Способ цифрового измерения аналоговой величины

%О 1) 21/ О 1)5 С О Зп 311 1 1 - -+ и- -бас йх дх вета в вакууме, е С - скорость астота эталонпульсов; К- й оптическодныи трактти световодая величина, пульсов этаимпульсов, я, 4 ил. зования аналогов ройствах обработ ого преоб налов и у ормации, Известен овых вели в том, цт измерения анаторый заключаетоконно-оптицепособ ин, к л в во ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМИ ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Специализированное конструкторское,бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР(56) Авторское свидетельство СССРИ 1477092, кл. С 01 Р 15/ОО, 1987Вгиахпзеоо 1 М.К. ТесЬп).ццев Йог.аеавцгщ Ьощгцйпа 1 Зегап ыСгайей 1 пйех РьЬегв. - Ргос. 81.Е,1985, ч.559, р.95-106,(54) СПОСОБ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛОГОВОЙ ВЕЯИЧИНЫ.(57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено длярегистрации аналоговых величин световодными измерительными устройствами, а также может быть использовано для число"импульсного или другогоциФрового преобразования аналоговыхсигналов в устройствах обработки .инФормации, Цель изобретения " повышение точности циФрового измеренияаналоговых 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 циФсобе 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 пропуска ний оптического импульса через световодный тракт. При определении аналоговой величины выцисляют дифференциал аналоговой величины из маС тематического выражения йх = --М ной последовательности и заданное число пропускан го импульса через светов 1 - длина оптического и ного тракта, х - аналого М - подсчитанное число и лонной последовательност и - показатель преломлен3 )173ский тракт устройства направляютизлучение в виде серий из 0 импульсов, отличающихся по амплитуде. Интенсивность 1(п) каждого и-го импульса в серии равна 1(п)=1/В(пбх),где и - номер импульса в серии,1 - начальная интенсивность, д(х) -Функция преобразования оптическоготракта, Ьх =х,- хпф /1(эдесь х, и х ,;и - соответственно максимальное и минимальное значения измеряемой величины х), Модулируя импульсы опроса измеряемымвоздействием преобразуют сигнал модуляции в изменение интенсивностиоптических импульсов, приводят ихк электрическому виду и по числу импульсов, амплитуды которых превышаютустановленное 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 способаи устройства можно отнести доста-точно высокую(0,1 " 14) погреш"ность измерений, связанную с .нестабильностью работы источника излучения и паразитной утечкой излученияв световодном тракте,Наиболее близким по техническойсущности к достигаемому результатуи предлагаемому является способ измерения аналоговых величин, реализованный в устройстве для измерениядлины световодного тракта. Устройство работает следующим образом. За"пускающий стартовый импульс подается на дискриминатор-формирователь,выход которого подключен к оптиче"скому передатчику, Импульс света сего оптического выхода через световодный тракт поступает на фотоприем". ник, где преобразуется к электрическому виду. После усиления.электрический импульс вновь поступает навход дискриминатора-формирователя,который восстанавливает его поамплитуде, форме и длительности достандартного первоначального неискаженного вида. Число М тактов регенерации импульса за постоянное время й составляетМ =1 п/с +рлгде с - скорость света в вакууме;и - показатель замедления групповой скорости, излучения вщ световоде;1 - протяженность световодноготракта;время задержки импульса вэлектронном тракте устрой 15ства.лПри известных величинах и, с и сизмеряя отношение Ю/, соответствующее частоте следования импульса через регенератор, определяют согласно20 (3) длину световодного тракта 1.В известном способе многократнопропускают оптический импульс, Формируемый из стартового электрического импульса, через световодныйд тракт, длину оптического пути кото"рого модулируют аналоговой величиной,причем после каждого предыдущегопропускания через световодный трактоптический импульс преобразуют в элекЗО трический импульс, который преобра"эуют в оптический импульс. перед последующим пропусканием через световодный тракт, Измеряемую величину хопределяют согласно выражению (1) поотношению И/с, равному частоте цирЗ 5 куляции импульса в замкнутой оптоэлектронной структуре.Однако известный способ имеет недостаточно высокую точность измерения аналоговой величины, обусловлен"ную регистрацией Н с точностью до одногб оборота импульса в замкнутомконтуре оптоэлектронной структуры,нелинейность Функции преобразования,что усложняет методику сбора и об работки измерительной информации, атакже может приводит к увеличению погрешности и к сужению динамическогодиапазона.Целью изобретения является повышение точности измерения аналоговойвеличины, а также линеаризация Функ"ции преобразования,Указанная цель достигается тем,что в способе измерения аналоговойвеличины, включающем многократноепропускание оптического импульса,Формируемого из стартового электрического импульса, через световодный.1 7321 тракт, длину оптического пути кото-рого модулируют аналоговой величиной, и определение аналоговой величины, причем после каждого предыдущего пропускания через световодный тракт5 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 20 формирования стартового.электрического импульса до момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульса через световодный тракт, а при определении аналоговой 25 величины вычисляют дифференциал анвлоговой величины из математического выражения 30 где с -й 35 40 50 55 а Йх = 1 п - -" + и - -41 Мг Зх дх 3 )скорость света в вакууме;частота эталонной последовательности импульсов,заданное число пропусканийоптицеского импульса черезсветоводный 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. На Фиг. 1 показана схема волоконно-оптического измерительного устройства, реализующего заявляемый способ; на Фиг,2 - схема управляемого цифрового регенератора стандартных импульсов; на Фиг. 3 - схе- ма измерительного блока; на Фиг 4 пример конкретной реализации пер 596вицного преобразователя устройствадля измерения перемещений.Устройство содержит замкнутые вкольцевую структуру оптический передатчик 1, световодный тракт 2 спервичным измерительным преобразователем 3, оптический приемник 4,цифровой управляемый регенератор 5стандартных импульсов. К входам"Стоп" блока 6 сопряжены с соответствующими входами регистратора 7,в качестве которого используетсястандартный электронносцетный частотомер.Регенератор 5 восстанавливаетФормы и амплитуду искаженных в световодном тракте импульсов, которыепоступают с входа приемника 4, достандартного вида, Через регенератор также вводится стартовый импульс(вход "Запуск") и прерывается процессрегенерации импульса (вход "Останов" )с режимом работы устройства.Цифровой управляемый регенератор5 (фиг.2) реализован на стандартнойэлементной 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, атакже одновибратор 13, причем второйвход элемента И 10 является входомнОстанов", второй вход элементаИЛИ 11 соединен с выходом одновибратора 13, вход которого являетсявходом "Запуск" регенератора 5.Измерительный блок 6 управляет 5работой регенератора 5 и регистратора .7, Его схема (Фиг.3) такжереализована на стандартной элементной базе по традиционным схемотехницеским решениям. Измерительныйблок 6 содержит первый 14 и второй25 таймеры, первый 15, второй 17, третий 20, четвертый 22 и пятый 27элементы И, первый 16, второй 21,третий 26 триггеры, первый 18, и второй 24 переключатели, генератор 19 запуска, эталонный генератор 23, при 4 чем первый вход таймера 14 является входом "Счет" блока 6 и соединен с первым входом элемента И 15,:второй7 17 вход таймера 1 ч соединен с переклю чателем 18, третий вход таймера 11 соединен с выходом генератора 19 запуска и входом внешнего запуска, второй вход элемента И 15 соединен с выходом таймера 1 ч, выход элемента И 15 соединен с вторым входом триггера 16, первый вход которого подклюцен к выходу генератора 19 запуска, прямой выход триггера 16 подключен к второму входу элемента Ич 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 б, 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 21, 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, длитель 32159 8ность и амплитуда сигнального импульса. Одновременно с сигналом "Запуск на выход "Счет" блока 6 подается стабилизированная по частотеимпульсная последовательность эталонного генератора 22, входящего вего состав. После заданного числаИ циклов обращения сигнального импульса в РВОКС, определяемого блоком 6 по входу "Счет" циклов рециркуля ции, на его выходах "Стоп" и"Останов" Формируются импульсы управления соответственно переводящиерегистратор 7 в режим индикации результатов измерения и прекращавшиерегенерацию сигнального импульса вАВОКС, Результатом измерения является число К импульсов эталонного генератора 22, поступивших за время Ициркуляций сигнального импульса вАВОКС на вход "Счет" РегистРатоРа 7(частотомер) . После индикации результатов измерения процесс повторяется вновь.Регенератор 5 работает следующимобразом. По приходу импульса с выхода оптического приемника 1 триггером Шмитта 8 Формируется прямоугольный импульс со стандартной для примененных циФровых микросхем амплитудой. При постоянном пороге триггера Шмитта 8 длительность этогоимпульса зависит от затухания всветоводном тракте 2 и коэФФициента 35 преобразования оптического приемника 1, В связи с этим одновибратор 9Формирует импульс, длительность которого не больше длительности им. пульса, поступающего на вход оптиче ского передатчика 1. С помощью эле-мента И 10 прекращается циркуляцияимпульса в АВОКС. С помощью одновибратора 13, Формирующего импульс,длительность которого не больше дли 4 тепьности импульса, поступающего воптический передатчик 1, и элемента, ИЛИ 11 осуществляется запуск цирку"ляции импульса в АВОКС, Одновибратор 12 Формирует импульс с заданной 10 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 сос.25 9 17321тояние, По окончании сигнала "Старт"через элемент И 20 устанавливаетсятриггер 21 и. на выходе "Запуск" блока6 формируется сигнал, я результатекоторого по АВОКС начинает циркулировать импульс, Одновременно с сигналом "Запуск" на таймер 25 и элемент И 27 с эталонного генератора23 через элемент И 17 подается стабилизированная по частоте импульснаяпоследовательность. После определенного числа И циклов обращения сигнального импульса в.РВОКС, заданного по входу "Счет", при помощи таймера 14, переключателя 18 и элемента И 15 срабатывает триггер 16. Навыходе "Останов", а через. элемент И22 на выходе "Стоп" блока 6 Формируются сигналы, соответственно пре.- 2 ркращающие регенерацию сигнальногоимпульса по АВОКС и переводящие регистратор 7 (частотомер) в режим индикации результатов измерений. Данная схема работает с первичнымипреобразователями. 3, имеющими в от, -сутствии измеряемого воздействияминимальную оптическую длину. В процессе измерений общая длина световодного тракта 2 и 3 увеличивается,Вследствие этого, количество импульсов стабильной частоты, прошед"ших на выход элемента И 17,. при измерениях больше, чем в отсутствииизмеряемого 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 элемент40И 17, в которой число импульсов пря"мо пропорционально измеряемой величине, т.е. равно разности междучислом импульсов при измеряемом воздействии и я его отсутствии, Дляэтого переключатель 24 программируттаймер 25 таким образом, чтобы вотсутствии воздействия через элементИ 27 на вход "Счет" не проходил ниодин импульс,Иногократное прохождение оптиче 59ского импульса по световодному тракту, включающему измерительный преобразователь, сопровождается изменением параметров этого импульса. В от,личие от режима длительного храненияоптического сигнала в АВОКС, когдана каждом проходе регенерируетсяформа, амплитуда, длительность и час(2) где и и1 - соответственно показательипреломления и длина чувствительного участка световодного тракта в первичном измерительном преобразователе.Согласно (2) чувствительность способа-прототипа дИ/с 1 х, которая представляет собой крутизну Функции преобразования М(х), запишем в виде г аЗнак минус в выражении (3) означает,что с увеличением длины оптическогопути уменьшается число регистрируемых импульсов,59 1 Отота 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 И (й = сопвс) оборотов импульса за постоянное время йсопзй (прототип) или времени С (И = сопвс) прохождения им целого числа раз (И = сопят) 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 бх напреобразователь 3 приводит к соответствующему изменению АХ числа им- пульсов11 17Увеличение цувствительности изме- рений в предлагаемом способе осуществляется за счет измерения интервала времени с (Исопзе), за которое происходит фиксированное и целоечисло Исопэс циркуляций. импульса в АВОКС. В этом случае за И оборотов импульса по АВОКС регистратором отсчитывается КГ е (Я = сопвс) тактов импульсной последовательности частотой 2 т эталонного генератора. Величина К и ее чувствительность ЙКЙх к изменениям дх измеряемой величины равны1 и лК Щ - -+срт с 7дк щ Ж 31 - + и --(5)йх с "дх лдхРазделив выражение (5) на выражение(3), получим отношение чувствительЙК с 1 Иностей Ц = - / - для предлагаемогодх йхи известного способовМ01и ц -г( - -+ь )сПри прочих равных для прототипа ипредлагаемого способа условиях иэвыражения (6) с учетом (1) следует,что32159 12 оптического пути (1 .п ) прямо проо апорционально измеряемому воздей. ( З 1/а 1 З./О" = -" ). Отметим, что возможность линеариза" ции передаточной функции в рамках предлагаемого способа выгодно отличает его от традиционно аналоговых способов измерения. Физических " велицин, в большинстве случае харак 510 теризующихся нелинейной передаточной характеристикой.П р и м е р. 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, соединенное с объективом, который мо жет перемещаться в направлении распространения светового пуцка. Отраженное от зеркала излучение Фокусируется объективом О в выходной торецответвителя С и распространяется в О направлении его выходного конца В,Таким образом, оптический путь излучения в тракте изменяется при перемещении зеркала 3 . В соответствии свыражениемЫтЙК = -- Йхсгде Р = Н/с - частота циркуляциисигнального импульсапо АВОКС.Таким образом, точность предлагаемого способа превышает точность способа-прототипа в число раз (7), равное отношению тактовых частот эталонного генератора (Г ) иАВОКС (Р).Из выражений (4) и (5) видно, что число К регистрируемых, тактов эталонного генератора линейно зависит от длины оптического пути (1 п) световодного тракта, подверженному измеряемому воздействию в первичном измерительном преобразователе. Это позволяет линеаризовать (ЙК/дх =сопв) функцию преобразования (К(х) измерительного устройства, работающего на основе предлагаемого способа. Для этого модулируат длину(здесь Йх - перемещение зеркала) с учетом того, что воздушный зазор между зеркалом и световодом имеет пока 40. затель преломления и = 1. В устройстае используется кварцевый генераторс й = 30 мГц, Число циркуляций им-пульса составляет М = 10 , Таким обЬразом, при индикации ЙК на цастотомере единица младшего разряда соответствует десяти микронам. Общаядлина световодного тракта 1 = 13 м,время Сэ,а 35 нс. Тем самым периодциркуляций импульсов в устройстве50 равен 100 нс, а время измерения (сучетом Н : 10 ) составляет 0 1 сЬ 6 устройстве используются кварц- полимерный волоконный световод с диаметром сердцевины 400 мкм, часто" томер Ф 5041 в режиме счета импульсов, квантовые электронные модули МПД 1"1 А (оптический излучатель) и ИПР 1 (оптический приемник) .17Испытания измерителя показали, что его нестабильность составляет 1-5 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 Ф) .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 изобретения1, Способ цифрового измерения аналоговой величины, включающий многькратное пропускание оптического импульса, формируемого из стартового электрического импульса, через свето- водный тракт, длину оптического пути которого модулируют аналоговой величиной, и определение аналоговой величины после заданного числа пропусканий оптического луча через свето- водный тракт, причем после каждого предыдущего пропускания через свето- водный тракт оптический импульс преобразуют в электрический импульс, который восстанавливают по длительности, амплитуде и форме, а перед последующим пропусканием через световодный 215 Ч 1 чтракт преобразуют в оптический импульс, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности цифрвого измерения аналоговой величины,после стартового электрического импульса формируют эталонную последовательность импульсов, период следования которых меньше времени распро странения оптического импульса в световодном тракте, и подсчитывают числоимпульсов эталонной последовательно"сти импульсов с момента формированиястартового электрического импульсадо момента завершения заданного числа пропусканий оптического импульсачерез световодный тракт, а при определении аналоговой величины вычисляютдифференциал аналоговой величины из 20 математического выраженияс, Зп 311 йх=- - 1 -- +иЙК,= ы з. а.3где с - скорость света в вакууме;25 К - частота эталонной последовательности импульсов;М - заданное число пропусканийоптического импулЬса черезсветоводный тракт; З 0 1 - длина оптического пути световодного тракта;х - аналоговая величина;К . - подсчитанное число импульсов эталонной последовательности импульсов;и - показатель преломления.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при модуляциидлину оптического пути световодноготракта изменяют прямо пропорционально аналоговой величине,/ХО О/7" м и Фиг.ф ев ктор С.Шекмар едактор И.Янкоеи Заказ 1574 Тираж ПолписноеВНИКЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва Ж, Рашсхая наб., д. 4/5 . изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уд. Гагарина, 10 Остде Техр ль А.БоМ.Дщьпс хИ зщРю 7