Волоконнооптические и интеллектуальные датчики

Темы рефератов

1. Использование термопар в металлургии.

2. Использование термопар в энергетике.

3. Использование пьезодатчиков в авиации и в ракетной технике.

4. Материалы для пьезодатчиков.

5. Фотоэлементы в технике.

6. Датчики, используемые при добыче и переработке урана.

7. Современные термодатчики.

8. Современные пьезодатчики.

9. Тахометрические датчики.

10. Химические датчики в медицине.

11. Химические датчики для контроля окружающей среды.

12. Использование радиоизотопов в авиации.

13. Классификация пьезодатчиков с примерами их использования.

14. Обзор новых публикаций по генераторным датчикам по материалам последних номеров журналов «Мир измерений», «Датчики и системы», «Нано и микросистемная техника».

15. Пьезодатчики в электромеханике.

16. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях.

Конец 60-х и 70-е годы прошлого века ознаменовались бурным развитием цифровой техники, цифровых измерительных приборов, микропроцессоров. В это же время начали создаваться и внедряться волоконно-оптические линии связи и волоконно-оптические датчики. Практически осваивался оптический диапазон сигналов. И если во второй половине 70-х годов имелись лишь экспериментальные образцы волоконно-оптических датчиков, то к середине 80-х годов этот тип датчиков стал одним из перспективных направлений в технике датчиков. Тогда же появился и термин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors). На базе волоконно-оптических датчиков отрабатывалась техника интеллектуальных датчиков, шло функциональное расширение операций, выполняемых в блоке обработки данных датчика путем их цифризации и упрощения операций нелинейного типа. В этом типе датчиков линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины обычно низкая. Но благодаря цифризации обработки информации эта проблема решается.

Развитие волоконно-оптических датчиков идет в русле сравнительно новой науки – оптоэлектроники.

В русле данной науки идет создание и совершенствование новых оптических волокон, лазеров и т.д.

Оптическое волокно обычно бывает двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля) и многомодовое – с передачей многих мод (до 100).

Конструктивно эти волокна различаются только диаметром сердечника – световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в оболочке.

В многомодовых волокнах диаметр сердечника примерно в десять раз больше чем у одномодовых.

Оптические волокна, как структурные элементы датчиков и систем связи имеют достаточно хорошие технические характеристики: широкополосность, малые потери, малый диаметр, малая масса, хорошая эластичность, большая механическая прочность, безиндукционность, взрывобезопасность, высокая электроизоляционная прочность, высокая коррозийная стойкость.

В области оптической связи важны широкополостность, малые потери, отсутствие взаимной интерференции, малый диаметр. В практике использования датчиков наибольшее значение имеют: безиндукционность, взрывобезопасность, высокая электроизоляционная прочность, устойчивость к коррозии.

В волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям и т.д.

Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их проявление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

По примененному в датчиках типу оптического волокна их можно разделить на датчики типа «линии передачи» (в основном, многомодовые оптические волокна) и сенсоры - чувствительные элементы (в основном, одномодовые оптические волокна).

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии (подводящие провода) необходимы для связи между этими элементами для формирования измерительной системы с датчиком. При практическом применении волоконно-оптических датчиков необходимо использование цифровой системной техники для образования измерительной системы.

Наиболее устоявшаяся классификация волоконно-оптических датчиков делит их на три типа: с изменением характеристик волокна; с изменением параметров передаваемого света; с чувствительным элементом на торце волокна.

Сфера применения волоконно-оптических датчиков очень широка: определение положения объекта в пространстве, измерения уровня, измерение деформации, измерение сверхвысоких напряжений, измерение влажности, определение радиационного фона и т.д. Ни один из других типов датчиков не может сравниться по широте сферы применения с волоконно-оптическим датчиком.

Развитие вычислительной техники, электроники привело к созданию в конце прошлого века интеллектуальных датчиков, к созданию элементов системной техники. Элементы системной техники – это микропроцессор с оперативной и постоянной памятью, АЦП, сетевой контроллер для связи с вычислительными сетями.

Основой современных тенденций в области датчиков является цель развития и совершенствования интеллектуальных датчиков, в которых собственно датчик (сенсор) объединен с электронной схемой в составе одной микросхемы.

В таком датчике выходной сигнал преобразуется в цифровой код, подвергается соответствующей обработке в микропроцессоре микросхемы, на выходе которой имеется сопряжение для подключения к стандартной шине. При этом значительно сокращаются кабельные связи, которые использовались для подключения датчика к ЭВМ.

Важную роль в развитии интеллектуальных датчиков должны сыграть стандарты. Стандартизация – это действия, направленные на достижение оптимальной степени упорядоченности в определенной области, посредством установления положений для всеобщего и многократного применения в отношении реально существующих и потенциальных задач. Стандарт – это нормативный документ, разработанный, как правило, на основе согласия, характеризующегося отсутствием возражений по существенным вопросам у большинства заинтересованных сторон и утвержденный признанным органом. Стандарты сыграли свою положительную роль в становлении и развитии электроники, вычислительной техники, машиностроения и т.д. Они играют важную роль и в технологии интеллектуальных датчиков. «Сенсорные» стандарты IEE 1451 определяют технические спецификации и интерфейсы датчиков.

Кроме обычных функций восприятия входной величины и преобразования сигнала интеллектуальные датчики выполняют ряд других функций [1]:

1. Функции преобразования. Датчик преобразует электрическую величину на выходе сенсора и производит ее измерение, при этом он выполняет коррекцию выходного сигнала по текущим показателям состояния окружающей среды (например, по температуре, давлению) в случае, если показания датчика зависят от них. В датчике производятся необходимые преобразования измерительной информации: усиление сигналов сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов, линеаризация и фильтрация, расчет выходных значений по заданным алгоритмам, аналого-цифровое преобразование значений измеряемой величины.

2. Функции самодиагностики. Датчики постоянно делают анализ своей работы: при возникновении сбоев, нарушений и неисправностей, фиксируют их место возникновения и определяют причину, определяют выход погрешности прибора за установленное значение, анализируют работу базы данных датчика, рассматривают правильность учета факторов, которые корректируют выходные показания датчика. Часто информация с датчика подразделяется на два типа: некритическая (когда требует определенного обслуживания, но измеряемые им значения могут использоваться для управления); критическая информация (когда выходные значения датчика неверны и либо требуется немедленное вмешательство оператора по остановке использования его показаний, либо сам датчик переводит свой выход в постоянное безопасное для управления процессом значение и сообщает о необходимости срочного вмешательства).

3. Информационные функции. Датчик хранит в памяти данные и выдает их по запросу пользователя. Данные определяют свойства, характеристики конкретного прибора: его тип, заводской номер, технические показатели, диапазоны измерения, установленную шкалу, работающую версию программного обеспечения, архив проведенных метрологических поверок, срок проведения следующей поверки датчика и т.д.

4. Функции конфигурирования. Дистанционное формирование или модификация пользователем основных настроечных параметров датчика: установка нуля, выбор заданного диапазона измерения, фильтрация текущих значений, выбор единиц измерения и т.д.

5. Функции форматирования. Автоматический анализ изменений измеряемой величины и текущего состояния среды измерения: определение выходов измеряемой величины за данные пределы, выдача различных сообщений об изменениях значений измеряемой величины.

6. Управляющие функции. Все большее число добавочных функций, связанных с управлением, возлагаются на интеллектуальные датчики.

Для реализации этих функций в память микропроцессора датчика прошивается набор типовых программных модулей, а их инициализация и параметризация проводится дистанционно с помощью графического конфигуратора. В качестве типовых программных модулей используются арифметические и логические операции, таймер, линии задержки, интегратор, варианты регуляторов: П, И, ПИ, ПД, ПИД, и т.д., функции которых легко набираются в различные алгоритмы управления технологическими процессами.

Интеллектуальные датчики имеют существенные преимущества перед обычными, такие как:

- уменьшение искажений измерительной информации на пути от датчика к контроллеру;

- увеличение надежности измерения, благодаря самодиагностике датчиков;

- возможность использования мультисенсорных датчиков в составе интеллектуальных датчиков;

- возможность проведения обработки измерительной информации в датчике и выдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицах измерения;

- возможность передачи в системы управления не только текущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе ее за пределы заданных норм;

- наличие в датчике базы данных для хранения значений измеряемой величины и других целей;

- возможность дистанционно в оперативном режиме выбирать диапазон измерения датчика, устанавливать «ноль» прибора;

- возможность путем программирования работы датчика реализовать в нем простые алгоритмы блокировок, регулирования, программного управления;

- возможность строить простые цепи блокировок регулирования программного управления на самом нижнем уровне управления, состоящем из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, вычислительных механизмов и контроллеров, не загружая этими вычислительными операциями контроллеры.

Преимущество использования цифровой техники в интеллектуальных датчиках - это сравнительно простая реализация операций высокого уровня, которые трудно выполнять аналоговыми устройствами. К таким операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на чувствительный элемент датчика уменьшается, и снижаются требования к характеристикам элемента.

Кроме того, благодаря цифровой обработке становится возможным измерения весьма малых величин.

Контрольные вопросы

1. Что обусловило «интеллектуализацию» волоконно-оптических датчиков.

2. Какого типа волокна используются в волоконно-оптических датчиках.

3. Каковы технические характеристики оптических волокон.

4. Назовите области применения оптических волокон.

5. Из каких элементов состоит волоконно-оптический датчик.

6. Какие технические характеристики оптических волокон главные для линии связи.

7. Какие технические характеристики оптических волокон главные для волоконно-оптических датчиков.

8. Назовите три типа волоконно-оптических датчиков согласно устоявшейся классификации.

9. Укажите состав элементов интеллектуального датчика.

10. Каковы функции преобразования в интеллектуальных датчиках.

11. Какие действия входят в функции диагностики интеллектуальных датчиков.

12. Чем характерны информационные функции интеллектуальных датчиков.

13. Какие действия входят в функции конфигурирования интеллектуальных датчиков.

14. Чем характерны функции форматирования интеллектуальных датчиков.

Рекомендуемая литература

1. Благовещенский, В.С. Управление и измерение в больших и малых системах: монография / В.С. Благовещенский – Чита, Изд-во ЧитГУ, 2007.

2. Громков Н.В. Интегрирующие развертывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления: монография / Н.В. Громков – Пенза: ПГУ, 2009 – 244с.

3. Пелюхова Е.Б. Синергетика в физических процессах / Е.Б. Пелюхова, Э.Е. Фрадкин – СПб.: Лань, 2011 – 320с.

4. Синяков А.Н. Современные интеллектуальные датчики общепромышленного назначения / А.Н. Синяков, В.Я. Мамаев – «Датчики и системы» №2, 2002.

5. Усаченко В.Г. Электронная синергетика. Физические основы самоорганизации и эволюции материи. Курс лекций / В.Г. Усаченко – СПб.: Лань, 2010 – 240с.

Дата добавления: 2014-12-27