光耦合的遠距離敏感器裝置和系統的製作方法
2023-07-24 12:17:56
專利名稱：光耦合的遠距離敏感器裝置和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種遠距離的敏感器裝置和系統，更具體講，涉及到一種改進型、電氣隔離的遠距離敏感器裝置，其電源和信號傳輸全用光耦合，以及涉及到包括這種裝置的系統。
眾所周知，對工作用於電氣幹擾或高電壓線路的環境中的敏感器，利用纖維光信號導體(光導纖維纜)而取得電氣隔離，藉此避免了電氣幹擾，如果利用常規的銅導線作為信號導體就會產生這種電氣幹擾，最普通的抗幹擾傳輸就是利用一根光導纖維纜將遠距離敏感器來的敏感器數據傳輸到一個中央站或控制室，但是，大多數敏感器需從外電源供電，而這點對遠距離敏感器所處的現場來講時常是得不到的，何況用銅導體或常規導體向該敏感器提供電能將會破壞由光導纖維纜所提供的隔離。
曾有過許多解決供電問題的提議，但至今還未證實過完全成功。其中之一，利用長壽電池耦接到敏感器上，另一方法為用太陽電池通過一根光導纖維纜傳輸的光來發電。
還有一個方法，利用一隻普通的發光二極體(LED)既提供電能又用作返送敏感器數據，這是有希望的，因為用光耦合到發光二極體的一根普通的光纖纜既能供給敏感器電能，又能接收敏感器數據用以返回傳輸，該發光二極體工作為雙向型借光壓效應將光發送到該發光二極體，該管產生電力送到該敏感器單元，該電力又激勵該發光二極體到其正常發光型式，在這樣的一個具體實施例中，該發光二極體是藉助於一恆定的光源通過該光導纖維纜與它耦合進行激勵的，並利用產生的電流來給電容器充電，該電容器的能量向用於短時間地給該敏感器供電，並且供電給該發光二極體，以發射代表該敏感器參數值的光脈衝，即使僅有極小量的電能以此路傳遞，只要向該敏感器供電一段短時間，並向該電容器充電一段最長時間，即能使敏感器和發光二極體獲得足夠量的功率，由於它需要有從該發光二極體轉換到該敏感器的開關電路、控制電路以及數據編碼電路，這些電路都是實現這種遠距離敏感器所必需的，因此面對這些問題使實施變得困難和複雜。
暫不論在光導纖維技術方面的進步，現行可用的敏感器和監測系統已不能滿足工業方面高度的需要，對於一個光耦合的遠距離敏感器來講，需要一個有效的電源，這在蒸汽透平發電廠領域中尤其如此，因為這種發電廠需要大量的敏感器，而為了精確地檢測出臨界的系統運行參數，而大多數敏感器需要裝設在遠距離現場中。對於帶電源的可靠和有效的光耦合敏感器和監測系統的不斷需求，本發明可以滿足。
本發明主要目的在於提供一個用於遠距離檢測可變參數的光耦合型敏感裝置，包括一個敏感器，它具有可變電氣參數，隨著被檢測的參數而改變數值;一個調諧電路，結合在該敏感器的電參數中，並產生預定幅值的自然諧振頻率的振蕩電壓，且其周期為按照該敏感器的電參數值變化而改變的函數;其特徵為，有一個發光二極體與該調諧電路並聯;以及一種裝置使該發光二極體偏置於反饋偏壓，並使該發光二極體在該調諧電路振蕩電壓的大多數周期內處於不導通狀態，該發光二極體在反饋偏壓和感光時產生光敏電流環流於該調諧電路中，並且，當其被振蕩電壓置於正向偏置時，發射一相應的敏感器檢出的光脈衝。
本發明的最佳實施例提供了一種相對簡單的遠距離敏感器裝置和相關的系統，應用了一根單光纖纜，該光纖纜以其相對的兩端分別耦合於遠距離敏感器裝置和一個中央站，以從該中央站向該遠距離敏感器裝置提供電能和向該中央站傳輸該敏感器數據。所述的遠距離敏感器裝置包括有一個調諧電路，該電路包括一個敏感器的可變電阻抗元件，其電氣阻抗值作為被檢測狀態的一已知函數，並因此相應地改變該調諧電路的自然振蕩頻率。一個發光二極體與該調諧電路並聯相接，按雙向方式工作，亦即，變替地工作於接受光和發射光兩種形式，在接受光方式中，該發光二極體受從中央站經該光纖纜傳來的脈衝或斷續光的激勵，並在一反饋偏壓的條件下由於其光敏效應而產生電流，該電流的電能形式存儲於該調諧電路中，並造成在其諧振頻率下起振，在該發光二極體反饋偏壓條件下，不發生導通，但是因為該調諧電路繼續振蕩，所以該發光二極體變成正偏置，並從該調諧電路中存儲的能量引出電流，使該發光二極體發射一短脈衝光，該光耦合到光纖纜，並藉此而傳送到中央站。
藉助於適當調節耦合到該發光二極體(在接受方式)上的脈衝光幅值和頻率，以及適當調節該發光二極體上的偏置電平，以使該發光二極體只在該諧振信號波振蕩的正峰值時導通，調諧電路自然頻率的任何改變都將造成該發光二極體停止發射，利用再調節供到該發光二極體光脈衝的重複頻率，直到該發光二極體重新建立光脈衝輸出的發射為止，從而確定出該調諧電路的新自然諧振頻率。因此，把被檢測的參數值校正到相應於該敏感器在相應的自然諧振頻率下的電阻抗的變化(這時該調諧電路已按該敏感器電阻抗的變化而調諧到該自然振蕩頻率)，該被檢測的參數值即與該發光二極體發射的光脈衝的脈衝重複頻率相互關連，這是在按照上述調節程序使其與供到該發光二極體的光脈衝的重複頻率相匹配時發生的。
設置有遠距離敏感器裝置的該系統包括一個與光纖纜光耦合的方向耦合器、一個可變重複頻率的脈衝光源、一個光檢測器、它為獨立部件，以光耦合到該雙向耦合器，並交替地按接受發光二極體的光和發射光兩種形式工作;以及一個閉鎖振蕩器和控制器。該中央站還包括一個轉換器，連接到該檢測器上，用於確定所接受的光脈衝的重複頻率或頻率;以及一個顯示器。該轉換器被校準到使被測參數值與所接受的重複頻率相關連，因此而提供一適當的顯示信號，顯示出代表被測參數的電流值。
在運行中，從脈衝光源以選定的重複頻率輸出的光脈衝直接通過該方向耦合器被光纖纜傳輸到遠距離敏感器裝置的發光二極體上。然後，該發光二極體通過其光致效應以接受光的方式去激勵該調諧電路，在發光二極體發射光的方式中，發光二極體發射的光脈衝是通過該光纖纜和方向耦合器傳輸到該光檢測器上的，該光檢測器在沒收到從遠距離敏感器到中央站的發光二極體發射的光脈衝情況下，給該閉鎖振蕩器和控制器發信號，改變由脈衝光源傳輸的光脈衝頻率直到獲得匹配狀態的頻率為止，這時該閉鎖振蕩即被鎖定在該頻率上。
在一個最佳實施例中，該敏感器的可變阻抗元件包括有一個按該敏感器參數改變的電容，該參數可以是壓力;另外，該可變阻抗可以包括一個按照壓力或其它被檢測的適當參數變化的可變電感。在兩個實施例中，該可變阻抗(感性或容性)導致該調諧電路的自然諧振頻率的變化。
本發明的遠距離敏感器裝置和系統即這樣地提供出高度有效和高效率激勵的與中央站電氣隔離的遠距離敏感器，並且為了在中央站精確地確定和顯示被檢測的參數，採用一根單纖維光纜連接在中央站和該遠距離敏感器之間，以進行光耦合。
通過給出示例和結合下述附圖的理解，及對一個實施例所進行的下述說明將能更詳細地了解本發明。
圖1為本發明最佳實施例的遠距離敏感器裝置的系統圖，一部分為方框圖形式;
圖2A為調諧電路在標準諧振頻率下的振蕩電壓的波形曲線;
圖2B和2C分別表明耦合到發光二極體的輸入功率光脈衝的和發光二極體發射的敏感器輸出光脈衝的幅值和時間相互關係的時序圖。
在圖1中，本發明實施例的該光耦合遠距離敏感器系統10包括有一個中央站10a和一個遠距離敏感器裝置10b，用一根光纖纜12光耦合。
遠距離敏感器裝置10b包括由電感13和可變電容14並聯形成的調諧電路11;以及一個光電二極體或發光二極體(LED)16，它帶有一個串聯偏置控制電路18，並且它們共同與該調諧電路11並聯連接，可變電容14是敏感器15的可變電參量，它反應出被檢測的諸如溫度或壓力的狀態，並且電容14的電容值按照被檢測的狀態化而改變。電容14的數值變化相應地造成該諧電路11的自然諧振頻率方面的改變，顯然，本發明的敏感器系統10檢測出該調諧電路11的自然諧振頻率的變化，以在中央站10a提供出被檢測狀態的測量值。
該中央站10a包括一個方向耦合器20，它以光耦合到光纖纜12，用於傳輸功率輸入光脈衝通過光纜12到達遠距離敏感器裝置10b，或是接受通過光纜12傳來的敏感器輸出的光脈衝再通過光纜傳輸到中央站。該方向耦合器用作分開接到該脈衝光源和該光檢測器的各個光信號。這種功能也能用其它方法實現，包括用兩根分開的光導纖維纜分別耦合到同一個發光二極體16上。方向耦合器20還通過光纖纜22耦合到一個脈衝光源24，並通過光纖纜26耦合到一個光檢測器28。光檢測器28的輸出通過信號線29提供到一個控制器和閉鎖振蕩器30，由此經過信號線31提供輸出到脈衝光源24，以控制它產生的功率輸入光脈衝的頻率或重複頻率。光檢測器28還通過線路32將接受的來自遠距離敏感器10b的相應於敏感器輸出光脈衝的一項輸出送到一個轉換器34中，該轉換器34將這些檢測的光脈衝的頻率或重複頻率轉換成適當的顯示控制信號，經過線路35送到一個數字顯示器36。
現參考圖2A到圖2C的波形(作為上述的共同參考)將能對本發明光耦合遠距離敏感器系統10的運行有更好的理解。圖2A說明該遠距離敏感器裝置10b的調諧電路11的振蕩或正弦形波形，是按照該敏感器15的可變電容14的一個現行值確定的某一標定的自然諧振頻率情況，調諧電路11造成的在該頻率下的環流，是從該脈衝光源24輸出的光脈衝並通過光纜22、方向耦合器20和光纜12傳輸到遠距離敏感器10b的能量脈衝所激勵的。
更詳細地講，脈衝光源24輸出的光脈衝41描繪在圖2B中，每個光脈衝都由光纜12耦合到該發光二極體16，發光二極體16被偏置網絡18保持在反饋或反向偏置狀態，以致在調諧電路11正弦振蕩多數正行半周期間是不導通的，該偏置電壓被置於使發光二極體16在正電壓約1.6伏時變為正向偏置。因此，在圖2B中每一輸入光脈衝的間隔期間，發光二極體16工作於通過在其反向偏置電壓條件(在陽極為負壓)下的光致電壓效應而產生一項電流脈衝，環流於調諧電路11中，即如圖2A的正弦波形，當該電壓的正弦曲線達到其正峰值時(特別是本例在偏置電路18中採用大約+1.6伏)，該發光二極體16變為正向偏置，並從調諧電路中存儲的能量引出電流。這可以由圖2A中標號40看出正弦曲線的正峰值變平。發光二極體16因此在這項正向偏置條件下觸發或發射一個短脈衝光，如圖2C的脈衝42所示。然後，這些發射出的光脈衝42從光纜12通過方向耦合器20、光纜26而耦合到光檢測器28，如前所述。
由前述可見，圖2C所示發射的光脈衝42需要圖2B所示的輸入光脈衝為合適的重複率或頻率和幅值，以便允許發光二極體16產生足夠的輸出電流和電壓值，以產生所需的調諧電路11的環流和存在其中足夠大的能量，藉此使發光二極體16在圖2A所示正弦波諧振的正峰值處形成導通狀態，為了獲得這樣的結果，該控制器和閉鎖振蕩器30對脈衝光源15進行所需的控制。
由此可見，如果調諧電路11的自然諧振頻率由於電參數的改變而變化，也即敏感器15的電容14的電容值變化，則發光二極體16即停止發光。因此，光檢測器28無輸出通過線路29到閉鎖振蕩器和控制器30;於是該控制器30重調通過線路31加到脈衝信號源24的控制信號的脈衝重複率，以及相應地重調加到發光二極體16上的功率輸出光信號的脈衝重複率，直到建立發光二極體16發射敏感器輸出光信號為止。因此，從光檢測器28通過線路29重新開始的被檢測的敏感器輸出信號便指示所需的從源15來的功率輸出光脈衝重複率或頻率與從發光二極體16來的敏感器輸出光脈衝的頻率之間的匹配，該控制器和閉鎖振蕩器30輪流地對其響應而重新維持所建立的該輸出光脈衝的重複率。通過線路32提供光檢測器28的輸出到轉換器34，進一步由該轉換器34產生新的或調節過的輸出，該輸出經過線路35供到顯示器36，以顯示該檢測參數的新數值，在這方面可理解為，轉換器34被校準到使被測參數的顯示值與該脈衝重複率相互關連，以獲得匹配條件，亦即其中的功率輸入光脈衝應處於適當的頻率和相位，該頻率和相位與光檢測器28測到的從發光二極體16輸出的敏感器發光脈衝相關，從而與電路11的電流自然諧振頻率相關。因此，顯然是該控制器和閉鎖振蕩器30可以交替地直接對轉換器34提供該信息的重複率，如圖1中表示交替的信號的虛線42所示。
因此，本發明利用光纖纜12的雙向傳輸能力和光二極體或發光二極體16的雙向運行方式來達到從中央站10a向遠距離敏感器10b提供電能並使遠距離敏感器10b檢測的指示狀態的信號傳送到中央站10a的目的。因此，遠距離敏感器與電源及信號傳輸兩者間所需的隔離即經濟而有效地實現。
熟悉本技術的人員顯然會對本發明的遠距離敏感器裝置和系統做數字上的修改和改動，因此，所有這樣的修改和改動都屬於後附的權利要求所限定的本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一個光耦合的遠距離敏感器裝置(10)，用於遙測可變參量，包括一個敏感器，具有按照所測參量值變化而可改變的電參數；一個調諧電路(11)，結合有該敏感器的電參數，並產生預定幅值和自然諧振頻率具有相應周期的振蕩電壓，該周期是敏感器的電參數的函數，並隨其變化而變化；其特徵為與該調諧電路並聯連接一個發光二極體(16)；以及裝置(18)，用於將該發光二極體偏置於反向偏置電壓，並在該調諧電路振蕩電壓的大多數周期期間呈不導通狀態，該發光二極體在反向偏置電壓和受光時，產生在該調諧電路中環流的光致電流，並且在被該振蕩電壓置於正向偏置電壓時發射一相應的敏感器輸出光脈衝。
2.如權利要求1所述的一個敏感器裝置，其中該敏感器包括一個可變電容(14)敏感器。
3.如權利要求1所述的一個敏感器裝置，其中，該敏感器包括一個可變電感(13)敏感器。
4.如權利要求1所述的一個敏感器裝置，還包括一個光導纖維纜(12)，光耦合於該發光二極體。
5.如權利要求1所述的一個敏感器裝置，其中，偏置裝置(18)包括一個偏置控制電路，它與該發光二極體串聯連接。
6.如權利要求1所述的一個敏感器裝置，包括一個中央站;該中央站還包括一個脈衝光源(24)，用於產生功率輸入光脈衝，以通過該光導纖維纜耦合到該發光二極體上。
7.如權利要求6所述的一個光耦合的遠距離敏感器系統，其中所述的中央站還包括一個雙向耦合器(20)，光耦合到該光導纖維纜上，用於傳輸從該脈衝光源(24)發出的功率輸入光脈衝通過該光導纖維纜到達該發光二極體(16)，以及用於接受通過並耦合於該光導纖維纜傳輸的該敏感器輸出光脈衝(16)。
8.如權利要求7所述的一個光耦合遠距離敏感器系統，其中該中央站還包括一個光檢測器(21)，光耦合於該雙向耦合器上，用於檢測該敏感器輸出光脈衝，並產生代表該接受的敏感器輸出光脈衝的頻率的一項相應的輸出信號。
9.如權利要求8所述的一個光耦合遠距離敏感器系統，其中該中央站還包括一個控制器和閉鎖振蕩器(30)，其工作能響應光檢測器無輸出信號，以輸出一個頻率控制信號，用於改變被該脈衝光源產生的功率輸入光脈衝的頻率。
10.如權利要求9所述的一個光耦合遠距離敏感器系統，其中該中央站還包括一個轉換器，用於轉換該光檢測器的輸出信號，該信號相應於接受自遠距離檢測的敏感器輸出光脈衝的頻率，並轉換成為代表被檢測狀態的數值的顯示控制信號;以及
一個顯示器，其工作能響應該顯示控制信號，以顯示被檢測的狀態的數值。
11.如權利要求6所述的一個光耦合遠距離敏感器系統，其中該敏感器包括一個可變電容敏感器。
12.如權利要求6所述的一個光耦合遠距離敏感器系統，其中該敏感器包括一個可變電感敏感器。
全文摘要
光耦合遠距離敏感器裝置包括有調諧電路，設置一個敏感器和一個發光二極體與調諧電路並聯。該調諧電路的自然諧振頻率由與被測狀態參量為函數的敏感器所確定，被測狀態與發光二極體發射的光脈衝頻率相關，而該光脈衝只當脈衝光源的頻率與該調諧電路的自然諧振頻率一致時才發出。
文檔編號G01D5/243GK1037393SQ8910298
公開日1989年11月22日 申請日期1989年4月28日 優先權日1988年4月29日
發明者J·理察·漢森, 朱理斯·A·阿薩斯, 羅伯特·M·歐特斯 申請人:西屋電氣公司