприемники с несколькими фоточувствительными элементами, объединенными в одном корпусе, что увеличивает помехозащищенность устройства.

В качестве источника света может быть использован светодиод.

Заявляемое устройство содержит петлю отрицательной обратной связи, состоящей из усилителя сигнала ошибки, сигнал с которого поступает на источник света, и источника опорного напряжения. Сигнал с выхода суммирующего усилителя поступает на вход усилителя сигнала ошибки. На второй вход усилителя сигнала ошибки поступает сигнал от источника опорного напряжения. Сигнал с выхода усилителя сигнала ошибки, пропорциональный разности этих напряжений, поступает на источник света, управляя его интенсивностью таким образом, чтобы сигнал суммирующего усилителя был равен опорному напряжению. Тем самым достигается постоянство величины суммарного сигнала с фотоприемников, т.е. постоянство фототока, вне зависимости от изменения излучательной способности светодиода и изменения чувствительности фотодиода со временем или при изменении температуры.

С целью миниатюризации блока обработки сигнала могут применяться микросхемы, объединяющие в своем корпусе упомянутые выше электронные компоненты.

За счет объединения устройства обработки сигнала с пьезооптическим преобразователем в единой конструкции (например, в едином металлическом корпусе) повышается устойчивость к воздействию внешних электромагнитных помех.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков, определяющая конструкцию устройства обработки сигнала, позволяет достичь заявленного технического результата: расширение полосы частот регистрируемого сигнала, повышение надежности и точности измерения деформаций, повышение помехоустойчивости, миниатюризация датчика.

Заявляемое устройство может быть подключено к удаленным приемникам сигнала через стандартный интерфейс, например через интерфейс аналоговой токовой петли, включающей источник тока, от которого он же может быть и запитан, ввиду малого потребляемого тока. Так как существуют интерфейсы аналоговой токовой петли, реализованные в одном миниатюрном корпусе, то этот интерфейс может быть интегрированным в единый корпус пьезооптического преобразователя.

Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет осуществлять двухпроводное соединение с удаленным приемником сигнала, минимизируя количество выводов устройства.

Описание устройства обработки сигнала

Описание устройства поясняется фигурой 1.

На фигуре 1 цифрами показаны: 1 - источник света, 2 - фотоупругий элемент поляризационно-оптической системы, 3, 4 - фотоприемники, 5, 6 - преобразователи сигналов фотоприемников ток-напряжение, 7 - дифференциальный усилитель, 8 - суммирующий усилитель, 9 - усилитель сигнала ошибки, 10 - источник опорного напряжения, 11 - внешний интерфейс. Другие элементы пьезооптического преобразователя не показаны.

Описание работы устройства

Устройство работает следующим образом.

Световой поток от источника света 1, проходящий через фотоупругий элемент поляризационно-оптической системы 2, попадает на фотоприемники 3, 4. Токи фотоприемников преобразуются в напряжения U1 и U2 с помощью преобразователей ток-напряжение 5, 6. Напряжения U1 и U2 поступают на входы дифференциального усилителя 7 и суммирующего усилителя 8. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 7 пропорционально разности напряжений U1-U2, а на выходе суммирующего усилителя 8 - пропорционально сумме напряжений U1+U2. Усилитель сигнала ошибки 9 сравнивает выходное напряжение усилителя 8 с напряжением источника опорного напряжения 10. Сигнал с выхода усилителя сигнала ошибки 9, пропорциональный разности этих напряжений, поступает на источник света, управляя его интенсивностью таким образом, чтобы сигнал суммирующего усилителя 8 был равен опорному напряжению. Полезным выходным сигналом данного устройства является сигнал с выхода дифференциального усилителя 7, который описывается выражением:

J=К*(U1-U2),

где J - выходной сигнал, К - постоянный коэффициент, определяемый при калибровке датчика.

Выходной сигнал дифференциального усилителя 7 подается на внешний интерфейс 11.

1. Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя, содержащее оптически связанные источник света, поляризационно-оптическую систему, включающую фотоупругий элемент, два фотоприемника, источник опорного напряжения, отличающееся тем, что выход каждого фотоприемника подключен к входу соответствующего преобразователя ток-напряжение, выходы которых подключены ко входу дифференциального усилителя и ко входу суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу усилителя сигнала ошибки, при этом ко второму входу усилителя сигнала ошибки подключен источник опорного напряжения, а к выходу усилителя - источник света, при этом выход дифференциального усилителя подключен к выходному интерфейсу.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве выходного интерфейса может быть использован стандартный интерфейс аналоговой токовой петли, обеспечивающий подключение к удаленным приемникам сигнала.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно может быть запитано от источника тока в составе интерфейса аналоговой токовой петли.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что источник опорного напряжения входит в состав микросхемы интерфейса аналоговой токовой петли.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля состояния летательных аппаратов в процессе эксплуатации. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата содержит датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту.

Изобретение относится к устройствам измерения деформации. Устройство для измерения деформаций содержит два или более датчиков деформации, каждый из которых способен измерять деформацию и каждый из которых выполнен так, что он может быть приспособлен для взаимодействия с конструкцией, которую требуется контролировать, так что деформация конструкции может детектироваться датчиком деформации, одну или более точек отсчета положения, расположенных в заданном положении относительно двух или более датчиков деформации.

Изобретение относится к измерительной технике и используется при определении механического напряжения в поверхностном слое изделия. Сущность изобретения заключается в том, что на испытуемую поверхность направляется весь расфокусированный поток излучения видимого диапазона и любой интенсивности и осуществляется регистрация величины отраженного потока с помощью фотоприемника, сравнение этой величины с эталонной, заранее полученной при известных величинах механического напряжения, температуры и шероховатости в поверхностном слое, для данного источника излучения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к системе «интеллектуального» троса для моста с использованием встроенных датчиков на основе волоконных решеток Брэгга (FBG) и может использоваться в тросовых несущих конструкциях вантовых, подвесных, арочных и других видов мостов.
Изобретение относится к области физики, в частности, к средствам измерения давления рабочей среды, как жидкости, так и газа и может найти применение при измерении давления на отдаленных объектах с передачей информации по волоконно-оптическому каналу связи, в частности, для измерения давления скважинной жидкости в нефтяных и газовых скважинах.

Система содержит источник света для передачи света на поверхность вала через множество пучков оптических волокон, расположенных во множестве местоположений вблизи поверхности в по существу аксиальном направлении между концами по меньшей мере одного вала; высокотемпературный зонд отражения на основе пучка волокон для обнаружения света, отраженного от поверхности вала, механизм измерения для определения крутящего момента или вибрации на валу.

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам и может использоваться для проверки и измерения параметров напряжения. Техническим результатом является повышение точности измерения.

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в системах защиты периметра территорий и помещений от несанкционированного доступа. Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией содержит лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, оптоволоконный кабель и блок управления и обработки.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике. Система содержит широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям перемещений. .

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.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в гравиметрах, сейсмоприемниках, а также в акселерометрах, вибропреобразователях.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин: линейных и угловых перемещений, силы, давления и др.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.).

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Наверх