[实用新型]一种结合能量转换型传感器和光纤的远距离传感装置

说明书

技术领域

本实用新型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

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。

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

本实用新型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。

本实用新型的技术方案：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。

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。

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。

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。

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小，输出的功率范围也比较小，但电光转换的效率比较高。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。

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。

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。

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APD光探测器件。探测器采用与光源波长对应的材料。如果是850nm的一般采用GaAs探测器，如果是1300nm或者1550nm的一般采用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。

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。

本实用新型装置的一个关键是，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元内发光器件的工作电流范围内。