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一種結(jié)合能量轉(zhuǎn)換型傳感器和光纖的遠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(zhuǎn)換型傳感器1，電光轉(zhuǎn)換單元2；主機包括光電轉(zhuǎn)換單元3、信號分析和處理單元4；連接光纜5聯(lián)通傳感頭和主機；能量轉(zhuǎn)換型傳感器1在感知物理量變化時產(chǎn)生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動電光轉(zhuǎn)換單元2；電光轉(zhuǎn)換單元2產(chǎn)生的光信號通過連接光纜5進行遠距離傳輸，然后通過光電轉(zhuǎn)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(yōu)點，為實際現(xiàn)場安裝及系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的方便。
【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距離傳感裝置，用于特殊遠距離場合的無源傳感檢測。
【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、熱電效應、光電效應、霍爾效應等等機制設(shè)計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]在很多應用現(xiàn)場比較特殊的場合，要求傳感裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離、現(xiàn)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(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)明的目的是針對一些特殊場合下的檢測需求，如現(xiàn)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(xiàn)場不需要電源供電，工作距離比較遠的傳感裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:按照特殊應用場合要求，工作距離較遠，現(xiàn)場無源、防電磁干擾、適用性強等，許多現(xiàn)有能量轉(zhuǎn)換型傳感器只要稍作設(shè)計，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(zhuǎn)換型傳感器，電光轉(zhuǎn)換單元；主機包括光電轉(zhuǎn)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(lián)通，使得光信號能夠傳輸回主機。能量轉(zhuǎn)換型傳感器在感知物理量變化時產(chǎn)生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動電光轉(zhuǎn)換單元；電光轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的光信號通過光纖實現(xiàn)遠距離傳輸，然后在機房內(nèi)通過光電轉(zhuǎn)換單元將光信號恢復為電信號，并進行信號分析，解析出所測物理量。
[0008]傳感頭內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換型傳感器基于壓電效應、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(chǎn)生電流或電壓信號，感知物理量變化時產(chǎn)生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動電光轉(zhuǎn)換單元。有許多傳感器在感知外界變化后產(chǎn)生的不是電流信號而是電壓信號，如基于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(shè)計一個電壓轉(zhuǎn)換電流的電路，就可以用來驅(qū)動電光轉(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轉(zhuǎn)換為對應的光信號。一般采用電流驅(qū)動的半導體發(fā)光器件，包括LED、VCSEL或者半導體激光器LD等。根據(jù)產(chǎn)生的電流信號的強度不同，可以選用不同的發(fā)光器件，該發(fā)光器件產(chǎn)生的光信號與流過的電流有對應關(guān)系，而且該光信號可以耦合進光纖實現(xiàn)遠距離傳輸。LED的特點是光信號與電流信號基本是線性關(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，只能用多模光纖進行耦合，傳輸距離在幾百米范圍內(nèi)。VCSEL有850nm波長的，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，可以實現(xiàn)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)光器件配套會有不同的驅(qū)動電路，以保證電流信號能夠正常的驅(qū)動發(fā)光器件工作。
[0011]產(chǎn)生的光信號通過連接光纜實現(xiàn)遠距離傳輸，所采用的連接光纜根據(jù)光源和距離不同會有所不同。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常用都是采用標準單模光纖。因為是長距離傳輸，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)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(jù)不同環(huán)境要求選用不同的光纜。
[0012]主機內(nèi)光電轉(zhuǎn)換單元包含探測器和信號放大部分，探測器可以是PIN光電二極管光探測器件、或AH)光探測器件。探測器采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，探測器后面接小信號放大電路，將信號放大后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后的信號進行去噪后，根據(jù)傳感器的不同原理用不同的算法計算出對應的被測量。
[0014]本發(fā)明裝置的一個關(guān)鍵是，根據(jù)被測量的不同，要選用不同量程、不同原理的傳感器，根據(jù)傳感器設(shè)計相應的電光轉(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(yōu)點，為實際現(xiàn)場安裝及系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的方便。
【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)明采用磁感應式傳感器實施例示意圖。
[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(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[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(zhuǎn)換型傳感器1，電光轉(zhuǎn)換單元2 ;主機包括光電轉(zhuǎn)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，本發(fā)明裝置包括一個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)動模塊、光電轉(zhuǎn)換單元3采用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(jù)是法拉第電磁感應定律和安培環(huán)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(zhuǎn)換單元7將電壓信號線性轉(zhuǎn)換為電流信號，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LED的電流值為Al* A2*d Ut)/dt0
[0026]LED采用850nm波段，對應的光纜5采用多模光纖。LED的輸出光功率一般與驅(qū)動電流成比例關(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(xiàn)，也可以通過軟件算法實現(xiàn)。最后得到的Vout即與I直接對應。
[0028]經(jīng)過對裝置標定后，就可以通過該裝置來實現(xiàn)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(zhuǎn)換單元2采用LD驅(qū)動模塊，可以通過單模光纜傳輸更遠的距離，監(jiān)測鐵路沿線更長范圍。
[0031]能量轉(zhuǎn)換型傳感器I采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(nèi)部磁場發(fā)生變化，內(nèi)部線圈兩端就會產(chǎn)生感應電動勢。
[0032]磁感應式傳感器8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4，其中防護罩9為鋁質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)，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(jù)楞次定律，感應線圈12產(chǎn)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感應輸出一串電脈沖，該電脈沖經(jīng)過信號調(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)生的脈沖信號轉(zhuǎn)換成脈沖電流信號后驅(qū)動LD驅(qū)動模塊，LD發(fā)出的脈沖光信號通過單模光纜后由探測器轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，經(jīng)信號分析和處理單元4處理后，可以計算來車的速度、車輪數(shù)等等信息，從而完成火車來車狀態(tài)的檢測。
【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距離傳感裝置，包括傳感頭、主機、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);主機包括光電轉(zhuǎn)換單元(3)、信號分析和處理單元(4);連接光纜(5)聯(lián)通傳感頭和主機；能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)在感知物理量變化時產(chǎn)生相應的電流輸出，其輸出電流用來驅(qū)動電光轉(zhuǎn)換單元(2 );電光轉(zhuǎn)換單元(2 )產(chǎn)生的光信號通過連接光纜(5 )進行遠距離傳輸，然后通過光電轉(zhuǎn)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(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)動的半導體發(fā)光器件，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換型傳感器(I)產(chǎn)生的電流信號的強度不同，選用不同的發(fā)光器件，可以是LED、VCSEL或者半導體激光器LD ;發(fā)光器件產(chǎn)生的光信號與流過的電流有對應關(guān)系，光信號可以耦合進光纖進行遠距離傳輸。
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距離傳感裝置，其特征是光電轉(zhuǎn)換單元(3 )包含探測器和信號放大部分，探測器可以是PIN光電二極管光探測器件、或APD光探測器件。
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)動模塊，光電轉(zhuǎn)換單元(3)采用PIN探測器，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)采用磁感應式傳感器(8 )，電光轉(zhuǎn)換單元(2 )采用LD驅(qū)動模塊，采用單模光纜(5)傳輸，磁感應式傳感器(8)電壓-電流轉(zhuǎn)換單元(7)。
【文檔編號】G01D5/56GK103712640SQ201410009593
【公開日】2014年4月9日 申請日期: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 申請人:武漢普瑞奇機電設(shè)備有限公司