Волоконно-оптический датчик частоты вращения (ВОДЧВ

Юрова О.В.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Информационно-измерительные системы (ИИС) с первичными преобразователями на основе волоконной оптики отвечают всем требованиям искро- и взрывобезопасности и работоспособны в условиях воздействия
сильных электромагнитных помех. При этом первичный преобразователь может быть удален от блока обработки информации на сотни метров. По этим причинам интерес к подобным ИИС постоянно возрастает.
Частота вращения является одной из наиболее часто измеряемых величин.
В статье описывается функциональная схема волоконно-оптического датчика частоты вращения (ВОДЧВ)
и рассматриваются некоторые вопросы реализации электронного блока датчика.
Волоконно-оптический датчик частоты вращения конструктивно состоит из электронного блока, волоконно-оптического кабеля и светомодулирующего ротор-датчика.
Рисунок 1 – Функциональная схема волоконно-оптического датчика частоты вращения (ВОДЧВ)
Светодиод BL1 генерирует инфракрасное излучение, вводимое в первое (подводящее) оптоволокно волоконно-оптического кабеля. По оптическому кабелю излучение подводится к объекту измерения, на вращающемся валу которого закреплен светомодулирующий диск (ротор-датчик), на периферийной части которого
нанесены чередующиеся отражающие (зеркальные) и поглощающие (зачерненные) полоски. Полоски могут
быть расположены либо на цилиндрической поверхности диска параллельно оси вращения, либо радиально
на плоскости диска. Инфракрасное излучение, подводимое по первому оптоволокну, в зависимости от углового положения ротор-датчика либо поглощается зачерненными участками последнего, либо отражается
от зеркальных. Отраженное излучение по второму (отводящему) оптоволокну кабеля возвращается электронному блоку, воздействуя на фотодиод BL2. При вращении светомодулирующего диска на фотодиод будет
поступать последовательность импульсов инфракрасного излучения. Импульсы излучения преобразуются в
электрические импульсы, которые усиливаются усилителем и нормируются пороговым устройством, входящим
и в состав усилителя-формирователя (УФ). Выходные импульсы имеют форму близкую к прямоугольной (крутые фронты и сходы), и заданную амплитуду.
Частота f поступает на фотодиод BL2 импульсов инфракрасного излучения определяется выражением:
f=nN/60,
где n – число оборотов в минуту контролируемого вала, N – число зеркальных полосок светомодулирующего диска.
При N=256 в диапазоне измерений n=(100…1800) об/сек получаем, что частота импульсов фототока,
подлежащих усилению, будет находиться в пределах f=(427…76800) Гц.
Импульсы фототока получаемые от BL2, имеют амплитуду порядка (3…10)·10-9А, зависящую от качества
полировки торцов оптоволокна и зеркальных полос светомодулирующего диска, расстояния между торцом
кабеля и светомодулирующим диском, а также разброса коэффициентов преобразования коэффициентов свето- и фотодиодов. А для надежной работы порогового устройства поступающие на него импульсы должны
иметь амплитуду не ниже (0,5…1) В. Т.е. усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления порядка
нескольких тысяч (до 20 000). Допуская некоторые округления, можно сказать, что усилитель в полосе
частот до 80кГц должен обеспечивать коэффициент усиления не менее 104 (80 дБ).
В разработанном ВОДЧВ усилитель импульсов фототока реализован на микросхеме К1401УД1, содержащей
токоразностных усилителя. В этих усилителях входной сигнал определяется разностью входных токов, а
не напряжений, как в обычных операционных усилителях. Для входных сигналов такой усилитель представляет собой практически короткозамкнутую цепь [1]. Работа с токовыми сигналами, а не с напряжениями,
позволяет, в частности, расширить полосу рабочих частот усилителя и получить в режиме малого сигнала
на частоте 1 МГц усиление в 100 раз [2]. Экспериментально исследованные образцы микросхем в неинвертирующем включении при коэффициенте усиления 500 обеспечивают полосу пропускания не ниже 250 кГц при
амплитуде выходного сигнала в 1 В. И это несмотря на относительно невысокие паспортные динамические
характеристики: частота единичного усиления 2,5 МГц и скорость нарастания выходного сигнала 0,5
В/мкс. Кроме того, этот усилитель имеет внутреннюю частотную коррекцию и работает от одного источника питания и способствует снижению массы и габаритов устройства.
Первый усилитель микросхемы использован в качестве преобразователя фототок-напряжение, второй – в
качестве линейного усилителя напряжения, третий – как усилитель-ограничитель напряжения. На четвертом реализован буферный повторитель напряжения, осуществляющий развязку усилительной части от порогового устройства.
В пороговом устройстве применена микросхема компаратора 521СА3. Выходной транзистор этой микросхемы допускает протекание тока до 50 мА, что обеспечивает быстрый перезаряд емкостей выходного кабеля и нагрузки. В экспериментах на нагрузке сопротивлением 1 кОм и входной емкостью 5100 пФ длительности фронта и спада импульсов не превышали 0,5 мкс.
Блок питания, конструктивно входящий в состав электронного блока, обеспечивает защиту от переполюсовки входного питающего напряжения, высокочастотную фильтрацию, а также вырабатывает из питающего
напряжения 27 В стабилизированные напряжения, необходимые для работы всех элементов ВОДЧВ. Реализован с использованием микросхем КР142ЕН8 и КР1156ЕУ5.
В качестве элементов BL 1 и BL2 использованы светодиод АЛ107Б и фотодиод ФД256 соответственно.
Опытный образец ВОДЧВ имеет следующие основные характеристики:
- диапазон измерений – от 100 до 18000 об/мин;
- питающее напряжение – 2774 В;
- общий ток потребления – не более 100 мА;
- сопротивление нагрузки – не менее 1 кОм;
- емкость нагрузки – не более 5000 пФ;
-
выходной сигнал – прямоугольный импульсы;
амплитуда Uвых = 9±1 В с нулевым смещением до 1,5 В;
длительность фронта и среза импульсов – не более 1 мкс;
диапазон рабочих температур электронного блока (-40…+50)ºС
ЛИТЕРАТУРА
1. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике – М.: Энергоатомиздат,
1987;
2. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение: Перевод с английского/Под общей
редакцией М. В. Гальперина – М.: Энергия, 1980