一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置製造方法
2023-06-11 23:59:31
一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置，包括傳感頭、主機、連接光纜5，傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉換型傳感器1，電光轉換單元2；主機包括光電轉換單元3、信號分析和處理單元4；連接光纜5聯通傳感頭和主機；能量轉換型傳感器1在感知物理量變化時產生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅動電光轉換單元2；電光轉換單元2產生的光信號通過連接光纜5進行遠距離傳輸，然後通過光電轉換單元4將光信號恢復為電信號，在信號分析和處理單元4進行信號分析，解析出所測物理量。本裝置可以適用於大量常規的能量轉換型傳感器，使得這些傳感器能夠在遠距離條件下無需電源供電的工作，具有安裝簡單、適用性強優點，為實際現場安裝及系統設計帶來了很大的方便。
【專利說明】一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置，用於特殊遠距離場合的無源傳感檢測。
【背景技術】
[0002]從能量轉換的角度劃分，傳感器有能量轉換型和能量控制型兩種。能量轉換型傳感器，主要由能量變換元件構成，它不需要外電源，如基於壓電效應、熱電效應、光電效應、霍爾效應等等機制設計的傳感器等的傳感器都屬於此類傳感器。能量轉換型傳感器是能夠將被測量的能量直接轉換為輸出的能量，如電流、電壓等。
[0003]在很多應用現場比較特殊的場合，要求傳感裝置能夠實現遠距離、現場無源檢測。比如野外沒有供電，一般用太陽能和電池供電，但其長期可靠性存在問題，受天氣環境影響比較大；而且野外如果通過電纜或者無線發送數據回來的話，需要在現場有供電，而且容易受電磁幹擾。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是針對一些特殊場合下的檢測需求，如現場無電源供電，被測點離主機房比較遠等，提供一種能夠在被測現場不需要電源供電，工作距離比較遠的傳感
裝直。
[0005]本實用新型的技術方案:按照特殊應用場合要求，工作距離較遠，現場無源、防電磁幹擾、適用性強等，許多現有能量轉換型傳感器只要稍作設計，就可以滿足這些要求。
[0006]一種結合能量轉化型傳感器和光纖的遠距離傳感器，包括傳感頭、主機、連接光纜三個部分。
[0007]傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉換型傳感器，電光轉換單元；主機包括光電轉換單元、信號分析和處理單元；連接光纜用來將距離比較遠的傳感頭和主機二者聯通，使得光信號能夠傳輸回主機。能量轉換型傳感器在感知物理量變化時產生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅動電光轉換單元；電光轉換單元產生的光信號通過光纖實現遠距離傳輸，然後在機房內通過光電轉換單元將光信號恢復為電信號，並進行信號分析，解析出所測物理量。
[0008]傳感頭內的能量轉換型傳感器基於壓電效應、霍爾效應或者其它效應，能夠在無供電條件下通過感應被測物理量爾產生電流或電壓信號，感知物理量變化時產生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅動電光轉換單元。有許多傳感器在感知外界變化後產生的不是電流信號而是電壓信號，如基於傳感材料壓電效應的傳感器，其直接輸出量為電壓，此時只需要設計一個電壓轉換電流的電路，就可以用來驅動電光轉換單元。
[0009]傳感頭內電光轉換單元的作用是將電流信號轉換為對應的光信號。一般採用電流驅動的半導體發光器件，包括LED、VCSEL或者半導體雷射器LD等。根據產生的電流信號的強度不同，可以選用不同的發光器件，該發光器件產生的光信號與流過的電流有對應關係，而且該光信號可以耦合進光纖實現遠距離傳輸。LED的特點是光信號與電流信號基本是線性關係，可以承受更大的電流，但轉換效率比較低；而且一般在850nm波段，只能用多模光纖進行耦合，傳輸距離在幾百米範圍內。VCSEL有850nm波長的，也有1300nm和1550nm波段的，可以承受的電流範圍比較小，輸出的功率範圍也比較小，但電光轉換的效率比較高。LD雷射器的轉換效率和可承受的範圍都比較高，可以實現最遠的傳輸距離，一般1310nm和1550nm的用得多一些。其特點是一般有幾個mA的閾值，超過這個閾值後才能有比較高的光功率輸出。
[0010]與不同發光器件配套會有不同的驅動電路，以保證電流信號能夠正常的驅動發光器件工作。
[0011]產生的光信號通過連接光纜實現遠距離傳輸，所採用的連接光纜根據光源和距離不同會有所不同。如果用LED作為發光器件，則一般採用多模光纖。VCSEL根據波長不同可以選用單模或者多模光纖，850nm的一般用多模光纖，1300nm和1550nm的一般用單模光纖。LD常用都是採用標準單模光纖。因為是長距離傳輸，根據現場環境對光纖有不同的保護方式。有的要防水、有的要防外界破壞、有的要求絕緣，可以根據不同環境要求選用不同的光纜。
[0012]主機內光電轉換單元包含探測器和信號放大部分，探測器可以是PIN光電二極體光探測器件、或AH)光探測器件。探測器採用與光源波長對應的材料。如果是850nm的一般米用GaAs探測器,如果是1300nm或者1550nm的一般米用InGaAs探測器。因為信號一般比較弱，探測器後面接小信號放大電路，將信號放大後通過電線傳給信號分析和處理單元。
[0013]信號分析和處理單元對放大後的信號進行去噪後，根據傳感器的不同原理用不同的算法計算出對應的被測量。
[0014]本實用新型裝置的一個關鍵是，根據被測量的不同，要選用不同量程、不同原理的傳感器，根據傳感器設計相應的電光轉換單元匹配電路，其中包括電壓-電流轉換電路，以保證傳感器的輸出電流值處於傳感頭內電光轉換單兀內發光器件的工作電流範圍內。
[0015]實用新型的有益效果:本裝置可以適用於大量常規的能量轉換型傳感器，使得這些傳感器能夠在遠距離條件下無需電源供電的工作，具有安裝簡單、適用性強優點，為實際現場安裝及系統設計帶來了很大的方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型裝置示意圖。
[0017]圖2為本實用新型採用羅氏線圈電流傳感器實施例示意圖。
[0018]圖3為積分電路圖。
[0019]圖4為本實用新型採用磁感應式傳感器實施例示意圖。
[0020]圖中1.能量轉換型傳感器；2.電光轉換單元；3.光電轉換單元；4.信號分析和處理單元；5.光纜；6.羅氏線圈電流傳感器；7.電壓-電流轉換單元；8.磁感應式傳感器；9.防護罩；10.永磁鐵；11.信號輸出線；12.感應線圈；13.車輪。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型做進一步的說明。[0022]一種結合能量轉化型傳感器和光纖的遠距離傳感器，包括傳感頭、主機、連接光纜5三個部分，傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉換型傳感器1，電光轉換單元2 ;主機包括光電轉換單元3、信號分析和處理單元4。
[0023]實施例1是一個長距離的羅氏線圈電流傳感裝置。
[0024]如圖2所示，本實用新型裝置包括一個羅氏線圈電流傳感器6、電壓-電流轉換單元7、電光轉換單元2採用LED驅動模塊、光電轉換單元3採用PIN探測器、信號分析和處理單元4,及光纜5。
[0025]羅氏線圈測量電流的理論依據是法拉第電磁感應定律和安培環路定律，當被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時，線圈輸出電壓值v(t)與通過線圈中心的電流I (t)的微分成正比，即V(t)=Al*d I(t)/dt。電壓-電流轉換單元7將電壓信號線性轉換為電流信號，假設係數為A2，則經過電壓-電流轉換單元7後，驅動LED的電流值為Al* A2*d Ut)/dt0
[0026]LED採用850nm波段，對應的光纜5採用多模光纖。LED的輸出光功率一般與驅動電流成比例關係，假設係數為A3，則其輸出光功率為P(t)=Al* A2*A3*d I(t)/dt ;經過光纖鏈路由PIN探測器轉換成電流值i (t)，則i (t)與P(t)依然成正比關係，即與d I (t)/dt成正比。
[0027]在信號分析和處理單元4中對i (t)進行積分，可以是用圖3所示積分電路實現，也可以通過軟體算法實現。最後得到的Vout即與I直接對應。
[0028]經過對裝置標定後，就可以通過該裝置來實現遠程無源測量電流。
[0029]實施例2為一個長距離的鐵路專用磁感應式傳感裝置。
[0030]本實施例電光轉換單元2採用LD驅動模塊，可以通過單模光纜傳輸更遠的距離，監測鐵路沿線更長範圍。
[0031]能量轉換型傳感器I採用鐵路專用磁感應式傳感器8，用來獲取列車通過信號。當列車車輪13通過磁感應式傳感器8時，磁感應式傳感器8內部磁場發生變化，內部線圈兩端就會產生感應電動勢。
[0032]磁感應式傳感器8的內部結構如圖4，其中防護罩9為鋁質或工程塑料。感應線圈12繞在永磁體10上。利用火車輪13的鐵質結構，當火車在鋼軌上行駛時，車輪13的運動為水平圓周運動，車輪13在水平方向切割磁力線，引起感應線圈12磁通量的變化，根據楞次定律，感應線圈12產生感生電動勢，當有火車駛過時，則該傳感器將通過信號輸出線11感應輸出一串電脈衝，該電脈衝經過信號調理電路(包括前置放大、低通濾波等)，送至電壓-電流轉換電路7，其產生的脈衝信號轉換成脈衝電流信號後驅動LD驅動模塊，LD發出的脈衝光信號通過單模光纜後由探測器轉換成脈衝電信號，經信號分析和處理單元4處理後，可以計算來車的速度、車輪數等等信息，從而完成火車來車狀態的檢測。
【權利要求】
1.一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置，包括傳感頭、主機、連接光纜(5)，其特徵是傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉換型傳感器(1)，電光轉換單元(2);主機包括光電轉換單元(3)、信號分析和處理單元(4);連接光纜(5)聯通傳感頭和主機；能量轉換型傳感器(I)在感知物理量變化時產生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅動電光轉換單元(2 );電光轉換單元(2 )產生的光信號通過連接光纜(5 )進行遠距離傳輸，然後通過光電轉換單元(4)將光信號恢復為電信號，在信號分析和處理單元(4)進行信號分析，解析出所測物理量。
2.如權利要求1所述的一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置，其特徵是電光轉換單元(2)採用電流驅動的半導體發光器件，根據能量轉換型傳感器(I)產生的電流信號的強度不同，選用不同的發光器件，可以是LED、VCSEL或者半導體雷射器LD ;發光器件產生的光信號與流過的電流有對應關係，光信號可以耦合進光纖進行遠距離傳輸。
3.如權利要求1所述的一種結合能量轉換型傳感器和光纖的遠距離傳感裝置，其特徵是光電轉換單元(3 )包含探測器和信號放大部分，探測器可以是PIN光電二極體光探測器件、或APD光探測器件。
【文檔編號】G01D5/56GK203672390SQ201420012344
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】張萍, 趙建林, 張哲民, 原輝 申請人:武漢普瑞奇機電設備有限公司