专利名称：光耦合的远距离敏感器装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种远距离的敏感器装置和系统，更具体讲，涉及到一种改进型、电气隔离的远距离敏感器装置，其电源和信号传输全用光耦合，以及涉及到包括这种装置的系统。
众所周知，对工作用于电气干扰或高电压线路的环境中的敏感器，利用纤维光信号导体(光导纤维缆)而取得电气隔离，借此避免了电气干扰，如果利用常规的铜导线作为信号导体就会产生这种电气干扰，最普通的抗干扰传输就是利用一根光导纤维缆将远距离敏感器来的敏感器数据传输到一个中央站或控制室，但是，大多数敏感器需从外电源供电，而这点对远距离敏感器所处的现场来讲时常是得不到的，何况用铜导体或常规导体向该敏感器提供电能将会破坏由光导纤维缆所提供的隔离。
曾有过许多解决供电问题的提议，但至今还未证实过完全成功。其中之一，利用长寿电池耦接到敏感器上，另一方法为用太阳电池通过一根光导纤维缆传输的光来发电。
还有一个方法，利用一只普通的发光二极管(LED)既提供电能又用作返送敏感器数据，这是有希望的，因为用光耦合到发光二极管的一根普通的光纤缆既能供给敏感器电能，又能接收敏感器数据用以返回传输，该发光二极管工作为双向型借光压效应将光发送到该发光二极管，该管产生电力送到该敏感器单元，该电力又激励该发光二极管到其正常发光型式，在这样的一个具体实施例中，该发光二极管是借助于一恒定的光源通过该光导纤维缆与它耦合进行激励的，並利用产生的电流来给电容器充电，该电容器的能量向用于短时间地给该敏感器供电，并且供电给该发光二极管，以发射代表该敏感器参数值的光脉冲，即使仅有极小量的电能以此路传递，只要向该敏感器供电一段短时间，并向该电容器充电一段最长时间，即能使敏感器和发光二极管获得足够量的功率，由于它需要有从该发光二极管转换到该敏感器的开关电路、控制电路以及数据编码电路，这些电路都是实现这种远距离敏感器所必需的，因此面对这些问题使实施变得困难和复杂。
暂不论在光导纤维技术方面的进步，现行可用的敏感器和监测系统已不能满足工业方面高度的需要，对于一个光耦合的远距离敏感器来讲，需要一个有效的电源，这在蒸汽透平发电厂领域中尤其如此，因为这种发电厂需要大量的敏感器，而为了精确地检测出临界的系统运行参数，而大多数敏感器需要装设在远距离现场中。对于带电源的可靠和有效的光耦合敏感器和监测系统的不断需求，本发明可以满足。
本发明主要目的在于提供一个用于远距离检测可变参数的光耦合型敏感装置，包括一个敏感器，它具有可变电气参数，随着被检测的参数而改变数值;一个调谐电路，结合在该敏感器的电参数中，並产生预定幅值的自然谐振频率的振荡电压，且其周期为按照该敏感器的电参数值变化而改变的函数;其特征为，有一个发光二极管与该调谐电路並联;以及一种装置使该发光二极管偏置于反馈偏压，并使该发光二极管在该调谐电路振荡电压的大多数周期内处于不导通状态，该发光二极管在反馈偏压和感光时产生光敏电流环流于该调谐电路中，並且，当其被振荡电压置于正向偏置时，发射一相应的敏感器检出的光脉冲。
本发明的最佳实施例提供了一种相对简单的远距离敏感器装置和相关的系统，应用了一根单光纤缆，该光纤缆以其相对的两端分别耦合于远距离敏感器装置和一个中央站，以从该中央站向该远距离敏感器装置提供电能和向该中央站传输该敏感器数据。所述的远距离敏感器装置包括有一个调谐电路，该电路包括一个敏感器的可变电阻抗元件，其电气阻抗值作为被检测状态的一已知函数，並因此相应地改变该调谐电路的自然振荡频率。一个发光二极管与该调谐电路並联相接，按双向方式工作，亦即，变替地工作于接受光和发射光两种形式，在接受光方式中，该发光二极管受从中央站经该光纤缆传来的脉冲或断续光的激励，並在一反馈偏压的条件下由于其光敏效应而产生电流，该电流的电能形式存储于该调谐电路中，並造成在其谐振频率下起振，在该发光二极管反馈偏压条件下，不发生导通，但是因为该调谐电路继续振荡，所以该发光二极管变成正偏置，並从该调谐电路中存储的能量引出电流，使该发光二极管发射一短脉冲光，该光耦合到光纤缆，並借此而传送到中央站。
借助于适当调节耦合到该发光二极管(在接受方式)上的脉冲光幅值和频率，以及适当调节该发光二极管上的偏置电平，以使该发光二极管只在该谐振信号波振荡的正峰值时导通，调谐电路自然频率的任何改变都将造成该发光二极管停止发射，利用再调节供到该发光二极管光脉冲的重复频率，直到该发光二极管重新建立光脉冲输出的发射为止，从而确定出该调谐电路的新自然谐振频率。因此，把被检测的参数值校正到相应于该敏感器在相应的自然谐振频率下的电阻抗的变化(这时该调谐电路已按该敏感器电阻抗的变化而调谐到该自然振荡频率)，该被检测的参数值即与该发光二极管发射的光脉冲的脉冲重复频率相互关连，这是在按照上述调节程序使其与供到该发光二极管的光脉冲的重复频率相匹配时发生的。
设置有远距离敏感器装置的该系统包括一个与光纤缆光耦合的方向耦合器、一个可变重复频率的脉冲光源、一个光检测器、它为独立部件，以光耦合到该双向耦合器，並交替地按接受发光二极管的光和发射光两种形式工作;以及一个闭锁振荡器和控制器。该中央站还包括一个转换器，连接到该检测器上，用于确定所接受的光脉冲的重复频率或频率;以及一个显示器。该转换器被校准到使被测参数值与所接受的重复频率相关连，因此而提供一适当的显示信号，显示出代表被测参数的电流值。
在运行中，从脉冲光源以选定的重复频率输出的光脉冲直接通过该方向耦合器被光纤缆传输到远距离敏感器装置的发光二极管上。然后，该发光二极管通过其光致效应以接受光的方式去激励该调谐电路，在发光二极管发射光的方式中，发光二极管发射的光脉冲是通过该光纤缆和方向耦合器传输到该光检测器上的，该光检测器在没收到从远距离敏感器到中央站的发光二极管发射的光脉冲情况下，给该闭锁振荡器和控制器发信号，改变由脉冲光源传输的光脉冲频率直到获得匹配状态的频率为止，这时该闭锁振荡即被锁定在该频率上。
在一个最佳实施例中，该敏感器的可变阻抗元件包括有一个按该敏感器参数改变的电容，该参数可以是压力;另外，该可变阻抗可以包括一个按照压力或其它被检测的适当参数变化的可变电感。在两个实施例中，该可变阻抗(感性或容性)导致该调谐电路的自然谐振频率的变化。
本发明的远距离敏感器装置和系统即这样地提供出高度有效和高效率激励的与中央站电气隔离的远距离敏感器，並且为了在中央站精确地确定和显示被检测的参数，采用一根单纤维光缆连接在中央站和该远距离敏感器之间，以进行光耦合。
通过给出示例和结合下述附图的理解，及对一个实施例所进行的下述说明将能更详细地了解本发明。
图1为本发明最佳实施例的远距离敏感器装置的系统图，一部分为方框图形式;
图2A为调谐电路在标准谐振频率下的振荡电压的波形曲线;
图2B和2C分别表明耦合到发光二极管的输入功率光脉冲的和发光二极管发射的敏感器输出光脉冲的幅值和时间相互关系的时序图。
在图1中，本发明实施例的该光耦合远距离敏感器系统10包括有一个中央站10a和一个远距离敏感器装置10b，用一根光纤缆12光耦合。
远距离敏感器装置10b包括由电感13和可变电容14並联形成的调谐电路11;以及一个光电二极管或发光二极管(LED)16，它带有一个串联偏置控制电路18，並且它们共同与该调谐电路11並联连接，可变电容14是敏感器15的可变电参量，它反应出被检测的诸如温度或压力的状态，並且电容14的电容值按照被检测的状态化而改变。电容14的数值变化相应地造成该谐电路11的自然谐振频率方面的改变，显然，本发明的敏感器系统10检测出该调谐电路11的自然谐振频率的变化，以在中央站10a提供出被检测状态的测量值。
该中央站10a包括一个方向耦合器20，它以光耦合到光纤缆12，用于传输功率输入光脉冲通过光缆12到达远距离敏感器装置10b，或是接受通过光缆12传来的敏感器输出的光脉冲再通过光缆传输到中央站。该方向耦合器用作分开接到该脉冲光源和该光检测器的各个光信号。这种功能也能用其它方法实现，包括用两根分开的光导纤维缆分别耦合到同一个发光二极管16上。方向耦合器20还通过光纤缆22耦合到一个脉冲光源24，并通过光纤缆26耦合到一个光检测器28。光检测器28的输出通过信号线29提供到一个控制器和闭锁振荡器30，由此经过信号线31提供输出到脉冲光源24，以控制它产生的功率输入光脉冲的频率或重复频率。光检测器28还通过线路32将接受的来自远距离敏感器10b的相应于敏感器输出光脉冲的一项输出送到一个转换器34中，该转换器34将这些检测的光脉冲的频率或重复频率转换成适当的显示控制信号，经过线路35送到一个数字显示器36。
现参考图2A到图2C的波形(作为上述的共同参考)将能对本发明光耦合远距离敏感器系统10的运行有更好的理解。图2A说明该远距离敏感器装置10b的调谐电路11的振荡或正弦形波形，是按照该敏感器15的可变电容14的一个现行值确定的某一标定的自然谐振频率情况，调谐电路11造成的在该频率下的环流，是从该脉冲光源24输出的光脉冲並通过光缆22、方向耦合器20和光缆12传输到远距离敏感器10b的能量脉冲所激励的。
更详细地讲，脉冲光源24输出的光脉冲41描绘在图2B中，每个光脉冲都由光缆12耦合到该发光二极管16，发光二极管16被偏置网络18保持在反馈或反向偏置状态，以致在调谐电路11正弦振荡多数正行半周期间是不导通的，该偏置电压被置于使发光二极管16在正电压约1.6伏时变为正向偏置。因此，在图2B中每一输入光脉冲的间隔期间，发光二极管16工作于通过在其反向偏置电压条件(在阳极为负压)下的光致电压效应而产生一项电流脉冲，环流于调谐电路11中，即如图2A的正弦波形，当该电压的正弦曲线达到其正峰值时(特别是本例在偏置电路18中采用大约+1.6伏)，该发光二极管16变为正向偏置，並从调谐电路中存储的能量引出电流。这可以由图2A中标号40看出正弦曲线的正峰值变平。发光二极管16因此在这项正向偏置条件下触发或发射一个短脉冲光，如图2C的脉冲42所示。然后，这些发射出的光脉冲42从光缆12通过方向耦合器20、光缆26而耦合到光检测器28，如前所述。
由前述可见，图2C所示发射的光脉冲42需要图2B所示的输入光脉冲为合适的重复率或频率和幅值，以便允许发光二极管16产生足够的输出电流和电压值，以产生所需的调谐电路11的环流和存在其中足够大的能量，借此使发光二极管16在图2A所示正弦波谐振的正峰值处形成导通状态，为了获得这样的结果，该控制器和闭锁振荡器30对脉冲光源15进行所需的控制。
由此可见，如果调谐电路11的自然谐振频率由于电参数的改变而变化，也即敏感器15的电容14的电容值变化，则发光二极管16即停止发光。因此，光检测器28无输出通过线路29到闭锁振荡器和控制器30;于是该控制器30重调通过线路31加到脉冲信号源24的控制信号的脉冲重复率，以及相应地重调加到发光二极管16上的功率输出光信号的脉冲重复率，直到建立发光二极管16发射敏感器输出光信号为止。因此，从光检测器28通过线路29重新开始的被检测的敏感器输出信号便指示所需的从源15来的功率输出光脉冲重复率或频率与从发光二极管16来的敏感器输出光脉冲的频率之间的匹配，该控制器和闭锁振荡器30轮流地对其响应而重新维持所建立的该输出光脉冲的重复率。通过线路32提供光检测器28的输出到转换器34，进一步由该转换器34产生新的或调节过的输出，该输出经过线路35供到显示器36，以显示该检测参数的新数值，在这方面可理解为，转换器34被校准到使被测参数的显示值与该脉冲重复率相互关连，以获得匹配条件，亦即其中的功率输入光脉冲应处于适当的频率和相位，该频率和相位与光检测器28测到的从发光二极管16输出的敏感器发光脉冲相关，从而与电路11的电流自然谐振频率相关。因此，显然是该控制器和闭锁振荡器30可以交替地直接对转换器34提供该信息的重复率，如图1中表示交替的信号的虚线42所示。
因此，本发明利用光纤缆12的双向传输能力和光二极管或发光二极管16的双向运行方式来达到从中央站10a向远距离敏感器10b提供电能并使远距离敏感器10b检测的指示状态的信号传送到中央站10a的目的。因此，远距离敏感器与电源及信号传输两者间所需的隔离即经济而有效地实现。
熟悉本技术的人员显然会对本发明的远距离敏感器装置和系统做数字上的修改和改动，因此，所有这样的修改和改动都属于后附的权利要求所限定的本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一个光耦合的远距离敏感器装置(10)，用于遥测可变参量，包括一个敏感器，具有按照所测参量值变化而可改变的电参数；一个调谐电路(11)，结合有该敏感器的电参数，並产生预定幅值和自然谐振频率具有相应周期的振荡电压，该周期是敏感器的电参数的函数，並随其变化而变化；其特征为与该调谐电路並联连接一个发光二极管(16)；以及装置(18)，用于将该发光二极管偏置于反向偏置电压，並在该调谐电路振荡电压的大多数周期期间呈不导通状态，该发光二极管在反向偏置电压和受光时，产生在该调谐电路中环流的光致电流，並且在被该振荡电压置于正向偏置电压时发射一相应的敏感器输出光脉冲。
2.如权利要求1所述的一个敏感器装置，其中该敏感器包括一个可变电容(14)敏感器。
3.如权利要求1所述的一个敏感器装置，其中，该敏感器包括一个可变电感(13)敏感器。
4.如权利要求1所述的一个敏感器装置，还包括一个光导纤维缆(12)，光耦合于该发光二极管。
5.如权利要求1所述的一个敏感器装置，其中，偏置装置(18)包括一个偏置控制电路，它与该发光二极管串联连接。
6.如权利要求1所述的一个敏感器装置，包括一个中央站;该中央站还包括一个脉冲光源(24)，用于产生功率输入光脉冲，以通过该光导纤维缆耦合到该发光二极管上。
7.如权利要求6所述的一个光耦合的远距离敏感器系统，其中所述的中央站还包括一个双向耦合器(20)，光耦合到该光导纤维缆上，用于传输从该脉冲光源(24)发出的功率输入光脉冲通过该光导纤维缆到达该发光二极管(16)，以及用于接受通过并耦合于该光导纤维缆传输的该敏感器输出光脉冲(16)。
8.如权利要求7所述的一个光耦合远距离敏感器系统，其中该中央站还包括一个光检测器(21)，光耦合于该双向耦合器上，用于检测该敏感器输出光脉冲，並产生代表该接受的敏感器输出光脉冲的频率的一项相应的输出信号。
9.如权利要求8所述的一个光耦合远距离敏感器系统，其中该中央站还包括一个控制器和闭锁振荡器(30)，其工作能响应光检测器无输出信号，以输出一个频率控制信号，用于改变被该脉冲光源产生的功率输入光脉冲的频率。
10.如权利要求9所述的一个光耦合远距离敏感器系统，其中该中央站还包括一个转换器，用于转换该光检测器的输出信号，该信号相应于接受自远距离检测的敏感器输出光脉冲的频率，並转换成为代表被检测状态的数值的显示控制信号;以及
一个显示器，其工作能响应该显示控制信号，以显示被检测的状态的数值。
11.如权利要求6所述的一个光耦合远距离敏感器系统，其中该敏感器包括一个可变电容敏感器。
12.如权利要求6所述的一个光耦合远距离敏感器系统，其中该敏感器包括一个可变电感敏感器。
全文摘要
光耦合远距离敏感器装置包括有调谐电路，设置一个敏感器和一个发光二极管与调谐电路并联。该调谐电路的自然谐振频率由与被测状态参量为函数的敏感器所确定，被测状态与发光二极管发射的光脉冲频率相关，而该光脉冲只当脉冲光源的频率与该调谐电路的自然谐振频率一致时才发出。
文档编号G01D5/243GK1037393SQ8910298
公开日1989年11月22日 申请日期1989年4月28日 优先权日1988年4月29日
发明者J·理查德·汉森, 朱理斯·A·阿萨斯, 罗伯特·M·欧特斯 申请人:西屋电气公司