一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，包括傳感頭、主機(jī)、連接光纜5，傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉(zhuǎn)換型傳感器1，電光轉(zhuǎn)換單元2；主機(jī)包括光電轉(zhuǎn)換單元3、信號(hào)分析和處理單元4；連接光纜5聯(lián)通傳感頭和主機(jī)；能量轉(zhuǎn)換型傳感器1在感知物理量變化時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動(dòng)電光轉(zhuǎn)換單元2；電光轉(zhuǎn)換單元2產(chǎn)生的光信號(hào)通過連接光纜5進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，然后通過光電轉(zhuǎn)換單元4將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)，在信號(hào)分析和處理單元4進(jìn)行信號(hào)分析，解析出所測(cè)物理量。本裝置可以適用于大量常規(guī)的能量轉(zhuǎn)換型傳感器，使得這些傳感器能夠在遠(yuǎn)距離條件下無需電源供電的工作，具有安裝簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。
【專利說明】一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，用于特殊遠(yuǎn)距離場(chǎng)合的無源傳感檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]從能量轉(zhuǎn)換的角度劃分，傳感器有能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩種。能量轉(zhuǎn)換型傳感器，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源，如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等等機(jī)制設(shè)計(jì)的傳感器等的傳感器都屬于此類傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器是能夠?qū)⒈粶y(cè)量的能量直接轉(zhuǎn)換為輸出的能量，如電流、電壓等。
[0003]在很多應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)比較特殊的場(chǎng)合，要求傳感裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、現(xiàn)場(chǎng)無源檢測(cè)。比如野外沒有供電，一般用太陽(yáng)能和電池供電，但其長(zhǎng)期可靠性存在問題，受天氣環(huán)境影響比較大；而且野外如果通過電纜或者無線發(fā)送數(shù)據(jù)回來的話，需要在現(xiàn)場(chǎng)有供電，而且容易受電磁干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)一些特殊場(chǎng)合下的檢測(cè)需求，如現(xiàn)場(chǎng)無電源供電，被測(cè)點(diǎn)離主機(jī)房比較遠(yuǎn)等，提供一種能夠在被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不需要電源供電，工作距離比較遠(yuǎn)的傳感裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:按照特殊應(yīng)用場(chǎng)合要求，工作距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無源、防電磁干擾、適用性強(qiáng)等，許多現(xiàn)有能量轉(zhuǎn)換型傳感器只要稍作設(shè)計(jì)，就可以滿足這些要求。
[0006]一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)化型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感器，包括傳感頭、主機(jī)、連接光纜三個(gè)部分。
[0007]傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉(zhuǎn)換型傳感器，電光轉(zhuǎn)換單元；主機(jī)包括光電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)分析和處理單元；連接光纜用來將距離比較遠(yuǎn)的傳感頭和主機(jī)二者聯(lián)通，使得光信號(hào)能夠傳輸回主機(jī)。能量轉(zhuǎn)換型傳感器在感知物理量變化時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動(dòng)電光轉(zhuǎn)換單元；電光轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的光信號(hào)通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，然后在機(jī)房?jī)?nèi)通過光電轉(zhuǎn)換單元將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)分析，解析出所測(cè)物理量。
[0008]傳感頭內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換型傳感器基于壓電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)或者其它效應(yīng)，能夠在無供電條件下通過感應(yīng)被測(cè)物理量爾產(chǎn)生電流或電壓信號(hào)，感知物理量變化時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動(dòng)電光轉(zhuǎn)換單元。有許多傳感器在感知外界變化后產(chǎn)生的不是電流信號(hào)而是電壓信號(hào)，如基于傳感材料壓電效應(yīng)的傳感器，其直接輸出量為電壓，此時(shí)只需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電流的電路，就可以用來驅(qū)動(dòng)電光轉(zhuǎn)換單元。
[0009]傳感頭內(nèi)電光轉(zhuǎn)換單元的作用是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的光信號(hào)。一般采用電流驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括LED、VCSEL或者半導(dǎo)體激光器LD等。根據(jù)產(chǎn)生的電流信號(hào)的強(qiáng)度不同，可以選用不同的發(fā)光器件，該發(fā)光器件產(chǎn)生的光信號(hào)與流過的電流有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且該光信號(hào)可以耦合進(jìn)光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。LED的特點(diǎn)是光信號(hào)與電流信號(hào)基本是線性關(guān)系，可以承受更大的電流，但轉(zhuǎn)換效率比較低；而且一般在850nm波段，只能用多模光纖進(jìn)行耦合，傳輸距離在幾百米范圍內(nèi)。VCSEL有850nm波長(zhǎng)的，也有1300nm和1550nm波段的，可以承受的電流范圍比較小，輸出的功率范圍也比較小，但電光轉(zhuǎn)換的效率比較高。LD激光器的轉(zhuǎn)換效率和可承受的范圍都比較高，可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的傳輸距離，一般1310nm和1550nm的用得多一些。其特點(diǎn)是一般有幾個(gè)mA的閾值，超過這個(gè)閾值后才能有比較高的光功率輸出。
[0010]與不同發(fā)光器件配套會(huì)有不同的驅(qū)動(dòng)電路，以保證電流信號(hào)能夠正常的驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件工作。
[0011]產(chǎn)生的光信號(hào)通過連接光纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，所采用的連接光纜根據(jù)光源和距離不同會(huì)有所不同。如果用LED作為發(fā)光器件，則一般采用多模光纖。VCSEL根據(jù)波長(zhǎng)不同可以選用單?；蛘叨嗄９饫w，850nm的一般用多模光纖，1300nm和1550nm的一般用單模光纖。LD常用都是采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。因?yàn)槭情L(zhǎng)距離傳輸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)光纖有不同的保護(hù)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(jù)不同環(huán)境要求選用不同的光纜。
[0012]主機(jī)內(nèi)光電轉(zhuǎn)換單元包含探測(cè)器和信號(hào)放大部分，探測(cè)器可以是PIN光電二極管光探測(cè)器件、或AH)光探測(cè)器件。探測(cè)器采用與光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的材料。如果是850nm的一般米用GaAs探測(cè)器,如果是1300nm或者1550nm的一般米用InGaAs探測(cè)器。因?yàn)樾盘?hào)一般比較弱，探測(cè)器后面接小信號(hào)放大電路，將信號(hào)放大后通過電線傳給信號(hào)分析和處理單元。
[0013]信號(hào)分析和處理單元對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行去噪后，根據(jù)傳感器的不同原理用不同的算法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的被測(cè)量。
[0014]本發(fā)明裝置的一個(gè)關(guān)鍵是，根據(jù)被測(cè)量的不同，要選用不同量程、不同原理的傳感器，根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換單元匹配電路，其中包括電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，以保證傳感器的輸出電流值處于傳感頭內(nèi)電光轉(zhuǎn)換單兀內(nèi)發(fā)光器件的工作電流范圍內(nèi)。
[0015]發(fā)明的有益效果:本發(fā)明裝置可以適用于大量常規(guī)的能量轉(zhuǎn)換型傳感器，使得這些傳感器能夠在遠(yuǎn)距離條件下無需電源供電的工作，具有安裝簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明裝置示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明采用羅氏線圈電流傳感器實(shí)施例示意圖。
[0018]圖3為積分電路圖。
[0019]圖4為本發(fā)明采用磁感應(yīng)式傳感器實(shí)施例示意圖。
[0020]圖中1.能量轉(zhuǎn)換型傳感器；2.電光轉(zhuǎn)換單元；3.光電轉(zhuǎn)換單元；4.信號(hào)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(zhuǎn)換單元；8.磁感應(yīng)式傳感器；
9.防護(hù)罩；10.永磁鐵；11.信號(hào)輸出線；12.感應(yīng)線圈；13.車輪。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0022]一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)化型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感器，包括傳感頭、主機(jī)、連接光纜5三個(gè)部分，傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉(zhuǎn)換型傳感器1，電光轉(zhuǎn)換單元2 ;主機(jī)包括光電轉(zhuǎn)換單元3、信號(hào)分析和處理單元4。
[0023]實(shí)施例1是一個(gè)長(zhǎng)距離的羅氏線圈電流傳感裝置。
[0024]如圖2所示，本發(fā)明裝置包括一個(gè)羅氏線圈電流傳感器6、電壓-電流轉(zhuǎn)換單元7、電光轉(zhuǎn)換單元2采用LED驅(qū)動(dòng)模塊、光電轉(zhuǎn)換單元3采用PIN探測(cè)器、信號(hào)分析和處理單元4，及光纜5。
[0025]羅氏線圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過羅氏線圈中心時(shí)，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(zhuǎn)換單元7將電壓信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，假設(shè)系數(shù)為A2，則經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)換單元7后，驅(qū)動(dòng)LED的電流值為Al* A2*d Ut)/dt0
[0026]LED采用850nm波段，對(duì)應(yīng)的光纜5采用多模光纖。LED的輸出光功率一般與驅(qū)動(dòng)電流成比例關(guān)系，假設(shè)系數(shù)為A3，則其輸出光功率為P(t)=Al* A2*A3*d I(t)/dt ;經(jīng)過光纖鏈路由PIN探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電流值i (t)，則i (t)與P(t)依然成正比關(guān)系，即與d I (t)/dt成正比。
[0027]在信號(hào)分析和處理單元4中對(duì)i (t)進(jìn)行積分，可以是用圖3所示積分電路實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn)。最后得到的Vout即與I直接對(duì)應(yīng)。
[0028]經(jīng)過對(duì)裝置標(biāo)定后，就可以通過該裝置來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無源測(cè)量電流。
[0029]實(shí)施例2為一個(gè)長(zhǎng)距離的鐵路專用磁感應(yīng)式傳感裝置。
[0030]本實(shí)施例電光轉(zhuǎn)換單元2采用LD驅(qū)動(dòng)模塊，可以通過單模光纜傳輸更遠(yuǎn)的距離，監(jiān)測(cè)鐵路沿線更長(zhǎng)范圍。
[0031]能量轉(zhuǎn)換型傳感器I采用鐵路專用磁感應(yīng)式傳感器8，用來獲取列車通過信號(hào)。當(dāng)列車車輪13通過磁感應(yīng)式傳感器8時(shí)，磁感應(yīng)式傳感器8內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化，內(nèi)部線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
[0032]磁感應(yīng)式傳感器8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4，其中防護(hù)罩9為鋁質(zhì)或工程塑料。感應(yīng)線圈12繞在永磁體10上。利用火車輪13的鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)火車在鋼軌上行駛時(shí)，車輪13的運(yùn)動(dòng)為水平圓周運(yùn)動(dòng)，車輪13在水平方向切割磁力線，引起感應(yīng)線圈12磁通量的變化，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)線圈12產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)有火車駛過時(shí)，則該傳感器將通過信號(hào)輸出線11感應(yīng)輸出一串電脈沖，該電脈沖經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路(包括前置放大、低通濾波等)，送至電壓-電流轉(zhuǎn)換電路7，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖電流信號(hào)后驅(qū)動(dòng)LD驅(qū)動(dòng)模塊，LD發(fā)出的脈沖光信號(hào)通過單模光纜后由探測(cè)器轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)分析和處理單元4處理后，可以計(jì)算來車的速度、車輪數(shù)等等信息，從而完成火車來車狀態(tài)的檢測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，包括傳感頭、主機(jī)、連接光纜(5)，其特征是傳感頭包含電流、或電壓輸出的能量轉(zhuǎn)換型傳感器(1)，電光轉(zhuǎn)換單元(2);主機(jī)包括光電轉(zhuǎn)換單元(3)、信號(hào)分析和處理單元(4);連接光纜(5)聯(lián)通傳感頭和主機(jī)；能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)在感知物理量變化時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動(dòng)電光轉(zhuǎn)換單元(2 );電光轉(zhuǎn)換單元(2 )產(chǎn)生的光信號(hào)通過連接光纜(5 )進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，然后通過光電轉(zhuǎn)換單元(4)將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)，在信號(hào)分析和處理單元(4)進(jìn)行信號(hào)分析，解析出所測(cè)物理量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，其特征是電光轉(zhuǎn)換單元(2)采用電流驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體發(fā)光器件，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)產(chǎn)生的電流信號(hào)的強(qiáng)度不同，選用不同的發(fā)光器件，可以是LED、VCSEL或者半導(dǎo)體激光器LD ;發(fā)光器件產(chǎn)生的光信號(hào)與流過的電流有對(duì)應(yīng)關(guān)系，光信號(hào)可以耦合進(jìn)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。
3.如權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，其特征是光電轉(zhuǎn)換單元(3 )包含探測(cè)器和信號(hào)放大部分，探測(cè)器可以是PIN光電二極管光探測(cè)器件、或APD光探測(cè)器件。
4.如權(quán)利要求1-3所述的一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，其特征是能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)采用羅氏線圈電流傳感器(6 )，電光轉(zhuǎn)換單元(2 )采用LED驅(qū)動(dòng)模塊，光電轉(zhuǎn)換單元(3)采用PIN探測(cè)器，采用多模光纜(5)傳輸，羅氏線圈電流傳感器(6)連接電壓-電流轉(zhuǎn)換單元(7)。
5.如權(quán)利要求1-3所述的一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠(yuǎn)距離傳感裝置，其特征是能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)采用磁感應(yīng)式傳感器(8 )，電光轉(zhuǎn)換單元(2 )采用LD驅(qū)動(dòng)模塊，采用單模光纜(5)傳輸，磁感應(yīng)式傳感器(8)電壓-電流轉(zhuǎn)換單元(7)。
【文檔編號(hào)】G01D5/56GK103712640SQ201410009593
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】張萍, 趙建林, 張哲民, 原輝 申請(qǐng)人:武漢普瑞奇機(jī)電設(shè)備有限公司