一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，包括传感头、主机、连接光缆5，传感头包含电流、或电压输出的能量转换型传感器1，电光转换单元2；主机包括光电转换单元3、信号分析和处理单元4；连接光缆5联通传感头和主机；能量转换型传感器1在感知物理量变化时产生相应的电流输出，其输出电流用来驱动电光转换单元2；电光转换单元2产生的光信号通过连接光缆5进行远距离传输，然后通过光电转换单元4将光信号恢复为电信号，在信号分析和处理单元4进行信号分析，解析出所测物理量。本装置可以适用于大量常规的能量转换型传感器，使得这些传感器能够在远距离条件下无需电源供电的工作，具有安装简单、适用性强优点，为实际现场安装及系统设计带来了很大的方便。
【专利说明】一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，用于特殊远距离场合的无源传感检测。
【背景技术】
[0002]从能量转换的角度划分，传感器有能量转换型和能量控制型两种。能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源，如基于压电效应、热电效应、光电效应、霍尔效应等等机制设计的传感器等的传感器都属于此类传感器。能量转换型传感器是能够将被测量的能量直接转换为输出的能量，如电流、电压等。
[0003]在很多应用现场比较特殊的场合，要求传感装置能够实现远距离、现场无源检测。比如野外没有供电，一般用太阳能和电池供电，但其长期可靠性存在问题，受天气环境影响比较大；而且野外如果通过电缆或者无线发送数据回来的话，需要在现场有供电，而且容易受电磁干扰。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对一些特殊场合下的检测需求，如现场无电源供电，被测点离主机房比较远等，提供一种能够在被测现场不需要电源供电，工作距离比较远的传感装置。
[0005]本发明的技术方案:按照特殊应用场合要求，工作距离较远，现场无源、防电磁干扰、适用性强等，许多现有能量转换型传感器只要稍作设计，就可以满足这些要求。
[0006]一种结合能量转化型传感器和光纤的远距离传感器，包括传感头、主机、连接光缆三个部分。
[0007]传感头包含电流、或电压输出的能量转换型传感器，电光转换单元；主机包括光电转换单元、信号分析和处理单元；连接光缆用来将距离比较远的传感头和主机二者联通，使得光信号能够传输回主机。能量转换型传感器在感知物理量变化时产生相应的电流输出，其输出电流用来驱动电光转换单元；电光转换单元产生的光信号通过光纤实现远距离传输，然后在机房内通过光电转换单元将光信号恢复为电信号，并进行信号分析，解析出所测物理量。
[0008]传感头内的能量转换型传感器基于压电效应、霍尔效应或者其它效应，能够在无供电条件下通过感应被测物理量尔产生电流或电压信号，感知物理量变化时产生相应的电流输出，其输出电流用来驱动电光转换单元。有许多传感器在感知外界变化后产生的不是电流信号而是电压信号，如基于传感材料压电效应的传感器，其直接输出量为电压，此时只需要设计一个电压转换电流的电路，就可以用来驱动电光转换单元。
[0009]传感头内电光转换单元的作用是将电流信号转换为对应的光信号。一般采用电流驱动的半导体发光器件，包括LED、VCSEL或者半导体激光器LD等。根据产生的电流信号的强度不同，可以选用不同的发光器件，该发光器件产生的光信号与流过的电流有对应关系，而且该光信号可以耦合进光纤实现远距离传输。LED的特点是光信号与电流信号基本是线性关系，可以承受更大的电流，但转换效率比较低；而且一般在850nm波段，只能用多模光纤进行耦合，传输距离在几百米范围内。VCSEL有850nm波长的，也有1300nm和1550nm波段的，可以承受的电流范围比较�。涑龅墓β史段б脖冉闲。绻庾坏男时冉细�。LD激光器的转换效率和可承受的范围都比较高，可以实现最远的传输距离，一般1310nm和1550nm的用得多一些。其特点是一般有几个mA的阈值，超过这个阈值后才能有比较高的光功率输出。
[0010]与不同发光器件配套会有不同的驱动电路，以保证电流信号能够正常的驱动发光器件工作。
[0011]产生的光信号通过连接光缆实现远距离传输，所采用的连接光缆根据光源和距离不同会有所不同。如果用LED作为发光器件，则一般采用多模光纤。VCSEL根据波长不同可以选用单模或者多模光纤，850nm的一般用多模光纤，1300nm和1550nm的一般用单模光纤。LD常用都是采用标准单模光纤。因为是长距离传输，根据现场环境对光纤有不同的保护方式。有的要防水、有的要防外界破坏、有的要求绝缘，可以根据不同环境要求选用不同的光缆。
[0012]主机内光电转换单元包含探测器和信号放大部分，探测器可以是PIN光电二极管光探测器件、或AH)光探测器件。探测器采用与光源波长对应的材料。如果是850nm的一般米用GaAs探测器,如果是1300nm或者1550nm的一般米用InGaAs探测器。因为信号一般比较弱，探测器后面接小信号放大电路，将信号放大后通过电线传给信号分析和处理单元。
[0013]信号分析和处理单元对放大后的信号进行去噪后，根据传感器的不同原理用不同的算法计算出对应的被测量。
[0014]本发明装置的一个关键是，根据被测量的不同，要选用不同量程、不同原理的传感器，根据传感器设计相应的电光转换单元匹配电路，其中包括电压-电流转换电路，以保证传感器的输出电流值处于传感头内电光转换单兀内发光器件的工作电流范围内。
[0015]发明的有益效果:本发明装置可以适用于大量常规的能量转换型传感器，使得这些传感器能够在远距离条件下无需电源供电的工作，具有安装简单、适用性强优点，为实际现场安装及系统设计带来了很大的方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明装置示意图。
[0017]图2为本发明采用罗氏线圈电流传感器实施例示意图。
[0018]图3为积分电路图。
[0019]图4为本发明采用磁感应式传感器实施例示意图。
[0020]图中1.能量转换型传感器；2.电光转换单元；3.光电转换单元；4.信号分析和处理单元；5.光缆；6.罗氏线圈电流传感器；7.电压-电流转换单元；8.磁感应式传感器；
9.防护罩；10.永磁铁；11.信号输出线；12.感应线圈；13.车轮。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0022]一种结合能量转化型传感器和光纤的远距离传感器，包括传感头、主机、连接光缆5三个部分，传感头包含电流、或电压输出的能量转换型传感器1，电光转换单元2 ;主机包括光电转换单元3、信号分析和处理单元4。
[0023]实施例1是一个长距离的罗氏线圈电流传感装置。
[0024]如图2所示，本发明装置包括一个罗氏线圈电流传感器6、电压-电流转换单元7、电光转换单元2采用LED驱动�？�、光电转换单元3采用PIN探测器、信号分析和处理单元4，及光缆5。
[0025]罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，线圈输出电压值v(t)与通过线圈中心的电流I (t)的微分成正比，即V(t)=Al*d I(t)/dt。电压-电流转换单元7将电压信号线性转换为电流信号，假设系数为A2，则经过电压-电流转换单元7后，驱动LED的电流值为Al* A2*d Ut)/dt0
[0026]LED采用850nm波段，对应的光缆5采用多模光纤。LED的输出光功率一般与驱动电流成比例关系，假设系数为A3，则其输出光功率为P(t)=Al* A2*A3*d I(t)/dt ;经过光纤链路由PIN探测器转换成电流值i (t)，则i (t)与P(t)依然成正比关系，即与d I (t)/dt成正比。
[0027]在信号分析和处理单元4中对i (t)进行积分，可以是用图3所示积分电路实现，也可以通过软件算法实现。最后得到的Vout即与I直接对应。
[0028]经过对装置标定后，就可以通过该装置来实现远程无源测量电流。
[0029]实施例2为一个长距离的铁路专用磁感应式传感装置。
[0030]本实施例电光转换单元2采用LD驱动�？椋梢酝üツ９饫麓涓兜木嗬耄嗖馓费叵吒し段�。
[0031]能量转换型传感器I采用铁路专用磁感应式传感器8，用来获取列车通过信号。当列车车轮13通过磁感应式传感器8时，磁感应式传感器8内部磁场发生变化，内部线圈两端就会产生感应电动势。
[0032]磁感应式传感器8的内部结构如图4，其中防护罩9为铝质或工程塑料。感应线圈12绕在永磁体10上。利用火车轮13的铁质结构，当火车在钢轨上行驶时，车轮13的运动为水平圆周运动，车轮13在水平方向切割磁力线，引起感应线圈12磁通量的变化，根据楞次定律，感应线圈12产生感生电动势，当有火车驶过时，则该传感器将通过信号输出线11感应输出一串电脉冲，该电脉冲经过信号调理电路(包括前置放大、低通滤波等)，送至电压-电流转换电路7，其产生的脉冲信号转换成脉冲电流信号后驱动LD驱动模块，LD发出的脉冲光信号通过单模光缆后由探测器转换成脉冲电信号，经信号分析和处理单元4处理后，可以计算来车的速度、车轮数等等信息，从而完成火车来车状态的检测。
【权利要求】
1.一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，包括传感头、主机、连接光缆(5)，其特征是传感头包含电流、或电压输出的能量转换型传感器(1)，电光转换单元(2);主机包括光电转换单元(3)、信号分析和处理单元(4);连接光缆(5)联通传感头和主机；能量转换型传感器(I)在感知物理量变化时产生相应的电流输出，其输出电流用来驱动电光转换单元(2 );电光转换单元(2 )产生的光信号通过连接光缆(5 )进行远距离传输，然后通过光电转换单元(4)将光信号恢复为电信号，在信号分析和处理单元(4)进行信号分析，解析出所测物理量。
2.如权利要求1所述的一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，其特征是电光转换单元(2)采用电流驱动的半导体发光器件，根据能量转换型传感器(I)产生的电流信号的强度不同，选用不同的发光器件，可以是LED、VCSEL或者半导体激光器LD ;发光器件产生的光信号与流过的电流有对应关系，光信号可以耦合进光纤进行远距离传输。
3.如权利要求1所述的一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，其特征是光电转换单元(3 )包含探测器和信号放大部分，探测器可以是PIN光电二极管光探测器件、或APD光探测器件。
4.如权利要求1-3所述的一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，其特征是能量转换型传感器(I)采用罗氏线圈电流传感器(6 )，电光转换单元(2 )采用LED驱动�？椋獾缱坏ピ�(3)采用PIN探测器，采用多模光缆(5)传输，罗氏线圈电流传感器(6)连接电压-电流转换单元(7)。
5.如权利要求1-3所述的一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置，其特征是能量转换型传感器(I)采用磁感应式传感器(8 )，电光转换单元(2 )采用LD驱动模块，采用单模光缆(5)传输，磁感应式传感器(8)电压-电流转换单元(7)。
【文档编号】G01D5/56GK103712640SQ201410009593
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】张萍, 赵建林, 张哲民, 原辉 申请人:武汉普瑞奇机电设备有限公司
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