本发明总体涉及用于航空燃料系统应用的无源光学传感器，且更具体地涉及与光学传感器相关联的校准数据的存储以及仅使用光能远程访问该数据的能力。
背景技术：
作为用于航空燃料系统应用的无源光学压力和温度传感器的发展的一部分，发现了关于用于传感器的校准数据的问题。更具体地，传感器要求存储校准数据且使用该校准数据将原始被测变量转换为将用在燃料计量系统中的有意义的压力值和温度值。这些校准数据被存储在光学询问器上，该光学询问器定位成远离传感器本身。这可能导致关于可交换性的问题，因为当传感器被去除且用不同传感器代替时(如在例行航线维护操作中可以为这种情况)，必须将与新传感器相关联的校准数据上传到询问器上。
在飞行器燃料计量系统的情况下，这类操作对于终端用户来说是不可接受的，因为如果加载不正确的数据，则这类操作代表重大的维护开销和系统误操作的可能诱因。优选的是，任何传感器为“即插即用”–即，一旦将新传感器插入询问器中，其数据自动地被适当校准。
通常利用高准确度的电学传感器来采用这类方法，其中，传感器校准数据可以本地地被存储在传感器自身上、且直接被具有某种本地处理能力的传感器应用于原始被测变量，从而在电子数据链路上输出的数据立即可用于终端系统。然而，这类系统依赖于由电源提供的电力来存储和检索数据。
在燃料箱应用中，电力的量必须保持低于规定的级别，以防止电力充当可点燃燃料/燃油蒸气的源(电火花)。这类低功率级通常不足以操作存储校准数据的存储设备。因此，这类传统系统在飞行器燃料箱环境中是不令人满意的。
因此，需要用于无源光学传感器的等效系统，该系统允许这些传感器的接口电子器件(询问器)在启动时自动地读取任何相关联的校准数据、以及自动地将所述校准数据应用于原始被测变量，而在安装期间无需任何额外的手动步骤。
技术实现要素：
根据本发明的装置和系统使操作数据(诸如校准数据、识别数据、配置数据等)能够本地地存储在光学传感器上且可从传感器检索而无需与传感器的外部电力连接。更具体地，从提供给光学传感器的光学信号获得电力。在一个实施方式中，从用于询问传感器的光学信号获得电力，而在另一实施方式中，可以从与询问信号分离的光学信号获得电力。
由于从光学信号获得电力，因此电力设备可以用作传感器中的数据存储设备，而无需与传感器的外部电力连接。这类电力设备例如包括电可擦除可编程只读存储器(electricallyerasableprogrammablereadonlymemory，eeprom)和铁电随机存取存储器(ferroelectricrandomaccessmemory，fram)设备等。
可以使用光电设备从光学信号获得电力，该光电设备例如为光电二极管、发光二极管等。尽管从光学信号获得的即时电力可以很低，但是可以随着时间积累电力，直到已获得足以操作电力设备的电量。为此，储能设备可操作性地联接到光电设备以随着时间积累能量。一旦存储的能量达到规定水平，则可以使用该能量将电力施加到数据存储设备和关联电路以检索校准(或其它)数据。
根据本发明的一个方面，一种光学传感器组件包括：光学传感器，所述光学传感器用于获得对应于待监控的特性的传感器数据；数据存储设备，所述数据存储设备配置成存储操作数据；光电设备，所述光电设备用于将输入的光学信号转换为电流；控制电路，所述控制电路可操作地连接到所述光电设备和所述数据存储设备；以及发射器，所述发射器可操作地连接到所述控制电路以光学地输出存储在所述数据存储设备中的操作数据；其中，从所述光电设备为所述数据存储设备供电，以及所述数据存储设备光学地输出操作数据，用于供外部设备操纵所述传感器数据。
可选地，所述光学传感器包括无源光学传感器。
可选地，所述传感器包括用于从外部设备接收光学数据的输入光路，以及布置在所述光电设备与所述输入光路之间的双色向滤光器、反射器、wdm、和分束器中的至少一者。
可选地，所述发射器包括发光二极管。
可选地，所述发射器包括调制的反射设备。
可选地，所述调制的反射设备包括液晶显示器或mems扫描镜。
可选地，所述光电设备包括发光二极管和光电二极管中的至少一者。
可选地，所述光学传感器组件还包括壳体，以及所述光学传感器、所述数据存储设备、所述控制电路、所述光电设备、和所述发射器中的至少一者被布置在所述壳体内。
可选地，所述壳体为密封壳体。
可选地，所述传感器包括储能设备，所述储能设备配置成存储由所述光电设备获得的电能。
可选地，所述传感器包括配置成将存储在所述储能设备中的能量限制在预定的阈值水平之下的电路。
根据本发明的另一方面，一种用于飞行器的测量系统包括：询问器；和远程连接到所述询问器的本文中所描述的光学传感器组件。
可选地，所述系统包括在所述询问器与所述光学传感器组件之间的单个光纤连接，其中，通过所述单个光纤连接传送所述操作数据和所述传感器数据。
可选地，所述系统包括在所述询问器与所述光学传感器组件之间的多个光纤连接，其中，通过所述多个光纤连接中的第一光纤连接传送所述操作数据，且通过所述多个光纤连接中的第二光纤连接传送所述传感器数据。
可选地，所述光学传感器组件利用第一波长的光将所述传感器数据从所述光学传感器组件传送到所述询问器，且利用第二波长的光将所述操作数据从所述光学传感器组件传送到所述询问器，所述第二波长不同于所述第一波长。
可选地，所述询问器配置成将第一波长的光学信号传输到所述光学传感器组件，以及所述光学传感器组件配置成将不同于所述第一波长的第二波长的光学信号传输到所述询问器。
可选地，所述第一波长包括大约1300纳米，且所述第二波长包括大约850纳米。
可选地，所述询问器配置成传输处于可见光谱的光学信号。
可选地，所述询问器配置成在所述可见光谱的紫色部分中将所述光学信号传输到所述光学传感器组件，以及所述光电设备包括蓝光led，所述蓝光led可操作以将光功率转换为电功率。
可选地，所述光学传感器组件配置成使用所述蓝光led将数据传输回所述询问器。
可选地，所述光学传感器组件配置成通过红色光谱将数据传输到所述询问器。
在下文中全面描述且尤其在权利要求中指出本发明的上述特征和其它特征，如下描述和附图详细地陈述本发明的一个或多个说明性实施方式。然而这些实施方式为可采用本发明的原理的各种方式中的仅几个方式。当结合附图考虑时，本发明的其它目标、优势和特征从本发明的如下详细描述将变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的包括测量系统的飞行器的示意图。
图2为根据本发明的示例性测量系统的框图。
图3为示出根据本发明的示例性测量系统的示意图，其中，以第一波长接收光学数据且以不同的第二波长发送光学数据。
图4为示出根据本发明的示例性测量系统的示意图，其中，使用切换设备生成用于传输回询问器的光学信号。
图5为示出根据本发明的示例性测量系统的示意图，其示出图3和图4的实施方式的组合。
图6示出根据本发明的用于传感器组件的示例性壳体。
具体实施方式
将在飞行器的上下文且尤其在用于飞行器燃料箱的燃料计量系统的上下文中描述本发明。然而，将领会到，在期望消除与远程定位的光学传感器的电力连接的情况下，本发明的原理是可适用的。特别地，本发明的多个方面可适用于任何无源光学感测设备，该无源光学感测设备例如可用于测量压力、温度、张力、密度、液面等，该无源光学感测设备包括燃气涡轮压力传感器、油气田勘探传感器、化学处理传感器等。感测可以使用任何数量的无源光学测量技术来实现，包括但不限于光纤布拉格光栅或其它光栅类型，例如法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪、马赫-曾德尔(mach-zender)干涉仪。
根据本发明的无源光学传感器系统使操作数据(诸如校准数据、配置数据、识别数据等)能够借助无源光学传感器的一个或多个电力设备来存储，而无需与该光纤传感器的外部电连接。就这一点而言，从由远程定位的设备提供给无源光学传感器的光学信号获得电力。该光学信号例如可以为由光学传感器系统的询问器传输的通信信号，该信号用于向无源光学传感器请求数据。可替选地或附加地，可以从不同于通信信号的光学信号、或从这两个信号的组合获得电力。
为了从光学信号获得电力，光学信号可以至少部分地被提供给光电设备(例如，光电二极管等)，该光电设备将光能转换为电能。如果需要满足具体应用的功率需求，则可以随着时间而积累转换的能量，直到积累的能量达到足以为光学传感器的电子存储设备和关联电路供电的水平。例如，可以将转换的能量存储在电荷存储设备(诸如电容器组)中，以及一旦存储在电荷存储设备中的能量达到指定水平，则可以使用该能量为电子存储设备和关联电路供电。然后可以从电子存储设备提取操作(或其它)数据，将该操作数据转换为光学信号(例如借助led等)以及传输回询问器以供进一步处理。采用该方式，无源光学传感器变为“即插即用”部件，而无需任何传感器专用维护(一旦安装传感器)。
在特定应用(诸如易爆环境)中，可能期望限制存储在储能设备中的能量的量。因此，光学传感器可以包括将由储能设备存储的能量限制在预定义的阈值水平之下的电路。
根据本发明，用于飞行器的测量系统包括询问器和远程连接到该询问器的光学传感器组件。该光学传感器组件包括沿着传感器路径连接到询问器的光学传感器、配置成存储操作数据的数据存储设备、以及可操作地连接到数据存储部件且沿着电力路径连接到询问器的控制电路。传感器组件还包括用于将光学信号转换为电流的光电设备，该光电设备沿着电力路径连接在询问器与控制电路之间以通过控制电路为数据存储部件供电。发射器可操作地连接到控制电路且沿着数据路径连接到询问器，以沿着数据路径将操作数据提供给询问器，其中，从询问器穿过电力路径为数据存储部件供电、且该数据存储部件穿过数据路径将操作数据提供给询问器，以及该询问器配置成穿过传感器路径从传感器接收传感器数据、且根据该操作数据操纵数据，用以分析传感器数据。
现在详细地参照附图且首先参照图1，示出了用于测量存储在飞行器14的燃料箱12中的燃料的性质的测量系统10。该测量系统10包括询问器16和借助光学链路20(诸如光纤等)远程连接到询问器16的无源光学传感器18。在示例性实施方式中，无源光学传感器18被布置在燃料箱12内且可操作以提供表示燃料箱12中的燃料的性质的数据，同时询问器16定位成远离燃料箱(例如在航空电子湾中)且借助光学链路20与传感器18通信。
附加参照图2，示出了光学传感器18的示例性实施方式的框图。光学传感器18包括光耦合器22，该光耦合器22用于光学地耦合在传感器18与询问器16之间。耦合器22光学地耦合到发电机24，以及从询问器16接收的光学信号的至少一部分被提供给发电机24。发电机24包括转换设备，诸如将输入的光能转换为电流的光电二极管。可替选地，发电机可以被实现为led。电连接到发电机24的是控制电路26，接着该控制电路26电连接到可存储操作数据的数据存储设备27。控制电路26可以被实现为高效逻辑电路和/或处理设备，而数据存储设备27可以被实现为eeprom或fram设备。数据存储设备27可以存储关于传感器的操作的关键数据，诸如其序列号、校准数据、配置数据、或如由本申请指示的其它数据。而且，尽管公开了eeprom和fram设备，但是将领会到，可以使用其它电力设备，而不脱离本发明的范围。
发电机24从由询问器16传输的光学信号获得电力且将该电力提供给控制电路26和数据存储设备27。在积累足够的电力之后，发动机24将电力提供给控制电路26和数据存储设备27，然后该控制电路26和数据存储设备27变为激活的，以及通过控制电路26检索存储在数据存储设备27中的电形式的数据。
控制电路26电连接到转换器28，该转换器28从控制电路26接收电形式的数据且将该数据转换为光学信号。转换器28光学地连接到耦合器22且将数据(现在为光学形式)传送回耦合器22，接着该耦合器22通过光学链路20将该数据提供回到询问器16。
除了检索操作数据外，传感器还执行感测功能，例如，传感器操作以收集关于燃料的性质的数据。就这一点而言，无源光学传感器30收集对应于燃料的原始数据且将该数据提供给耦合器22，该耦合器22将该数据传输到询问器16。询问器16使用从存储设备27检索到的数据以及由无源光学传感器30收集的原始数据来确定燃料箱内的燃料的特性(例如，燃料液面高度)。
在即刻可用的电力的量太低而无法为控制电路26和数据存储设备27供电的情况下，发电机24和/或控制电路26可以包括电荷存储设备，诸如电容器组。电荷存储设备可以在一段时间内被充电，且一旦处于足够的电荷水平则电荷存储设备用于为控制电路26和数据存储设备27供电以询问数据存储设备27。可选地，也可以使用所存储的电荷为光发射器(未示出)供电，该光发射器用于将数据返回到询问器16。控制电路26还可以包括将存储在电荷存储设备中的能量的量限制在预定的阈值水平之下的逻辑电路。
可以在多个步骤中执行电荷积累过程，以便传输整个数据集。在仅需要在系统通电时读取数据的配置中，这可以不是重要的关注问题，因为将仅需要在系统通电时读取数据，在此，几分钟的时间段可以是可接受的。
为了将询问器系统10的成本保持为最小，将优选的是将光源用于无源光学传感器18的询问，从而也产生电力。然而，通过围绕所使用的光纤的类型的约束，这可以限制光电部件的选择且可以限制可用电力的量。如果将使用单个光纤链路，则优选的是使用来自该单个光纤链路的波长截然不同的光来实现从设备返回到询问器的数据传输，该单个光纤链路用于无源光学传感器以防止其操作的串扰或干扰。
尽管使用针对感测方面和操作数据传输方面二者来说公共的(单个)光学链路20描述了本发明的方面，但是可以使用多个光学链路。例如，可以使用第一光学链路来询问传感器(例如将请求发送到传感器以及从传感器接收响应)，以及可以使用分离的第二光学链路来提供用于转换为电功率的光功率和/或传输操作数据。将单独的光纤链路用于操作数据传输可以降低成本且提高设备的效率。更具体地，改变为分离的光纤链路可以允许成本更低的方案，因为用于在可见光光谱下操作的广泛可用的且廉价的部件可以与光学链路(诸如塑料光纤(plasticopticalfiber，pof))耦合。另外，如果期望最大发电量，则可以从第一光学链路和第二光学链路获得电力。
除了或代替上文所讨论的光电部件，可以使用替选的架构和部件。例如，输入/驱动光学波长和返回/数据光学波长可以为不同的。通过示例方式，输入光学能量可以为1300nm，且可以在850nm波长带中传输返回数据。
更具体地且参照图3，询问器16的第一光电设备50(例如激光器或led)借助第一光学链路52传输第一波长(例如1300nm)的光学信号。该光学信号被耦合器接收，该耦合器为波分多路复用器(wavelengthdivisionmultiplexor，wdm)54的形式。wdm通过单个光学链路52a将光学信号导向到双色向滤光器/反射器或wdm56，以及借助光学链路52b将该信号的至少一部分导向到发电机24。发电机24(其可以包括用于将光功率转换为电功率的光电二极管和联接到该光电二极管的电源)从光学信号获得电力以及将电力提供给控制电路26和数据存储设备27，从而使得能够从该数据存储设备27提取操作数据。该操作数据由控制电路26提供给转换器28(例如，在示例性实施方式中为led)，该转换器28将电信号转换回到光学形式，例如，以不同于最初光学信号的波长，例如850nm。然后将光学信号通过光学链路52c提供回到双色向滤光器/反射器或wdm56、以及借助光学链路52a提供回到wdm54。wdm54借助光学链路59将光学信号路由到询问器16的第二光电设备58(例如，光电二极管)，从而使询问器能够处理由传感器收集的数据。
图3的实施方式的优势是，在由询问器16提供的信号与由传感器30提供的响应之间的串扰被最小化。这是由于如下事实：以不同波长传输这两个信号。
另外，作为使用传感器18内部的有源数据传输部件的替选，可以使用调制的反射设备。这类布置方式可以使用lcd或mems扫描镜来实现。例如，可以使用调制的反射设备来调制反射面上的入射光。该调制可以由控制电路26控制以创建沿着光纤链路返回的数据流。
例如，且参照图4，询问器16的光电设备(例如led)60借助光学链路62a传输第一波长(例如850nm)的光学信号。借助光学链路62a将光学信号提供给耦合器，该耦合器为定向设备63的形式(例如，光二极管等，其使信号能够沿着一个方向流动但阻止信号沿着相反方向流动)。定向设备63然后借助光学链路62b将该信号提供给分束器64，在分束器64中，借助光学链路62c将该光学信号的一部分导向到发电机24，且借助光学链路62d将该光学信号的一部分导向到转换器30a。在示例性实施方式中，分束器64将50％的光学信号提供给电源且将另外50％提供给转换器28a。然而，将领会到，50/50的分束仅为示例性的且其它的分束方式为能够想到的，而不脱离本发明的范围。借助光学链路62c接收光学信号的发电机24从该光学信号获得电力且将电力提供给控制电路26和数据存储设备27，从而使得能够从该数据存储设备27提取操作数据。控制电路26将操作数据提供给转换器28a，该转换器28a将电信号转换回到光学形式。
在图4中所示的实施方式中，转换器28a不为如在先前实施方式中的光电二极管或led，而是包括具有反射部分28a1和切换设备28a2的调制的反射设备28a，诸如lcd或mems扫描镜，其可以被控制在透明状态和不透明状态之间。受控制电路26控制的可切换设备28a2可以控制在光学链路62d上提供的光学信号的一部分是否撞击在反射面28a1上。
因此，控制电路26可以调制将光学信号反射回到询问器16的频率。采用该方式，控制电路26可以将存储在数据存储设备27中的操作数据编码为用于传输回询问器16的光学信号。借助光学链路62d将编码数据提供给分束器64(在低功率级下)，在此，该编码数据通常不变地通过。然后借助光学链路62b、定向设备63、和光学链路62e将反射信号提供回到询问器16的光电设备66(例如光电二极管)。
图4的实施方式的优势是，将输入的光学信号用于发电和用于应答信号的传输。
图5示出了在图3和图4中所示的实施方式的组合，其中，利用两个分离的光学信号。在图5的实施方式中，询问器16的光电设备50(例如第一led)借助第一光学链路52传输第一波长(例如1300nm)的光学信号。该光学信号被波分多路复用器(wdm)54接收，该wdm54通过单个光学链路52a将该光学信号导向到双色向滤光器/反射器或wdm56、以及借助光学链路52b将该信号的大部分导向到发电机24。类似地，询问器16的第二光电设备60(例如第二led)借助第二光学链路59传输第二波长(例如850nm)的光学信号。第二光学信号被定向设备63接收，在此，借助光学链路62b将该第二光学信号提供给波分多路复用器(wdm)54，该wdm54通过单个光学链路52a将该光学信号导向到双色向滤光器/反射器或wdm56、以及借助光学链路52c将该信号的大部分导向到转换器28a。
发电机24从具有1300nm的波长的光学信号获得电力且将电力提供给控制电路26和数据存储设备27，从而使得能够从该数据存储设备27提取操作数据。将操作数据提供给转换器28a，该转换器28a将电信号转换回到光学形式。在图5的实施方式中，转换器28包括如在图4的实施方式中所描述的调制的反射设备28a。然而，在本实施方式中，由第二光电设备60产生的第二光学信号被转换器28a用来产生返回信号(例如，在本示例中为850nm信号)。注意，尽管利用特定波长的光提供示例，但是其它波长的光是能够想到的，如可以按具体应用所需。
然后将编码的光学信号通过光学链路52c提供回到双色向滤光器/反射器或wdm56、以及然后借助光学链路52a提供回到wdm54。wdm54将光学信号路由到定向设备63，该定向设备63然后借助光学链路62e将该信号提供给询问器16的第三光电设备66(例如光电晶体管)。
图5的实施方式包括图3和图4的这两个实施方式的优势，即，它使串扰最小化，以及将输入的光学信号用于发电和用于应答信号的传输。
发电机24可以使用询问器16中的可见光led来产生用于控制电路26和数据存储设备27的电力。例如，使用在光谱的紫色部分(380nm到450nm波长)中操作的led的光学信号可以沿着塑料光纤(pof)链路被传输到发电机24。可以从蓝光led获得光能，该蓝光led操作为光检测器(大约在450nm到495nm波长范围内)。该能量可以被本地存储且累积到足以为发电机24和/或控制电路26(例如，小的低功率微处理器/控制器)供电的水平，接着该控制电路26可以用于访问数据存储设备27中的数据。从询问器16返回数据可以使用同一蓝光led来实现，以将数据沿着同一pof传输到询问器，在此，该数据可以被专用光电二极管设备捕获且读取(操作模式)。
可替选地，单独的数据返回电路可以使用红光led和询问器16中的红光光电二极管来建立。红光源和光检测器的使用导致功率更低的操作，且允许在将数据信号沿着pof返回到询问器16的同时为设备供电。附加地，若需要，则该设备可以被编程有来自询问器16的借助同一pof链路待存储的数据(存储模式)。
在这类实现方式中，可以使用自由空间光学器件将pof与传感器组件18和询问器16每一者中的led和光电二极管对齐，或可以使用光学分路器和pof到led/光电二极管的接合来实现。自由空间光学器件路由的使用意味着，在光纤端与光电部件适当对齐的情况下，可以使设备的成本和尺寸最小化。
由于可以将传感器组件放在恶劣环境中，因此需要保护光电器件和电路免受环境、尤其免受燃料和其它有害流体(例如抗微生物剂和液压流体)影响。参照图6，该设备可以被建立在密封壳体100内，该密封壳体100允许电路26、数据存储设备27和光电器件28、28a被灌封在具有抗燃料的环氧化合物102的空间内的合适位置，在密封的抽头配置中留出离开该封装件的光纤104。该壳体可以为使用增材制造技术、使用塑料(诸如尼龙或聚醚酰亚胺)制作的塑料壳体。可以使用封装化合物，诸如3mdp-190。
尽管相对于特定优选实施方式示出且描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说，在阅读和理解该说明书和附图之后显而易见的是，等效的变型和修改是能想到的。特别地，关于由上文描述的部件所执行的各种功能，用于描述这类部件的术语(包括对“手段(means)”的引用)意图对应于执行所描述部件的指定功能的任何部件(即，功能等效)，除非另有指示，即使结构上不等同于执行本文中图示的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开结构。另外，尽管可以针对多个实施方式中的仅一个实施方式公开本发明的特定特征，但是这类特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，如对于任一给定或特定应用可以为预期的且有利的。