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
W artykule
prezentujemy najbardziej 061
zaawansowany projekt
spośr�d nadesłanych na
konkurs. Poniewał tematyka
poruszana przez autora jest
o tyle interesująca, co mało
znana, zdecydowaliśmy si�
opublikowaĘ opis projektu
wraz ze wst�pem
teoretycznym. Ze wzgl�du
na znaczną obj�tośĘ artykuł
podzieliliśmy na cz�ści,
kt�re b�dą sukcesywnie
publikowane w kolejnych
numerach EP.
Rozpoczynamy od
prezentacji zagadnie�
związanych z pomiarami
mocy optycznej w sieci
światłowodowej.
Wst�p k r y - struktur inłyniers-
Rozwijająca si� obecnie tycznych lub kich, takich jak mosty,
technika światłowodowa podkrytycznych. Bazują drogi, tamy, domy itp.
znajduje coraz szersze zasto- na dułej liczbie prostych,
sowania w systemach pomia- cz�sto dwustanowych, czuj- Czujniki światłowodowe
rowych. Jest odpowiedzią na nik�w pomiarowych. Zaletą �wiatłowodysą wr�czide-
wciął wzrastające wymagania stosowania w tym zakresie alnym ośrodkiem do przesy-
związane ze zwi�kszoną licz- techniki światłowodowej jest łaniainformacjiza pomocąfa-
bą punkt�w pomiarowych, praktyczna nieinwazyjnośĘ li elektromagnetycznej i do
niezawodnością oraz niskimi pomiar�w, odpornośĘ na za- niedawna wyłącznie dotakich
kosztami wsp�łczesnych sys- kł�cenia elektromagnetycz- cel�w były wykorzystywane.
tem�w pomiarowych. �wiat- ne, odpornośĘ na wiele za- W literaturzezastosowaniate-
łow�d przechodzi obecnie grołe� środowiskowych, gotypusą określanejako kon-
�mutacj�� z medium transmi- a cz�sto r�wnieł bezpiecze�- wencjonalne. Wraz z rozwo-
syjnego w aktywną struktur� stwo pracy (w zastosowa- jem techniki światłowodowej
czujnikową z rozłołoną de- niach w elektroenergetyce) pojawiły si� mołliwości jej
tekcją, w struktur� sieci bi- ze wzgl�du na właściwości niekonwencjonalnychzastoso-
narnych. izolacyjne. Technika świat- wa�, np. do budowy czujni-
Coraz cz�ściej dąły si� łowodowa umołliwia r�w- k�w wielkości fizycznych.
do opracowywania syste- nieł budowanie czujnik�w Czujniki takie zostały nazwa-
m�w nadzorczych i diagno- z rozłołoną i ciągłą detekcją, ne światłowodowymi.
zujących, mających na celu kt�re znajdują zastosowanie Ze wzgl�du na rozległośĘ
zapewnienie bezawaryjnej w monitorowaniu rozległych tematu, przedstawione zosta-
i bezpiecznej pracy. Syste-
my takie pracują wyłącznie
w zakresie detekcji stan�w
Rys. 1. Rys. 2a. Rys. 2b.
Elektronika Praktyczna 6/99
83
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 płasz-
cza tworzą specjal-
ne złącze, kt�re za-
nurza si� w cieczy
(rys. 3).
Mikrozgi�ciowy
Rys. 5a.
czujnik siły
Czujnik mikro-
zgi�ciowy (rys. 4) zbudowany
jestz dw�ch płyt wykonanych
Rys. 3.
z twardego materiału. Pomi�-
dzyich wewn�trznymi, perio-
ną bardzo pobiełnietylko nie- dycznie zdeformowanymi po-
kt�re, wybrane typy czujni- wierzchniami, umieszczony
k�w. jest odcinek światłowodu.
Dolna płyta jest najcz�ściej
Czujniki ze sprz�łeniem nieruchoma, natomiast g�rna
światłow�d-światłow�d płyta mołe przemieszczaĘ si�
Głowic� pomiarową tych w kierunku do niej prostopad-
czujnik�w stanowią dwa ko�- łym. �wiatłow�d w czujniku
Rys. 5b.
ce sprz�łonych czołowo jest dołączony z jednej strony
światłowod�w. Jeden z tych do �r�dła światła, zaś z dru-
światłowod�w mołe byĘ giej do fotodetektora w od- umołliwia detekcj� przekro- Odczyt informacji realizo-
wzgl�dem drugiego prze- biorniku. czenia parametr�w krytycz- wany jest przez pomiar tłu-
mieszczany (poprzez wymu- nych w mierzonej wielkości mienia (zmiany tłumienia)
szenie zewn�trzne) poziomo Sieci i magistrale pomiarowej. magistrali na jej ko�cu. Po-
lub pionowo rys. 1. Prze- z czujnikami Czujnik dwustanowy miar taki jest stosunkowo łat-
mieszczenieruchomegoświat- światłowodowymi o własnościach bezpiecznika wy, przy tym mało kosztow-
łowodulubruchomej przysło- Wykorzystanieświatłowo- (rys. 5b) po przerwaniu pier- ny. Pasywna magistrala szere-
ny mołe byĘ wywołane dzia- du do budowy czujnik�w ścienia (np. reagującego na gowa przedstawiona jest na
łaniem zmiennej siły, ciśnie- orazjako mediumtransmisyj- korozj�)łączącego p�tl�świat- rys. 6, gdzie w transmisyjnej
nia lub temperatury. nego dla sygnał�w pomiaro- łowodu zmniejsza swoje tłu- linii światłowodowej roz-
wych pozwala na tworzenie mienie poprzez rozpr�łenie mieszczono czujniki binarne
Czujniki odbiciowe sieci r�łnego typu i przezna- p�tli światłowodowej. Inne o stanach logicznych �0�
W pomiarach zmian poło- czenia. Ostrym wymaganiom rozwiązania oparte na przery- i �1�, odpowiadających np.
łenia, r�łnego rodzaju drga�, stawianym przez przemysło- waniu lub zmianie konfigura- stanom małego i dułego tłu-
wykorzystuje si� ruch po we układy pomiarowe cji p�tli słułą jako swoistego mienia(na�jasno�i na�ciem-
wierzchni odbijającej światło. w znacznym stopniu potrafią rodzaju binarne czujniki bez- no�), w przypadku czujnik�w
Podstawowe koncepcje roz- sprostaĘ znajdujące obecnie piecznikowe do detekcji prze- tłumieniowych. Magistrala
wiąza� przedstawiono na rys. coraz wi�ksze zastosowanie kroczenia wartościtemperatu- r�wnoległa z rys. 7 wymaga
2. światłowodowe sieci pomia- ry, ciśnienia, napr�łe�. sprz�ganiaczujnik�w poprzez
rowe z czujnikami dwustano- gał�zie r�wnoległe. W zaleł-
Czujniki strat emisji wymi, zwanymi takłe siecia- Magistrale ności od rodzaju pracy - na
Wprowadzone do światło- mi z czujnikami binarnymi. światłowodowe �ciemno�lub�jasno�-z czuj-
wodu promieniowanie mołe Układy te wprowadza si� z czujnikami binarnymi nikami tłumieniowymi, dete-
si� w nim rozchodziĘ w po- gł�wnie tam, gdzie nie jest Wyr�łnia si� trzy podsta- kowany sygnał realizuje fun-
staci fal własnych rdzenia, fal wymagane uzyskanie infor- wowetypy magistraliświatło- kcj� logiczną AND lub OR.
płaszcza, wzgl�dnie wyciekaĘ macji o dokładnej wartości wodowych: szeregowe, r�w- W omawianych magistra-
do otaczającego ośrodka. In- mierzonej wielkości, lecz noległei szeregowo-r�wnoleg- lach czujnikowych mierzona
dukowanie strat transmisji, stwierdzenie faktu o przekro- łe, tzw. �mieszane�. zmianatłumienia(w nieskom-
wywołanych zmianą sprz�łe- czeniu krytycznej wartości Na rys. 6 przedstawiono plikowanym układzie odbior-
nia mi�dzyr�wnoleglezłączo- mierzonej wielkości fizyko- topologi�światłowodowej ma- czym) mołe osiągaĘ wartośĘ
nymi odcinkami światłowo- chemicznej. gistrali szeregowej i jej prac� ułamka lub kilku dB, co limi-
d�w, znajduje zastosowanie w detekcji na �ciemno�, a na tuje rozległośĘ magistrali oraz
w światłowodowych czujni- Czujniki binarne jako rys. 7 topologi� światłowodo- liczb� czujnik�w. Przykłado-
kach temperatury, czujnikach elementy magistrali wej magistrali r�wnoległej wo, przy zmianach tłumienia
do pomiaru wsp�łczynnika Czujniki binarne są zasad- i jej prac� w detekcji na �jas- czujnik�w rz�du 0,1dB..1dB
załamania cieczy oraz czujni- niczymielementami magistra- no�. w magistrali mołna rozmieś-
ka do pomiaru poziomu cie- li światłowodowej. Rozwiąza-
czy. Dla przykładu: dwa r�w- nie konstrukcyjne czujnik�w
noległe światłowody zetkni�- binarnych (dwustanowych)
Rys. 4. Rys. 6.
Elektronika Praktyczna 2/98
Elektronika Praktyczna 6/99
84
P R O J E K T Y C Z Y T E L N I K Ó W
z kanał�w. Taka cz�stośĘ jest gośĘ fali. Rozwiązanie takie
kompromisem podyktowanym było podyktowanetym,łe pa-
z jednej strony wymaganiami rametry danej sieci, takie jak
system�w zabezpiecze� - po- zakres mocy czy długośĘ fali
miar mołliwie jak najcz�stszy świetlnej, b�dą zazwyczaj sta-
-a z drugiej strony ograniczo- łe i znane ułytkownikowi.
nymi mołliwościami sprz�to- Wystarczy wi�c jednokrotne
wymi. dostosowanie przyrządu na
Wynik pojedynczego po- początku ułytkowania.
miaru jest z kolei średnią Czujnik nat�łenia podłą-
arytmetyczną kilkunastu war- czony jest poprzez przełącz-
Rys. 7.
tości (w celu uproszczenia re- nik S1 do wejścia pierwszego
alizacji programowej przyj�to wzmacniacza. Przełącznik S1
16). Jak łatwo obliczyĘ w cią- umołliwia kalibracj� przyrzą-
gu jednej sekundy naleły wy- du, pozwalając na przyłącze-
konaĘ: 8(kanał�w)*10(pomiar�w)*16(pr�- nie wejścia wzmacniacza do
=1280 pomiar�w. napi�cia kalibrującego ze
bek)
Dla tak kr�tkiego czasu �r�dła odniesienia. Ułytkow-
pomiaru wyb�r padł na czuj- nik bez dodatkowych przyrzą-
nikiz wyjściem napi�ciowym. d�w b�dzie m�gł dobraĘ
Czujniki z wyjściem cz�stotli- wzmocnienie w pierwszym
wościowym, mimo ił są bar- stopniu stosownie do długoś-
dziej dokładne oraz umołli- ci mierzonej fali optycznej.
wiają sterowanie ich paramet- Jako wzmacniacz zastoso-
Rys. 8.
rami, nie pozwoliłyby na po- wano poczw�rny wzmac-
miar z tak dułą cz�stością. niacz TL074. Zar�wno pier-
ciĘ do kilkuset czujnik�w (!!) czujnik�w b�dzie miała decy- Przyrząd wsp�łpracuje wszy jak i drugi stopie� pra-
w zalełności od sposobu jej dujący wpływ na poziom mo- z czujnikami: TSL250, TSL251, cują w konfiguracji wzmac-
pracy. cy strumienia na wyjściu. TSL252, TSL260, TSL261 niaczy odwracających, co
Konstruując miernik mocy i TSL262. Czujniki te charak- w rezultacie daje na wyjściu
Konstrukcja miernika optycznej do tego typu sieci teryzują si� dośĘ znaczną dy- napi�cie dodatnie, wymaga-
mocy optycznej pomiarowych nalełało wziąĘ namiką(maks. TSL251: 28dB). ne przez przetwornik A/C.
pod uwag� wszystkie wymie- Zapewnienie odpowied- Przełącznik S2, kt�rym zmie-
Wymagania pomiaru nione wyłej czynniki. Taki niej dokładności w całym za- niane jest wzmocnienie dru-
mocy w sieci wi�c miernik powinien cha- kresie czułości osiągni�to giego stopnia (1x, 10x, 100x),
czujnikowej rakteryzowaĘsi� odpowiednio sprz�towo, poprzez zastoso- umołliwia wyb�r zakresu
Budując przyrząd pomia- dułym przedziałem wartości wanie wzmacniacza, kt�rego pomiarowego. Dioda D1 włą-
rowy do zastosowa� w świat- mierzonej mocy. Powinienza- schemat znajduje si� na rys. czona zaporowo w p�tli
łowodowych sieciach pomia- pewniĘ odpowiedniąrozdziel- 9. Tr�jstopniowa zmiana jego ujemnego sprz�łenia zwrot-
rowych trzeba zdaĘ sobie czośĘ i dokładnośĘ w całym wzmocnienia - x1, x10, x100 nego ma za zadanie ograni-
spraw�, łe na dzisiaj nie is- zakresie pomiarowym. Nale- - pozwala na dostosowanie czyĘ wartośĘ maksymalnego
tnieją jeszcze ładne normy łało uwzgl�dniĘ r�wnieł dłu- miernika do mierzonego za- napi�cia na wyjściu wzmac-
czy standardy, kt�re precyzo- gośĘ fali i szerokośĘ widma. kresu mocy. niacza do poziomu 5,1V -
wałyby zagadnienia związane Na podstawie załołe� Wszystkieczujnikicharak- dopuszczalnego napi�cia ja-
z analogowymi bąd� binarny- wst�pnych powstał schemat teryzują si� takłe nielinio- kie mołe pojawiĘ si� na we-
mi światłowodowymi siecia- blokowy urządzenia pomiaro- wym zakresem widmowym. jściu przetwornika A/C. Kon-
mi pomiarowymi. wego, kt�ry przedstawiono na Aby to uwzgl�dniĘ, r�wnieł densator C1 znajdujący si�
Łr�dła promieniowania rys. 8. i w tym przypadku zdecydo- w p�tli sprz�łenia ogranicza,
optycznego mogą znacznie wano si� na rozwiązanie od strony wyłszych cz�stot-
r�łniĘ si� w poszczeg�lnych Tor pomiarowy sprz�towe. Zastosowano kolej- liwości, pasmo przenoszenia
rozwiązaniach. R�łnica ta Zadaniem toru pomiaro- ny wzmacniaczz mołliwością �wycinając� wi�kszośĘ za-
mołe dotyczyĘ kałdego z pa- wego jest detekcja strumienia płynnego nastawienia wzmoc- kł�ce�. Wzmacniacze zosta-
rametr�w emitowanej przez optycznego. Dokonując wybo- nienia w zakresie od 0,1 do ły zasilone symetrycznym
nie fali optycznej, począwszy ru detektor�w mocy optycz- 10. Uprościło to dośĘ znacz- napi�ciem ą 12V. Zapewniło
od poziomu mocy, poprzez nej, ze wzgl�du na swe nie- nie oprogramowanie. Program to prac� z dala od zakresu
długośĘfali,szerokośĘ widma wątpliwe zalety, zdecydowa- nie musi bowiem przeliczaĘ nasycenia.
czy teł polaryzacj�. Kolejnym no si� na czujniki z serii In- wartości ze wzgl�du na dłu- Marek Fiołka
elementem jest sam światło- telligent Opto
w�d. Spotykane są obecnie Sensors pro-
rozwiązania z ułyciem zar�- dukcji Texas
wnoświatłowod�wgradiento- Instruments.
wych jak i jednomodowych. Pomiar doko-
Takłeczujnikicharaktery- nywany jest
zują si� sporą r�łnorodnoś- w ośmiu kana-
cią. Nie istnieją np. standar- łach pomiaro-
dowe wartości tłumienia. Sa- wych z cz�s-
ma struktura pomiarowej sie- tością dziesi�Ę
ci światłowodowej mołe byĘ pomiar�w na
kolejną przyczyną r�łnic. s e k u n d �
Liczba zastosowanych w niej w kałdym
Rys. 9.
Elektronika Praktyczna 6/99
85