izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-2-20-28izmertech-1724Research ArticleЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯLINEAR AND ANGULAR MEASUREMENTSМатематическая модель функционирования мультисенсорного преобразователя бинарных механических сигналов в электрические на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователяMathematical model of functioning of multisensor converter of binary mechanical signals in electric on the basis of fiber-optic digital-to-analog converterГречишниковВ. М.GrechishnikovV. M.

Самара

Samara

gv@ssau.ruКомаровЕ. Г.KomarovE. G.

Москва

 Moscow

fuzzykom@gmail.comСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. КоролёваРоссияSamara national research University named after academician S. P. KorolevRussian FederationМосковский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Bauman state technical University (national research University)Russian Federation202013062023022028Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1724

Рассмотрена конструкция и принцип действия мультисенсорного преобразователя бинарных механических сигналов в электрические. Данный преобразователь выполнен на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя, состоящего из набора оптических аттенюаторов и волоконно-оптического сумматора. Разработана обобщённая математическая модель функционирования мультисенсорного преобразователя, объединяющая в себе частные математические модели функционирования волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя, фотоусилителя и преобразователя напряжения в код с двойным интегрированием. Модель представлена в виде аналитических выражений для определения выходного электрического кода в зависимости от значений разрядных цифр входного механического кода с учётом комплекса конструктивных, схемотехнических и энергетических параметров преобразователя. Предложено аналитическое описание преобразованных сигналов частоты в код. Разработан алгоритм численного анализа математической модели функционирования исследуемого устройства, обеспечивающий получение значений предельно допустимых инструментальных погрешностей изготовления элементов преобразователя, при которых реализуется полная достоверность работы устройства. Представленные результаты могут быть использованы для разработки мультисенсорных преобразователей бинарных перемещений систем управления, контроля и мониторинга энергонасыщенных объектов, для которых высокая помехозащищённость, электрическая нейтральность, низкая химическая активность и информационная безопасность имеют первостепенное значение.

The design and operation principle of a multisensor converter of binary mechanical signals into electrical signals consisting of a fiber-optic digital-analog converter, a photo amplifier and a voltage-to-code converter with double integration are considered. A generalized mathematical model of multisensor converter functioning has been developed, which combines particular mathematical models of fiber-optic digital-to-analog converter, photo-amplifier and voltage-to-code converter with double integration. The mathematical model of functioning of the multisensor converter in the form of analytical expressions for definition of the output electric code depending on values of bit digits of the input mechanical code taking into account a complex of constructive, circuit and power parameters of the converter is developed. The analytical description of the signal in the frequency converter in code, using which an algorithm is developed for numerical analysis of mathematical models of the functioning of the devices under study, providing the maximum permissible values of the instrumental errors of manufacture of the transducer elements in which is implemented the complete accuracy of the device. The presented results can be used for the development of multisensor converters of binary displacements of control systems, control and monitoring of energy-saturated objects, for which high noise immunity, electrical neutrality, low chemical activity and information security are of paramount importance.

мультисенсорный преобразовательцифроаналоговый преобразовательматематическая модельволоконная оптикаалгоритмпогрешностьдостоверность.multisensor converterdigital to analog сonvertermathematical modelfiber opticsalgorithmerrorreliabilityReferencesГармаш В. Б., Егоров Ф. А., Коломиец Л. Н., Неугодников А. П., Поспелов В. И. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении // ФОТОН-ЭКСПРЕСС. 2005. № 6 (46). С. 128–140.Garmash V. B., Egorov F. A., Kolomiets L. N., Neugodnikov A. P., Pospelov V. I., Photon Express, 2005, no. 6 (46), pp. 128–140 (in Russian).Бабин С. А., Глушко С. К., Цыба А. М., Чейдо Г. П., Шелемба И. С., Шакиров С. Р. Концепция многофункциональной системы безопасности угольной шахты с использованием волоконно-оптических технологий // Вычислительные технологии. 2013. Т. 18. Специальный выпуск. С. 95–100.Babin S. A., Glushko S. K., Tsyba A. M., Cheido G. P., Shelemba I. S., Shakirov S. R., Computational technologies, 2013, vol. 18, Special issue, pp. 95–100 (in Russian).Шишкин В. В., Чурин А. Е., Харенко Д. С., Шелемба И. С. Система мониторинга несущих конструкций футбольного манежа на основе волоконно-оптических датчиков // ФОТОН-ЭКСПРЕСС. 2013. № 6. С. 22–23.Shishkin V. V., Churin A. E., Harenko D. S., Shelemba I. S., Photon Express, 2013 no. 6, pp. 22–23 (in Russian).Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. Пер. с англ. М: Техносфера, 2006, 592 с.Frieden J., Modern sensor. Handbook, Moscow, Technosphere Publ., 2006, 592 p. (in Russian).Удд Э. Волоконно-оптические датчики: Пер. с англ. М.: Техносфера, 2008, 526 с.Udd E., Fiber optic sensors, Moscow, Technosphere Publ., 2008, 526 p. (in Russian).Леонович Г. И., Матюнин С. А., Ливочкина Н. А. Мультисенсорный волоконно-оптический преобразователь давления // Вестник самарского аэрокосмического университета. 2011. №7 (31). С. 123–127.Leonovich, G. I., Matyunin S. A., Levochkina N. A., Vestnik of Samara aerospace University, 2011, no. 7 (31), pp. 123–127.Буймистрюк Г. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий // Control engineering РОССИЯ. 2013. № 3 (45). С. 34–40.Buymistruk G., Control engineering RUSSIA, 2013, no. 3 (45), pp. 34–40 (in Russian).Hui R., O’Sullivan M., Fiber Optic Measurement Techniques, Amsterdam/London, Academic Press, 2009. 672 p. DOI:10.1016/B978-0-12-373865-3.X0001-8Hui R., O’Sullivan M., Fiber Optic Measurement Techniques, Amsterdam/London, Academic Press, 2009, 672 p. DOI:10.1016/B978-0-12-373865-3.X0001-8Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 65 с.Vargel S. V., Fiber Bragg gratings. St. Petersburg: ITMO University, 2015, p. 65 (in Russian).Samuel Chin-Chong Tseng, US Patent no. 3985423 (12 October 1976).Samuel Chin-Chong Tseng, US Patent no.3985423 (12 October 1976).Yong-Kai Chen, Andreas Leven, Kun-Yii Tu, US Patent no. 7061414B2 (1 June 2006).Yong-Kai Chen, Andreas Leven, Kun-Yii Tu., US Patent no. 7061414B2 (1 June 2006).Зеленский В. А. Развитие теории и разработка мультиплексированных волоконно-оптических информационно-измерительных систем мониторинга сложных технических объектов: дис. докт. техн. наук. (МГУПИ, Москва, 2010).Zelensky V. A., Doctoral dissertation (in Technical Science). (MGUPI, Moscow, 2010).Теряева О. В. Мультисенсорные преобразователи информации на основе волоконно-оптических ЦАП: дис. канд. техн. наук (Самарский университет, Самара, 2017).Teryaeva O. V., Candidate’ s dissertation (in Technical Science). (Samara University, Samara, 2017).Гречишников В. М., Теряева О. В. Волоконно-оптические преобразователи бортовых датчиков механизации летательных аппаратов // Известия вузов. Авиационная техника. 2016. № 3. С. 12–128.Grechishnikov V. M., Teryaeva O. V., Russian aeronautics, 2016. no. 3, pp. 122–128.Пат. № 2660623 РФ / Гречишников В. М., Теряева О. В., Арефьев В. В // Изобретения. Полезные модели. 2018. № 19.Grechishnikov V. M., Teryaev O. V., Aref’ev V. V., Patent RF no. 2660623, Byull. Izobret., no. 19 (2018).Пат. № 173159 РФ / Гречишников В. М., Теряева О. В., Арефьев В. В. // Изобретения. Полезные модели. 2017. № 23.Grechishnikov V. M., Teryaev O. V., Aref’ev V. V., Patent RF no. 173159, Byull. Izobret., no. 23 (2017).Домрачев В. Г., Мейко Б. С. Цифровые преобразователи угла: Принципы построения, теория точности, методы контроля. М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с.Domrachev V. G., Meiko B. S., Digital angle converters: principles of construction, accuracy theory, control methods, Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984, 328 p. (in Russian).Тихонов Б. Н., Ходжаев И. А. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: учебное пособие / Под общей редакцией Б. Н. Тихонова. М.: Телеком, 2017. 398 с.Tikhonov B. N., Khodzhaev I. A., Metrology and electroradio measurements in telecommunication systems: monografi ya, Moscow, Telecom Publ., 2017, 398 p. (in Russian).Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.Gutnikov V. S., Integrated electronics in measuring devices, Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1988, 304 p. (in Russian).Букреев И. Н., Горячев В. И., Мансуров Б. М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Техносфера, 2009. 712 с.Boukreev I. N., Goryachev V. I., Mansurov B. M., Microelectronic circuits digital device, Moscow, Technosphere Publ., 2009, 712 p. (in Russian).Муханин Л. Г. Схемотехника измерительных устройств. СПб.: Издательство «Лань», 2009. 288 с.Mukhanin L. G. Circuitry of measuring devices, SaintPetersburg, LAN Publ., 2009, 288 p. (in Russian).Гречишников В. М., Конюхов Н. Е. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений со встроенными волоконнооптическими линями связи. М.: Энергоатомиздат, 1992. 160 с.Grechishnikov V. M., Konyukhov N. E., Optoelectronic digital displacement sensors with integrated fi ber-optic communication lines, Moscow, Energoatomizdat Publ., 1992, 160 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.