4.4 Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи волоконно – оптичних пвп

Основою побудови волоконно – оптичних чутливих перетворювальних елементів (ВОЧПЕ) є комбінація волоконно – оптичних ліній з фотоперетворювачами електричний сигнал → оптичний сигнал (Е/О) та оптичний сигнал → електричний сигнал (О/Е). залежно від перетворюваної фізичної величини, схеми чутливого перетворювального елемента фотоперетворювачі Е/О та О/Е використовують, як перетворювачі прямої або зворотної дії.

У ВОЧПЕ використовують відомі функціональні залежності між параметрами об’єкта та інтенсивністю.

Наведена класифікація свідчить про те, що перетворювання з використанням модуляції несучого випромінювання можна здійснювати в більшій кількості варіантів реалізації ніж при перетворюванні з прийняттям випроміненого світла або з оптичним збудженням.

Таблиця 1 – Коротка класифікаційна схема ВОЧПЕ

Принцип дії ВОЧПЕ	Особливості конструкції ВОЧПЕ	Приклади використання ВОЧПЕ
О/Е Обробка сигналу З прийняттям випроміненого світла	Випромінення Оптичний або світіння сигнал	ПВП зображення, ПВП радіації, інфрачервоний, ПВП температури
Е/О Сигнал збудження О/Е Обробка сигналу З оптичним збудженням	Оптичне Збудження збудження Оптичний Світіння сигнал	Люмінесцентні ПВП температури і складу речовин
Е/О Сигнал несучої О/Е Обробка сигналу З модуляцією світлової несучої а)з перетво-рюванням у самому волокні	Світлова несуча	ПВП шумів
Е/О Сигнал несучої О/Е Обробка сигналу б)з промі-жним перетворен-ням непрямого типу (оптичний)	Світлова несуча	ПВП вихрових струмів
Е/О Обробка сигналу Е/О в) з промі-жним перетворен-ням непрямого типу (електро - оптичний з кільцем із оптичного волокна)		Цифровий ПВП

4.5 Чутливі перетворювальні мікроелектронні елементи з вихідними сигналами у вигляді частоти імпульсів

Найпростіші чутливі перетворювальні елементи з частотним вихідним сигналом побудовані з використанням зручних особливостей об’єктів. Наприклад, (рисунок 4.4,а) для перетворення частоти обертання можна використати чутливий перетворювальний елемент, який складається із зубчастого колеса 1 з'єднаного з валом об’єкта і приймального електромагнітного пристрою. Приймальна котушка індуктивності 2 має осердя з постійного магніту 3, один полюс якого , що біля зубчатого колеса, з’єднаний з наконечником 4 із магніто – м'якого матеріалу. При обертанні зубчатого колеса зазор між наконечником і колесом періодично зменшується. Внаслідок зміни при цьому магнітної індукції в магнітному колі у котушці індукуються імпульси, частота яких пропорційна частоті обертання зубчастого колеса.

Кількість імпульсів за певний інтервал часу є функцією від частоти обертання об’єкта. Точність і роздільна здатність перетворювання залежить від кількості зубців у зубчатому колесі, точності розміщення зубців при виготовленні колеса та часу перетворювання.

У феромагнітному чутливому перетворювальному елементі витрат рідинної або газової речовини (рисунок 4.4,б) мало інерційна вертушка 1, виготовлена з магніто – м'якого матеріалу, встановлена в трубопроводі 2. Частота обертання вертушки залежить від швидкості руху потоку речовини.

Індукційна приймальна котушка 3 з осердям 4 у вигляді постійного магніту розташована на трубопроводі над вертушкою. У стінку трубопроводу запресований феромагнітний вкладиш 5, який має контакт з постійним магнітом осердя котушки. У момент проходження лопатки вертушки біля феромагнітного вкладиша у котушці індукуються електричні імпульси, частота яких є функцією швидкості руху вертушки.

У феростатичному чутливому перетворювальному елементі (рисунок 4.4,в) у приймальному електромагнітному пристрої 1 використано магніторезистор 2, електричний опір R_m якого залежить від інтенсивності магнітного потоку, що перетинає його. У момент проходження зубців колеса 3 повз приймальний пристрій внаслідок імпульсних змін магнітного потоку змінюється опір магніторезистора.

В електричному колі, складеному із джерела ЕРС та резисторів R, R_м, виникають імпульси струму, які резистором R перетворюються в імпульси напруги і через конденсатор С передаються на вихід. Конденсатор С виділяє імпульсний вихідний сигнал, частота слідування імпульсів якого є функцією перетворюваної фізичної величини, із сумарного спаду напруги , який має також сталу складову Е.

Оптичний чутливий перетворювальний елемент швидкостей потоків, витрат речовин містить непрозоре для світла колесо 1 з отворами 2, розміщеними по колу, джерело світла 3 (світлодіод, тощо), світло приймач 4 (світлодіод, фотоелемент, тощо). При обертанні диска, з'єднаного з об'єктом, світловий потік у деякі моменти часу проходить від джерела світла до світлоприймача, формуючи в його колі вихідний імпульсний сигнал, частота якого є функцією частоти обертання диску.

Рисунок 4.4 – Чутливі перетворювальні елементи з частотними вихідними сигналами:

а – електромагнітний для перетворювання середньої швидкості обертання; б – феромагнітний для перетворювання витрат речовини; в – феростатичний для перетворювання швидкості обертального руху; г – оптичний для перетворювання витрат речовини, швидкостей потоків.

Для отримання вихідних сигналів у вигляді частоти імпульсів широко використовують також автогенераторні схеми з чутливими перетворювальними елементами.

Наприклад на рисунку 4.5 подано спрощену схему авто генераторного чутливого перетворювального елемента температури з терморезистором R_T.

Рисунок 4.5 – Спрощена електрична схема авто генераторного чутливого перетворювального елемента температури

У схемі RC – генератора резистори R₁ та R₂ призначені для зменшення не лінійності перетворювання.

(4.1)

де - опір терморезистора при поточній температурі Т;

Т₀ – початкова температура;

R_T0 – опір терморезистора при температурі Т₀;

- температурний коефіцієнт електричного опору терморезистора.

Оскільки за допомогою терморезистора можна сприймати дію багатьох інших фізичних величин, то, передбачивши введення в схему корекції похибок від дії неінформативних величин, такий чутливий перетворювальний елемент можна використати і для перетворювання інших фізичних величин.

Для перетворювання статичних фізичних величин з досить високою точністю (похибка 0,1%, не лінійність 0,1%, поріг чутливості 0,03%) з частотними вихідними сигналами використовують також чутливі перетворювальні елементи з вібруючими струнними, стрижньовими, стрічковими, мембранними, пустотілими циліндричними та іншими механічно напруженими вібраторами. У таких перетворювальних елементах забезпечуються незгасаючі коливання. Їхня частота залежить від прикладеної до вібратора дії перетворюваної фізичної величини.

Наприклад на рисунку 4.6 подано структурно – функціональну схему струнного вібратора диференційного струнного чутливого перетворювального елемента тиску, сили, зміщення, тощо.

Рисунок 4.6 – Схема струнного вібратора

Перетворювана фізична величина через сильфон 1 створює додаткове напруження струнних вібраторів 2, що перебувають у попередньо напруженому стані. Власна частота коливань струни завдовжки l, розтягнутої між нерухомими стояками визначається виразом

, (4.2)

де F – сила натягу струни; m – маса струни; - механічне напруження в струні; - щільність матеріалу струни.

Внаслідок додаткового напруження струн змінюється частота коливання перетворювального елемента. Приймач 3 сприймає коливання струнного вібратора 2 і передає сформований ним електричний сигнал на підсилювач 5 з обмежувачем амплітуди коливань. Вихідний сигнал підсилювача 5 через збуджував 4 забезпечує коливання струнних вібраторів у незгасальному режимі. Частота вихідного сигналу чутливого перетворювального елемента зв'язана з вихідною перетворювальною фізичною величиною.

Вихідні сигнали чутливих перетворювальних елементів у вигляді частоти є практично послідовностями імпульсів. Такі сигнали найближче до цифрових і на них розповсюджуються переваги цифрових сигналів.

До переваг частотних сигналів слід віднести відсутність супроводжувальних сигналів синхронізації.

Завдяки виконанню на основі мікроелектронних технологій у малих розмірах і з невеликим енергоспоживанням, разом з чутливими перетворювальними елементами, безпосередньо з ПВП. Використовуються аналого – частотні перетворювачі. Мікроелектронні технології дають змогу об'єднувати чутливі перетворювальні елементи разом з АЦП з метою формування безпосередньо в ПВП цифрових сигналів, зручних для завадостійкої передачі на відстань, що підвищує надійність автоматичних систем, одночасно забезпечує можливість попередньої обробки інформації в ПВП, надання йому ознак інтелектуалізації, різкого підвищення його фізичної та метрологічної надійності.