83_85.pdf

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

Dział "Projekty Czytelników" zawiera opisy projektów nadesłanych do redakcji EP przez Czytelników. Redakcja nie bierze

odpowiedzialności za prawidłowe działanie opisywanych układów, gdyż nie testujemy ich laboratoryjnie, chociaż

sprawdzamy poprawność konstrukcji.

Prosimy o nadsyłanie własnych projektów z modelami (do zwrotu). Do artykułu należy dołączyć podpisane oświadczenie,

że artykuł jest własnym opracowaniem autora i nie był dotychczas nigdzie publikowany . Honorarium za publikację

w tym dziale wynosi 250,− zł (brutto) za 1 stronę w EP. Przysyłanych tekstów nie zwracamy. Redakcja zastrzega sobie

prawo do dokonywania skrótów.

Miernik mocy optycznej

w światłowodzie, część 1

Projekt

061

W†artykule

prezentujemy najbardziej

zaawansowany projekt

spoúrÛd nades³anych na

konkurs. Poniewaø tematyka

poruszana przez autora jest

o tyle interesuj¹ca, co ma³o

znana, zdecydowaliúmy siÍ

opublikowaÊ opis projektu

wraz ze wstÍpem

teoretycznym. Ze wzglÍdu

na znaczn¹ objÍtoúÊ artyku³

podzieliliúmy na czÍúci,

ktÛre bÍd¹ sukcesywnie

publikowane w†kolejnych

numerach EP.

Rozpoczynamy od

prezentacji zagadnieÒ

zwi¹zanych z†pomiarami

mocy optycznej w sieci

úwiat³owodowej.

WstÍp

Rozwijaj¹ca siÍ obecnie

technika úwiat³owodowa

znajduje coraz szersze zasto-

sowania w†systemach pomia-

rowych. Jest odpowiedzi¹ na

wci¹ø wzrastaj¹ce wymagania

zwi¹zane ze zwiÍkszon¹ licz-

b¹ punktÛw pomiarowych,

niezawodnoúci¹ oraz niskimi

kosztami wspÛ³czesnych sys-

temÛw pomiarowych. åwiat-

³owÛd przechodzi obecnie

ìmutacjÍî z†medium transmi-

syjnego w†aktywn¹ strukturÍ

czujnikow¹ z†roz³oøon¹ de-

tekcj¹, w†strukturÍ sieci bi-

narnych.

Coraz czÍúciej d¹øy siÍ

do opracowywania syste-

mÛw nadzorczych i†diagno-

zuj¹cych, maj¹cych na celu

zapewnienie bezawaryjnej

i†bezpiecznej pracy. Syste-

my takie pracuj¹ wy³¹cznie

w†zakresie detekcji stanÛw

kry-

tycznych lub

podkrytycznych. Bazuj¹

na duøej liczbie prostych,

czÍsto dwustanowych, czuj-

nikÛw pomiarowych. Zalet¹

stosowania w†tym zakresie

techniki úwiat³owodowej jest

praktyczna nieinwazyjnoúÊ

pomiarÛw, odpornoúÊ na za-

k³Ûcenia elektromagnetycz-

ne, odpornoúÊ na wiele za-

groøeÒ úrodowiskowych,

a†czÍsto rÛwnieø bezpieczeÒ-

stwo pracy (w zastosowa-

niach w†elektroenergetyce)

ze wzglÍdu na w³aúciwoúci

izolacyjne. Technika úwiat-

³owodowa umoøliwia rÛw-

nieø budowanie czujnikÛw

z†roz³oøon¹ i†ci¹g³¹ detekcj¹,

ktÛre znajduj¹ zastosowanie

w†monitorowaniu rozleg³ych

struktur inøyniers-

kich, takich jak mosty,

drogi, tamy, domy itp.

Czujniki úwiat³owodowe

åwiat³owody s¹ wrÍcz ide-

alnym oúrodkiem do przesy-

³ania informacji za pomoc¹ fa-

li elektromagnetycznej i†do

niedawna wy³¹cznie do takich

celÛw by³y wykorzystywane.

W†literaturze zastosowania te-

go typu s¹ okreúlane jako kon-

wencjonalne. Wraz z†rozwo-

jem techniki úwiat³owodowej

pojawi³y siÍ moøliwoúci jej

niekonwencjonalnych zastoso-

waÒ, np. do budowy czujni-

kÛw wielkoúci fizycznych.

Czujniki takie zosta³y nazwa-

ne úwiat³owodowymi.

Ze wzglÍdu na rozleg³oúÊ

tematu, przedstawione zosta-

Rys. 1.

Rys. 2a.

Rys. 2b.

Elektronika Praktyczna 6/99

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

te odcin-

kami po-

zbawiony-

mi p³asz-

cza tworz¹ specjal-

ne z³¹cze, ktÛre za-

nurza siÍ w†cieczy

( rys. 3 ).

MikrozgiÍciowy

czujnik si³y

Czujnik mikro-

zgiÍciowy ( rys. 4 ) zbudowany

jest z†dwÛch p³yt wykonanych

z†twardego materia³u. PomiÍ-

dzy ich wewnÍtrznymi, perio-

dycznie zdeformowanymi po-

wierzchniami, umieszczony

jest odcinek úwiat³owodu.

Dolna p³yta jest najczÍúciej

nieruchoma, natomiast gÛrna

p³yta moøe przemieszczaÊ siÍ

w†kierunku do niej prostopad-

³ym. åwiat³owÛd w†czujniku

jest do³¹czony z†jednej strony

do ürÛd³a úwiat³a, zaú z†dru-

giej do fotodetektora w†od-

biorniku.

Rys. 5a.

Rys. 3.

n¹ bardzo pobieønie tylko nie-

ktÛre, wybrane typy czujni-

kÛw.

Czujniki ze sprzÍøeniem

úwiat³owÛd-úwiat³owÛd

G³owicÍ pomiarow¹ tych

czujnikÛw stanowi¹ dwa koÒ-

ce sprzÍøonych czo³owo

úwiat³owodÛw. Jeden z†tych

úwiat³owodÛw moøe byÊ

wzglÍdem drugiego prze-

mieszczany (poprzez wymu-

szenie zewnÍtrzne) poziomo

lub pionowo rys. 1 . Prze-

mieszczenie ruchomego úwiat-

³owodu lub ruchomej przys³o-

ny moøe byÊ wywo³ane dzia-

³aniem zmiennej si³y, ciúnie-

nia lub temperatury.

Rys. 5b.

umoøliwia detekcjÍ przekro-

czenia parametrÛw krytycz-

nych w†mierzonej wielkoúci

pomiarowej.

Czujnik dwustanowy

o†w³asnoúciach bezpiecznika

( rys. 5b ) po przerwaniu pier-

úcienia (np. reaguj¹cego na

korozjÍ) ³¹cz¹cego pÍtlÍ úwiat-

³owodu zmniejsza swoje t³u-

mienie poprzez rozprÍøenie

pÍtli úwiat³owodowej. Inne

rozwi¹zania oparte na przery-

waniu lub zmianie konfigura-

cji pÍtli s³uø¹ jako swoistego

rodzaju binarne czujniki bez-

piecznikowe do detekcji prze-

kroczenia wartoúci temperatu-

ry, ciúnienia, naprÍøeÒ.

Odczyt informacji realizo-

wany jest przez pomiar t³u-

mienia (zmiany t³umienia)

magistrali na jej koÒcu. Po-

miar taki jest stosunkowo ³at-

wy, przy tym ma³o kosztow-

ny. Pasywna magistrala szere-

gowa przedstawiona jest na

rys. 6, gdzie w†transmisyjnej

linii úwiat³owodowej roz-

mieszczono czujniki binarne

o†stanach logicznych ì0î

i†ì1î, odpowiadaj¹cych np.

stanom ma³ego i†duøego t³u-

mienia (na ìjasnoî i†na ìciem-

noî), w†przypadku czujnikÛw

t³umieniowych. Magistrala

rÛwnoleg³a z†rys. 7†wymaga

sprzÍgania czujnikÛw poprzez

ga³Ízie rÛwnoleg³e. W†zaleø-

noúci od rodzaju pracy - na

ìciemnoî lub ìjasnoî - z†czuj-

nikami t³umieniowymi, dete-

kowany sygna³ realizuje fun-

kcjÍ logiczn¹ AND lub OR.

W†omawianych magistra-

lach czujnikowych mierzona

zmiana t³umienia (w nieskom-

plikowanym uk³adzie odbior-

czym) moøe osi¹gaÊ wartoúÊ

u³amka lub kilku dB, co limi-

tuje rozleg³oúÊ magistrali oraz

liczbÍ czujnikÛw. Przyk³ado-

wo, przy zmianach t³umienia

czujnikÛw rzÍdu 0,1dB..1dB

w†magistrali moøna rozmieú-

Sieci i†magistrale

z†czujnikami

úwiat³owodowymi

Wykorzystanie úwiat³owo-

du do budowy czujnikÛw

oraz jako medium transmisyj-

nego dla sygna³Ûw pomiaro-

wych pozwala na tworzenie

sieci rÛønego typu i†przezna-

czenia. Ostrym wymaganiom

stawianym przez przemys³o-

we uk³ady pomiarowe

w†znacznym stopniu potrafi¹

sprostaÊ znajduj¹ce obecnie

coraz wiÍksze zastosowanie

úwiat³owodowe sieci pomia-

rowe z†czujnikami dwustano-

wymi, zwanymi takøe siecia-

mi z†czujnikami binarnymi.

Uk³ady te wprowadza siÍ

g³Ûwnie tam, gdzie nie jest

wymagane uzyskanie infor-

macji o†dok³adnej wartoúci

mierzonej wielkoúci, lecz

stwierdzenie faktu o†przekro-

czeniu krytycznej wartoúci

mierzonej wielkoúci fizyko-

chemicznej.

Czujniki odbiciowe

W†pomiarach zmian po³o-

øenia, rÛønego rodzaju drgaÒ,

wykorzystuje siÍ ruch po

wierzchni odbijaj¹cej úwiat³o.

Podstawowe koncepcje roz-

wi¹zaÒ przedstawiono na rys.

2 .

Czujniki strat emisji

Wprowadzone do úwiat³o-

wodu promieniowanie moøe

siÍ w†nim rozchodziÊ w†po-

staci fal w³asnych rdzenia, fal

p³aszcza, wzglÍdnie wyciekaÊ

do otaczaj¹cego oúrodka. In-

dukowanie strat transmisji,

wywo³anych zmian¹ sprzÍøe-

nia miÍdzy rÛwnolegle z³¹czo-

nymi odcinkami úwiat³owo-

dÛw, znajduje zastosowanie

w†úwiat³owodowych czujni-

kach temperatury, czujnikach

do pomiaru wspÛ³czynnika

za³amania cieczy oraz czujni-

ka do pomiaru poziomu cie-

czy. Dla przyk³adu: dwa rÛw-

noleg³e úwiat³owody zetkniÍ-

Magistrale

úwiat³owodowe

z†czujnikami binarnymi

WyrÛønia siÍ trzy podsta-

wowe typy magistrali úwiat³o-

wodowych: szeregowe, rÛw-

noleg³e i†szeregowo-rÛwnoleg-

³e, tzw. ìmieszaneî.

Na rys. 6 przedstawiono

topologiÍ úwiat³owodowej ma-

gistrali szeregowej i†jej pracÍ

w†detekcji na ìciemnoî, a†na

rys. 7 topologiÍ úwiat³owodo-

wej magistrali rÛwnoleg³ej

i†jej pracÍ w†detekcji na ìjas-

noî.

Czujniki binarne jako

elementy magistrali

Czujniki binarne s¹ zasad-

niczymi elementami magistra-

li úwiat³owodowej. Rozwi¹za-

nie konstrukcyjne czujnikÛw

binarnych (dwustanowych)

Rys. 4.

Rys. 6.

Elektronika Praktyczna 2/98

Elektronika Praktyczna 6/99

P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W

Rys. 7.

z†kana³Ûw. Taka czÍstoúÊ jest

kompromisem podyktowanym

z†jednej strony wymaganiami

systemÛw zabezpieczeÒ - po-

miar moøliwie jak najczÍstszy

- a†z†drugiej strony ograniczo-

nymi moøliwoúciami sprzÍto-

wymi.

Wynik pojedynczego po-

miaru jest z†kolei úredni¹

arytmetyczn¹ kilkunastu war-

toúci (w celu uproszczenia re-

alizacji programowej przyjÍto

16). Jak ³atwo obliczyÊ w†ci¹-

gu jednej sekundy naleøy wy-

konaÊ: 8 (kana³Ûw) *10 (pomiarÛw) *16 (prÛ-

bek) =1280 pomiarÛw.

Dla tak krÛtkiego czasu

pomiaru wybÛr pad³ na czuj-

niki z†wyjúciem napiÍciowym.

Czujniki z†wyjúciem czÍstotli-

woúciowym, mimo iø s¹ bar-

dziej dok³adne oraz umoøli-

wiaj¹ sterowanie ich paramet-

rami, nie pozwoli³yby na po-

miar z†tak duø¹ czÍstoúci¹.

Przyrz¹d wspÛ³pracuje

z†czujnikami: TSL250, TSL251,

TSL252, TSL260, TSL261

i†TSL262. Czujniki te charak-

teryzuj¹ siÍ doúÊ znaczn¹ dy-

namik¹ (maks. TSL251: 28dB).

Zapewnienie odpowied-

niej dok³adnoúci w†ca³ym za-

kresie czu³oúci osi¹gniÍto

sprzÍtowo, poprzez zastoso-

wanie wzmacniacza, ktÛrego

schemat znajduje siÍ na rys.

9 . TrÛjstopniowa zmiana jego

wzmocnienia - x1, x10, x100

- pozwala na dostosowanie

miernika do mierzonego za-

kresu mocy.

Wszystkie czujniki charak-

teryzuj¹ siÍ takøe nielinio-

wym zakresem widmowym.

Aby to uwzglÍdniÊ, rÛwnieø

i†w†tym przypadku zdecydo-

wano siÍ na rozwi¹zanie

sprzÍtowe. Zastosowano kolej-

ny wzmacniacz z†moøliwoúci¹

p³ynnego nastawienia wzmoc-

nienia w†zakresie od 0,1 do

10. Uproúci³o to doúÊ znacz-

nie oprogramowanie. Program

nie musi bowiem przeliczaÊ

wartoúci ze wzglÍdu na d³u-

goúÊ fali. Rozwi¹zanie takie

by³o podyktowane tym, øe pa-

rametry danej sieci, takie jak

zakres mocy czy d³ugoúÊ fali

úwietlnej, bÍd¹ zazwyczaj sta-

³e i†znane uøytkownikowi.

Wystarczy wiÍc jednokrotne

dostosowanie przyrz¹du na

pocz¹tku uøytkowania.

Czujnik natÍøenia pod³¹-

czony jest poprzez prze³¹cz-

nik S1 do wejúcia pierwszego

wzmacniacza. Prze³¹cznik S1

umoøliwia kalibracjÍ przyrz¹-

du, pozwalaj¹c na przy³¹cze-

nie wejúcia wzmacniacza do

napiÍcia kalibruj¹cego ze

ürÛd³a odniesienia. Uøytkow-

nik bez dodatkowych przyrz¹-

dÛw bÍdzie mÛg³ dobraÊ

wzmocnienie w†pierwszym

stopniu stosownie do d³ugoú-

ci mierzonej fali optycznej.

Jako wzmacniacz zastoso-

wano poczwÛrny wzmac-

niacz TL074. ZarÛwno pier-

wszy jak i†drugi stopieÒ pra-

cuj¹ w†konfiguracji wzmac-

niaczy odwracaj¹cych, co

w†rezultacie daje na wyjúciu

napiÍcie dodatnie, wymaga-

ne przez przetwornik A/C.

Prze³¹cznik S2, ktÛrym zmie-

niane jest wzmocnienie dru-

giego stopnia (1x, 10x, 100x),

umoøliwia wybÛr zakresu

pomiarowego. Dioda D1 w³¹-

czona zaporowo w†pÍtli

ujemnego sprzÍøenia zwrot-

nego ma za zadanie ograni-

czyÊ wartoúÊ maksymalnego

napiÍcia na wyjúciu wzmac-

niacza do poziomu 5,1V -

dopuszczalnego napiÍcia ja-

kie moøe pojawiÊ siÍ na we-

júciu przetwornika A/C. Kon-

densator C1 znajduj¹cy siÍ

w†pÍtli sprzÍøenia ogranicza,

od strony wyøszych czÍstot-

liwoúci, pasmo przenoszenia

ìwycinaj¹cî wiÍkszoúÊ za-

k³ÛceÒ. Wzmacniacze zosta-

³y zasilone symetrycznym

napiÍciem ±†12V. Zapewni³o

to pracÍ z†dala od zakresu

nasycenia.

Marek Fiołka

Rys. 8.

ciÊ do kilkuset czujnikÛw (!!)

w†zaleønoúci od sposobu jej

pracy.

czujnikÛw bÍdzie mia³a decy-

duj¹cy wp³yw na poziom mo-

cy strumienia na wyjúciu.

Konstruuj¹c miernik mocy

optycznej do tego typu sieci

pomiarowych naleøa³o wzi¹Ê

pod uwagÍ wszystkie wymie-

nione wyøej czynniki. Taki

wiÍc miernik powinien cha-

rakteryzowaÊ siÍ odpowiednio

duøym przedzia³em wartoúci

mierzonej mocy. Powinien za-

pewniÊ odpowiedni¹ rozdziel-

czoúÊ i†dok³adnoúÊ w†ca³ym

zakresie pomiarowym. Nale-

øa³o uwzglÍdniÊ rÛwnieø d³u-

goúÊ fali i†szerokoúÊ widma.

Na podstawie za³oøeÒ

wstÍpnych powsta³ schemat

blokowy urz¹dzenia pomiaro-

wego, ktÛry przedstawiono na

rys. 8 .

Konstrukcja miernika

mocy optycznej

Wymagania pomiaru

mocy w†sieci

czujnikowej

Buduj¹c przyrz¹d pomia-

rowy do zastosowaÒ w†úwiat-

³owodowych sieciach pomia-

rowych trzeba zdaÊ sobie

sprawÍ, øe na dzisiaj nie is-

tniej¹ jeszcze øadne normy

czy standardy, ktÛre precyzo-

wa³yby zagadnienia zwi¹zane

z†analogowymi b¹dü binarny-

mi úwiat³owodowymi siecia-

mi pomiarowymi.

èrÛd³a promieniowania

optycznego mog¹ znacznie

rÛøniÊ siÍ w†poszczegÛlnych

rozwi¹zaniach. RÛønica ta

moøe dotyczyÊ kaødego z†pa-

rametrÛw emitowanej przez

nie fali optycznej, pocz¹wszy

od poziomu mocy, poprzez

d³ugoúÊ fali, szerokoúÊ widma

czy teø polaryzacjÍ. Kolejnym

elementem jest sam úwiat³o-

wÛd. Spotykane s¹ obecnie

rozwi¹zania z†uøyciem zarÛ-

wno úwiat³owodÛw gradiento-

wych jak i†jednomodowych.

Takøe czujniki charaktery-

zuj¹ siÍ spor¹ rÛønorodnoú-

ci¹. Nie istniej¹ np. standar-

dowe wartoúci t³umienia. Sa-

ma struktura pomiarowej sie-

ci úwiat³owodowej moøe byÊ

kolejn¹ przyczyn¹ rÛønic.

Liczba zastosowanych w†niej

Tor pomiarowy

Zadaniem toru pomiaro-

wego jest detekcja strumienia

optycznego. Dokonuj¹c wybo-

ru detektorÛw mocy optycz-

nej, ze wzglÍdu na swe nie-

w¹tpliwe zalety, zdecydowa-

no siÍ na czujniki z†serii In-

telligent Opto

Sensors pro-

dukcji Texas

Instruments.

Pomiar doko-

nywany jest

w†oúmiu kana-

³ach pomiaro-

wych z†czÍs-

toúci¹ dziesiÍÊ

pomiarÛw na

sekundÍ

w†kaødym

Rys. 9.

Elektronika Praktyczna 6/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: