Волоконная оптика, востребованная в свое время как средство решения задач связи, сегодня находит все более широкое применение в других направлениях, например, при создании новых нетрадиционных технологических процессов. Как правило, такие применения требуют специализированных активных компонентов. Российская научно-производственная фирма “Оптоэлектронные Технологии" (группа компаний ООО "АИБИ") при ФТИ им. Иоффе специализируется на разработке и производстве компонентов для волоконно-оптических линий связи и других применений с использованием оптического волокна. В статье рассматриваются два комплекта изделий, один из которых решает задачу передачи и приема произвольных цифровых информационных сигналов от датчиков физических величин, а другой – запуск и синхронизацию через оптоволокно коммутирующих устройств значительной мощности (ускорителей, генераторов лазерного излучения, электродвигателей) в условиях электромагнитных помех.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 2070-8963
Книги по связи
Книги по теме
Редактор оригинального издания С. Катаяма

читать книгу
Вакс Е.Д., Лебёдкин И.Ф., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г., Толокнов А.В.

читать книгу
Айхлер Ю., Айхлер Г.И.

читать книгу
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Листвин В. Н., Трещиков В. Н.
Под редакцией члена-корреспондента РАН В.С. Вербы / В.С. Верба, К.Ю. Гаврилов, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский, А.А. Филатов
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2012
Н.Варава, М.Никоноров, С.Пронин
Активные компоненты волоконной оптики в системах управления технологическими процессами
Просмотры: 5996
Волоконная оптика, востребованная в свое время как средство решения задач связи, сегодня находит все более широкое применение в других направлениях, например, при создании новых нетрадиционных технологических процессов. Как правило, такие применения требуют специализированных активных компонентов. Российская научно-производственная фирма “Оптоэлектронные Технологии" (группа компаний ООО "АИБИ") при ФТИ им. Иоффе специализируется на разработке и производстве компонентов для волоконно-оптических линий связи и других применений с использованием оптического волокна. В статье рассматриваются два комплекта изделий, один из которых решает задачу передачи и приема произвольных цифровых информационных сигналов от датчиков физических величин, а другой – запуск и синхронизацию через оптоволокно коммутирующих устройств значительной мощности (ускорителей, генераторов лазерного излучения, электродвигателей) в условиях электромагнитных помех.
Развитие волоконно-оптических технологий в первую очередь определялось задачами построения систем связи. Сегодня уже разработана и промышленно выпускается довольно большая номенклатура изделий, используемых в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Среди них можно выделить две основные группы – активные и пассивные компоненты. В состав первой входят оптоэлектронные элементы, такие как лазерные диоды (ЛД), светоизлучающие светодиоды (СИД) и законченные оптоэлектронные модули на их основе, фотодиоды и фотоприемные устройства, а также электронные компоненты для их обслуживания (драйверы, усилители, компараторы и др.). Наиболее распространены приемные, передающие и приемопередающие модули (трансиверы). Они отличаются различными конструктивными исполнениями, оптическими и электрическими интерфейсами. В группу пассивных компонентов входят различные разветвители, оптические переключатели, мультиплексоры и оптические разъемы. Современный рынок оптоэлектроники представляют довольно много фирм, выпускающих изделия обеих групп в различных функциональных и ценовых диапазонах.

В последние годы наметился целый ряд технологических направлений, развитие которых напрямую зависит от использования достижений волоконной оптики. В первую очередь это относится к системам управления мощными импульсными лазерами (медицина, радиоизотопные методы получения редкоземельных материалов, современное машиностроение), а также к управлению электромагнитными ускорителями и мощными электроприводами силовых установок. Все эти направления связаны с необходимостью коммутировать токи амплитудой в десятки и даже сотни килоампер с напряжением в сотни киловольт. Кроме того, часто необходимо формировать импульсные сигналы с длительностью от единиц микросекунд до десятков наносекунд. При этом возникают наводки и вторичные электромагнитные излучения с такой амплитудой и спектром, что связать исполнительные устройства и средства контроля с центральными органами управления по традиционным каналам связи чрезвычайно трудно, а зачастую и невозможно.
В данных условиях едва ли не единственный способ решения проблемы – использовать средства волоконной оптики. В то же время, если диэлектрические свойства оптического волокна и его невосприимчивость к электромагнитным излучениям в рассматриваемом спектральном диапазоне известны, то требования к двум другим составляющим системы связи – к приемнику и передатчику – требуют уточнения. Они были сформулированы в результате анализа существующих и перспективных конструкций и процессов, а также экспериментальных исследований. Созданные нами с учетом этих требований изделия прошли успешную апробацию. Они позволяют:
• формировать короткие одиночные оптические импульсы для синхронизации;
• получать мощные оптические сигналы для запуска устройств, генерирующих импульсы тока значительной амплитуды;
• измерять физические параметры системы и транслировать их из зон с повышенным уровнем излучений к управляющему процессору;
• принимать оптические сигналы и формировать электрические импульсы запуска в условиях электромагнитных помех.
Для наглядности рассмотрим два примера, где эти средства были использованы в полной мере. На рис.1 изображен фрагмент практической установки для получения редкоземельных химических элементов, в том числе и их изотопов. Центральная часть представляет собой электромагнитный сепаратор, в котором рабочая газовая смесь облучается линейкой газовых лазерных генераторов с различными длинами волн. Генераторы запускаются по определенному алгоритму импульсами различной длительности. Для развязки устройств запуска лазерных генераторов от управляющего процессора используется волоконно-оптический оптрон (волстрон), формирующий электрические импульсы длительностью от десятков микросекунд до единиц наносекунд.
В состав волстрона входят быстродействующий передающий модуль на лазерном диоде, приемник оптических одиночных импульсов и волоконно-оптический кабель (ВОК). Волоконный кабель содержит кварцевое многомодовое волокно с диаметром световедущей жилы/оболочки 62,5/125 мкм, снабженное оптическими разъемами типа ST/PC. Его длина может достигать 1000 м. Так как линейка генераторов работает в строго заданном порядке, важнейшим параметром становится стабильность положения переднего фронта импульса, т.е. системный джиттер. Кроме устройств запуска важную роль играет и система измерения импульсной оптической мощности каждого лазерного генератора и наблюдения за формой их оптических импульсов. Данная система также выполнена с использованием волокна и специализированного фотоприемника.
Компоненты волоконной оптики находят применение и в замкнутых автоматизированных системах управления (АСУ) электрофизическими установками, где необходимо коммутировать токи и напряжения значительной величины (рис.2). Волоконно-оптические компоненты могут использоваться как для задач сбора информации от датчиков физических величин (ток, напряжение, температура и т.п.), так и для их преобразования и дальнейшей трансляции к промышленным контроллерам, входящим в состав АСУ. Кроме того, для запуска устройств силовой электроники необходима оптическая развязка. Наиболее просто она может быть реализована с помощью волстронов.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают других применений отдельных компонентов волоконной оптики. Так, к ним можно отнести всевозможные устройства мониторинга удаленных объектов на предмет обнаружения задымления и возгорания. Отдельно отметим насущную проблему создания автономных источников питания, которые размещаются в труднодоступных местах, а также устройств для зарядки аккумуляторов через волоконно-оптическую линию связи. Такие устройства построены по принципу “солнечных батарей”, т.е. энергия к ним подводится по оптическому волокну, а сами источники питания снабжены фотоэлектрическими преобразователями. Законченные функциональные узлы для передачи измерительной информации с использованием волоконно-оптических компонентов и снабженные источниками питания такого типа наиболее приемлемы при создании технологических процессов, использующих высокоэнергетические установки.
Компания "Оптоэлектронные Технологии" длительное время разрабатывает средства волоконной оптики для специализированных применений. Рассмотрим два типа изделий – устройства для передачи и приема информационных сигналов и устройства управления исполнительными механизмами (ускорителями, генераторами лазерного излучения, электродвигателями). Каждый тип изделий является функционально законченным комплектом и состоит из приемной и передающей частей.

Устройство
информационного обмена
Основные требования к комплекту аппаратуры для информационного обмена между датчиками физических величин и центральным органом управления:
• максимальная нечувствительность к воздействию внешних электромагнитных излучений;
• обработка цифровых сигналов с произвольным форматом, что позволяет транслировать их без дополнительного преобразования;
• минимальное потребление передающего модуля, располагаемого непосредственно около датчика физической величины;
• быстродействие, достаточное для передачи информации о переходных процессах в системе.
Для решения этих задач был разработан комплект волоконно-оптических модулей, состоящий из приемника OMRD-01 и передатчика OMTD-01m (рис.3). Оба изделия рассчитаны на применение с оптическим кабелем, изготовленным из многомодового кварцевого волокна с диаметром световедущей жилы/оболочки 62,5/125 мкм. Кабели снабжены металлическими оптическими разъемами типа ST. Длина волны оптического излучения 0,85 мкм определяется типом излучателя, входящего в состав передатчика.
В передающем модуле в качестве излучателя используется высокоэффективный лазерный диод, размещенный в разъеме типа ST и позволяющий вводить в многомодовое волокно оптическую мощность не менее 2 мВт. Выбор лазерного диода продиктован и желанием минимизировать энергопотребление, так как светодиодные структуры потребляют на порядок большее количество энергии при той же величине выходной оптической мощности. В реальных условиях расстояния для передачи информации относительно невелики (как правило, до 1000 м) поэтому затуханием сигнала в волоконно-оптическом кабеле можно пренебречь. Достаточно большой уровень сигнала на входе приемника позволяет существенно снизить его входной импеданс. Это повышает помехоустойчивость приемника, так как его входная часть наиболее чувствительна к наводкам и помехам.
Для обработки цифровых сигналов произвольного формата в приемнике выбрана схема с определением начала и конца импульса по его фронту и спаду. Этими фронтом и спадом управляется высокочувствительный триггер Шмидта, входящий в состав устройства дискретизации и выполненный на быстродействующем компараторе. Электрические интерфейсы модулей соответствуют стандартным уровням КМОП и ТТЛ и особых требований при подключении не имеют.
Конструктивно изделия выполнены в металлостеклянных корпусах из специального сплава, обеспечивающего высокую помехозащищенность, со штырьковыми выводами (рис.4). Габариты (без учета длины оптического разъема) – 10,6×14,5×19,5 мм.

Основные технические характеристики
комплекта OMRD-01 / OMTD-01m
Передающий модуль OMTD-01m
Рабочая длина волны, мкм 0,85
Оптическая мощность, вводимая
в волокно, дБм > -3
Длительность фронта нарастания/
спада оптического излучения, нс 10
Максимальный период
входных сигналов неограничен
Напряжение питания, В 5
Ток потребления, мА 7,5
Диапазон рабочих температур, C° -40...60
Приемный модуль OMRD-01
Рабочая длина волны
излучения, мкм 0,85
Минимальная входная
оптическая мощность, дБм -23
Максимальная входная
оптическая мощность, дБм -3
Максимальная скорость
передачи, Мбит/c 4
Напряжение питания, В 5
Ток потребления, мА <25
Диапазон рабочих температур, C° -40...60

Устройство управления мощными
исполнительными механизмами
Для передачи и приема сигналов управления и синхронизации предназначен комплект в составе передающего модуля OMTD-02 и приемного устройства ФПУ-Э, образующих вместе с волоконно-оптическим кабелем волстрон. Эти компоненты служат для получения на выходе приемника достаточно мощных электрических импульсов, необходимых для запуска различных устройств со ступенчатой коммутацией токов порядка десятков, а то и сотен килоампер. В данных условиях первоочередное значение приобретает устойчивость работы приемника, размещаемого на входе первой ступени коммутатора, по отношению к обратным наводкам и помехам, возникающим при включении оконечной ступени. Она в основном определяется величиной входного импеданса фотоприемника и экранирующими свойствами корпуса, а также схемотехническим решением выходного буфера.
Выбор величины входного импеданса зависит от минимальной входной оптической мощности и, соответственно, входного тока, при которых происходит устойчивое срабатывание выходного каскада приемника, формирующего импульс тока с соответствующими характеристиками. Поэтому основное внимание уделялось, с одной стороны, уменьшению входного сопротивления усилителя тока приемника, с другой – увеличению выходной оптической мощности передатчика. С этой же целью в волстроне используются кварцевые многомодовые волокна с нормированным затуханием 3,5 дБ/км.
Передатчик состоит из преобразователя уровней стандартной логики в нормированные импульсы тока и лазерного диода с длиной волны излучения 0,85 мкм. Выходная оптическая мощность, вводимая в многомодовое волокно – не менее 2 мВт (3 дБм). Диаметр светопроводящей жилы/оболочки волокна – 62,5/125 мкм. На выходе приемника оптического сигнала формируются электрические импульсы с амплитудой 20 В (сопротивление нагрузки ≥10 Ом) и длительностью не более 100 мкс.
Приемник ФПУ-Э (рис.5) питается от любого источника с напряжением ≥24 В, в том числе и от источника коммутируемого устройства через ограничительный резистор. Напряжение питания приемника ограничено внутренним стабилитроном с напряжением стабилизации 22 В, максимальный ток стабилизации – 5 мА. Внутренний накопительный конденсатор обеспечивает формирование импульсов тока, в зависимости от типа выходного буфера приемника, 2 или 10 А (для ФПУ-Э-м) и длительностью до 5 мкс. Для получения более длинных импульсов тока необходимо подключение внешних конденсаторов.
Конструктивно приемник и передатчик, входящие в состав волстрона, выполнены в металлостеклянных корпусах из специального сплава, обеспечивающего высокую помехозащищенность (рис.6).
Технические характеристики
Оптрон
Длина волны оптического
излучения, мкм 0,85
Длина волоконно-оптического
кабеля, м ≤1000
Тип оптического разъема ST
Суммарная задержка (Lвок = 50 м), нс ≤ 500
Диапазон рабочих температур, C° -4...60

Передатчик OMTD-02
Выходная оптическая мощность, дБм 3
Длительность фронта нарастания
спада оптического излучения, нс 5
Уровни входных сигналов ТТЛ/КМОП
Длительность входного
импульса неограниченна
Напряжение питания, В 5±10%
Ток потребления, мА ≤30
Габариты, мм 10,6×14,5×19,5

Приемник ФПУ-Э
Минимальная длительность
выходного импульса, мкс 5
Выходной ток приемника
(амплитудное значение), А ≤2
Выходное напряжение, В 20
Емкость зарядного
конденсатора, мкФ 1,5±2%
Пороговая оптическая
мощность на входе, мВт 0,7
Сопротивление нагрузки, Ом ≥10
Максимальный зарядный ток, мА ≤5
Номинальное напряжение
внутреннего стабилитрона, В 22
Габариты, мм 9,4×19,5×29,5

***
В заключение отметим, что применение средств волоконной оптики для решения специализированных технологических задач не исчерпывается приведенными примерами. Нами проводятся работы по созданию источников электрической энергии с подзарядкой их по волоконно-оптическому каналу, а также разрабатываются устройства по бесконтактному измерению физических величин с использованием пассивных элементов. К ним относятся разного рода расходомеры, фиксаторы положений, дистанционные измерители перемещений и деформаций. ■
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art