CN104870978B - 光学测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量周期性信号的设备(1)，包括：光源(3)，用于根据由驱动设备(5)基于第一时钟脉冲(7)生成的电输入信号(8)来生成指向被测对象的光输入信号，光接收器(9)，用于检测从所述被测对象接收的信号并将该信号转换成电测量信号(12)，该信号对应于相位和幅度交变的光输入信号，中央控制和测量设备(10)，其被设计用于生成用于所述驱动设备(5)的该第一时钟脉冲(7)以及接收并处理所述电测量信号(12，13)，以及用于给所述驱动设备(5)供电的电压源装置，其中该中央控制和测量设备(10)被设计用于生成用于所述电压源装置的第二时钟脉冲(19)并基于所述第一和/或第二时钟脉冲(7，19)过滤所述电测量信号(12，13)，其中所述第二时钟脉冲(19)的频率是所述第一时钟脉冲(7)的频率的偶数倍。
Description
技术领域
本发明关于过程测量技术和分析领域，尤其关于用于测量周期信号的光学测量设备。
背景技术
在过程测量技术和分析传感器中，越来越频繁用到光学测量方法。在这些方法中，当光学信号碰到测量对象时其幅度和/或相位发生改变，且该改变的信号被光学传感器检测到。这种类型的光学测量方法的应用示例是测量液体或物质的氧含量或氧饱和度，其中例如，燃料被之前确定的波长、幅度和相位的光信号照射，且分析从该燃料反射的冷光。当燃料中氧浓度改变时，该冷光的淡出时间改变以及由此接收到的光信号的幅度和相位也会改变。经过合适的校准，接收到的光信号的幅度和相位由此是氧浓度的度量。
这种类型的测量设备在许多领域中必须有用，设计简单，且针对外部和内部影响和副作用尽可能地抗干扰。例如，它们被用在有爆炸风险的领域且由此必须消耗尽可能最少能量，由此由相对不复杂或简单的组件组装成。此外，通过使用可靠、规模制造的低成本商业化组件，还必须考虑经济约束。
出于这个目的，不同组件的功能被频繁捆绑成微控制器；也就是说，除了数据处理微处理器之外，其他数字或模拟组件、周边功能或接口也被集成到微芯片。当其他模拟或数字组件例如电压源电路或驱动电路被用在光学测量设备的微控制器的外部时，对某些组件的直接干扰可能发生；或者由于源自电源线的寄生效应，可能导致间接干扰。因此测量信号被篡改了或它们的估计受到不利影响，由此整个测量设备的功能被损害。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种光学测量设备，其中大程度避免对电子组件的直接或间接干扰，这能够以低成本容易实现，且可以实现可靠测量。
该目的通过权利要求1的主题实现，从属权利要求描述了有利的形式和实施方式。
根据本发明，用于测量周期信号的设备包括光源，用于根据由驱动设备基于第一时钟脉冲生成的电输入信号生成指向被测对象的光输入信号；光接收器，用于检测从被测对象接收的信号并将其转换成电测量信号，该从被测对象接收的信号对应于相位和幅度交变的光输入信号；中央控制和测量设备，其被设计用于生成用于驱动设备的第一时钟脉冲和接收并处理该电测量信号；以及电压源装置，用于给驱动设备供电，其中该中央控制和测量设备被设计用于生成用于该电压源装置的第二时钟脉冲以及基于第一和/或第二时钟脉冲过滤该电测量信号；其中第二时钟脉冲的频率是第一时钟脉冲频率的偶数倍。第二时钟脉冲精确的是第一时钟脉冲以及由此是电测量信号的偶数倍这一同步性的结果是，经由电源线直接对光源的干扰或由于寄生效应(例如控制和测量单元与电压源装置或驱动设备之间的电源线之间的电容)导致的干扰被有效消除。
尤其有利的是将光源配置为LED或激光。这种光源是大规模制造且低成本可得。
还有利的是将电压源装置配置为电荷泵。电荷泵通过电容以及通过周期性转换开关的方式传输电荷，由此可能的是生成不同水平的电输出电压。在简单的示例中，电荷泵被馈送直流电压并生成两倍大小且具有相同极性的直流电压作为输出。对于周期性转换，振荡器用于这种电荷泵，或周期性开关脉冲必须从外部提供。在本发明的情况中，周期性开关信号能够由控制和测量单元提供，且工作在例如2V的简单DC电压源装置能够用作DC电源。当电荷泵由第二时钟脉冲操作时，到驱动设备的功率线导致干扰，这对用于光源的电测量信号造成负面影响。根据本发明相对于第一时钟脉冲频率适当选择的第二时钟脉冲频率的结果是，这种干扰被滤除。
尤其优选的是中央控制和测量设备包括锁定放大器。锁定放大器也称为相敏整流器或载波-频率放大器，其能够测量已知频率和相位的参考信号调制的弱交变电信号。由此锁定放大器代表极其窄带带通滤波器且由此改进信噪比(SNR)。
在本发明中，尤其有利的是中央控制和测量设备被配置为微控制器且该微控制器包括适合集成的模拟或数字锁定放大器。
还有利的是控制和测量单元包括脉宽调制(PWM)发生器。该PWM发生器也可以是微控制器的集成组件。特别地，可能以这种方式用于驱动驱动设备的第一时钟脉冲由PWM发生器形成为方波信号。为此，在微控制器自身的微处理器中不需要执行任何的计算来生成期望的信号。由此PWM发生器的使用对于资源和能量两者来说都是节省的。中央控制和测量设备还能够有利地包括CMOS开关或CMOS转换开关，以控制第一和/第二时钟脉冲。
模拟或数字前置放大器优选地连接在光学接收器与中央控制和测量设备之间。由于电测量信号的幅度小，使用前置放大器会很有用。由于合适选择了第一和第二时钟脉冲的频率，根据本发明的设备还考虑了由于前置放大器高敏感性导致产生干扰信号的可能性。
附图说明
下面参考附图基于优选实施方式描述本发明：
图1示出了根据本发明的光学测量设备的优选实施方式的示意电路图；以及
图2a-2e示出了各种实施方式的示意性测量信号曲线和第一和第二时钟脉冲的频率。
具体实施方式
图1示出了根据本发明用于测量周期性信号的设备的优选实施方式的示意电路图。该设备1包括光源3，用于根据驱动设备5基于第一时钟脉冲7生成的电输入信号8而生成指向被测对象(未示出)的光输入信号。第一时钟脉冲7由中央控制和测量设备10生成，这在下面更详细描述。
光接收器9获取从被测对象接收的信号，其中所述接收的信号对应于其相位和幅度交变的光输入信号，并将接收的信号转换成电测量信号12。电测量信号12在前置放大器11中被放大并作为放大的电测量信号13被发送到中央控制和测量设备10。
在该优选实施方式中，中央控制和测量设备10被配置为微控制器且具有生成第一时钟脉冲7的功能以及还具有接收和处理和/或评估放大的电测量信号13的功能。
根据本发明的设备1还包括用于给驱动设备5供电的电压源装置。在该优选实施方式中，电压源装置被配置为电荷泵且包括DC电源14；两个串联二极管15、18；泵电容16；以及输出电容17。泵电容16从中央控制和测量设备10被提供第二时钟脉冲19。例如目前在DC电源14处是2伏特的DC电压。这里应当指出本发明还关于其他电源工作在不同时钟脉冲或信号(例如具有电压倍数的级联电荷泵)的实施方式。
下面简要解释优选示意性实施方式的电荷泵的功能。在第一状态，第二时钟脉冲19出现在泵电容16处并经由二极管15将泵电容16充电到DC电源14的输入电压，例如是2V。然后中央控制和测量设备10关闭第二时钟脉冲19。由此输入电压和泵电容16的电压串联，其结果是二极管15被反向偏置，即被阻断，而二极管18导通。由此输出电容17被充电至大约两倍于DC电源14的输入电压。该电压现在被施加到驱动设备5。之后，对应于第二时钟脉冲19的周期性该循环重复。由此在第二时钟脉冲19的时序在驱动设备5处施加了两倍的DC电源14的电压。
使用第一时钟脉冲7的时序，驱动设备5通过电输入信号8驱动光源3。由此光源3使用基于电输入信号8的时序生成指向被测对象(未示出)的光输入信号。光接收器9接收该光输入信号，其幅度和相位已被被测对象改变，并将该光输入信号转换成电测量信号12。该电测量信号12在前置放大器11中被适当放大并被发送到中央控制和测量设备10的测量输入，作为放大的电测量信号13。
由于驱动设备5的电压源装置，干扰会发生，尤其是由于通过第二时钟脉冲19的驱动；这一干扰能够影响驱动设备5且由此通过电线直接影响光源3，或者由于寄生效应产生的干扰信号对接收和测量领域的组件即光接收器9和前置放大器12施加间接影响，并由此影响电测量信号12和/或13。由于DC电压源装置14，也可能有由于电荷泵的交变负荷导致的反馈效应。另一种可能的影响可以是由于对光接收器9的电压源装置的干扰，这没有在这里示出的实施方式中提到。在图1的示意图中，寄生电容20代表能够篡改光信号测量的所有负面干扰效应。
这些干扰信号，其可以基于控制电压源装置(在优选实施方式中其被配置为电荷泵)的第二时钟脉冲19产生，根据本发明以合适的方式被抑制，是由于第二时钟脉冲19的频率是第一时钟脉冲7的频率的偶数倍。这里必须记住中央控制和测量设备10有利地被配置为微控制器，其除了微处理器之外还在芯片上包括合适的外围功能。特别地，微控制器包括能够同步生成第一和第二时钟脉冲7、9和还能够处理放大的电测量信号13的合适的元件。这意味着对应信号的生成和/或评估能够以非常精确地时间相互协调，这导致高度同步的相位。
为了更详细解释根据本发明的设备，图2a-2e示出了针对第一时钟脉冲7以及由此导致的电测量信号的各种信号形式和频率的测量信号曲线和相应的辅助信号。在中央控制和测量设备10中，简单锁定测量方法用作起始点：对于某一时间周期，驱动设备5基于第一时钟脉冲7打开光源3。在该时间期间，光接收器9检测到的且被适当预先放大电测量信号13，在中央控制和测量设备10的锁定放大器中被处理。整合过程被执行；即形成对所有测量点的平均值。然后对应于第一时钟脉冲7的信号曲线，光源3被关闭相同的时间周期，且放大的电测量信号13在中央控制和测量设备10的锁定放大器中也被整合。两个半个周期得到的结果相减，由此得到测量信号的幅度。
稳态分量，例如由日光导致的分量，通过这种测量信号处理被非常有效地抑制，这是由于这些分量在光源3的打开阶段和关闭阶段期间在测量中同等存在的，且因此在测量中彼此抵消。当该方法频繁重复时，如通常在锁定测量的情况中，即在大数量的测量循环中，甚至超该量程以外很多的频率也非常有效地被抑制。
图2a-2e的每一个示出了多个信号曲线，即它们随时间的幅度。该时间包括周期的持续时间，即光源3发送光测量信号的半周期和光源3不发送光测量信号的半周期。整个周期被分成16个分段，其中无干扰测量信号由在16个时间点的每一个处的钻石形指示。无干扰测量信号在时间点1至8处具有0.8的幅度，且在时间点9至16降低到0值。测量信号的整合由信号曲线来表示，其在时间点1至8具有+1值(整合信号由方形指示)以及在时间点9至16具有-1值。无干扰测量信号的整合是在前半周期(时间点1至8)指将信号值乘+1，而在后半周期(时间点9至16)将信号值乘-1。然后前半周期的平均值和后半周期的平均值被确定，以及从前半周期的平均值减去后半周期的平均值，得到整个周期的评价信号幅度。
图2a示出了在前半周期具有0.8的值以及在后半周期具有0值的无干扰测量信号。在在前半周期乘以+1以及后半周期乘以-1之后，我们得到前半周期的平均值是0.8以及后半周期的平均值是0。总的来说，整个时间(时间点1至6)得到的值是0.8，这是精确的预期的测量信号的原始幅度。
图2b现在示出了与第一时钟脉冲7的频率相同频率的方波干扰施加到测量信号的影响。如图2a中的无干扰测量信号在前半周期中是0.8且在后半周期中是0。方波干扰也被示出，其在前半周期具有-0.1的值且在后半周期具有+0.1的值。两个信号，即无干扰测量信号和干扰信号，现在被加在一起并被绘制为另一曲线(由单交叉指示)，其中前半周期得到的值是0.7且后半周期得到的值是0.1，即在如上所述的整合之后。对于前半周期，整合是指将具有干扰的信号乘以值+1且在后半周期乘以值-1。这得到在两个半周期中具有0.6的值的整合测量信号，这通过将前半周期中的平均值0.7与后半周期中的平均值-0.1相结合且由此通过相加得到+0.6的值而得到。对于图1种示出的示意性实施方式，图2b的信号曲线表示电荷泵运行在与第一时钟脉冲7控制的测量恰好相同的第二时钟脉冲19。由此干扰导致对幅度测量的负面影响。
图2c现在示出了在整个信号过程与图2b的相似的方波干扰，不同在于现在的方波干扰是两倍频率；也就是说，导致干扰的第二时钟脉冲19具有的频率恰好是第一时钟脉冲7的频率的两倍。由三角形指示的两倍频率的方波干扰因此在前半周期具有四个-0.1值和四个+0.1值且在后半周期具有类似的对应值。在整合和平均值形成之后，前半周期得到的平均值是0.8，从中减去后半周期的平均值0，最后整体上得到整个周期的平均值0.8，即恰好是无干扰测量信号。因此，图2c示出在第二时钟脉冲19相对于第一时钟脉冲7的正好两倍频率，干扰能被完全抑制。换句话说：基于第一时钟脉冲7的测量信号和在两倍频率的电荷泵(第二时钟脉冲19)控制信号因此是完全时间同步的，且因此实现最可能的干扰抑制。
但是，实际上，干扰信号不是方波；相反，其会有以某种或其他方式失真的过程(course)。图2d示出了在第一时钟脉冲的两倍频率的这种真实干扰的情形。在图2d的图中，假定干扰信号在测量信号的两倍频率发散但包括对称指数瞬变。这可以是例如当解耦电容太小时的情况，由此电荷泵具有对光接收器9的电压源装置的反馈效应，或可以是当电容耦合经由寄生电容20发生的情况。可以看到，具有这种干扰(其实际上非常容易发生)，幅度测量继续产生正确的测量信号，因为干扰信号在每个时间段，即在两个半周期达到平均。
除了图2d的真实干扰信号之外，图2e还示出了建立在干扰信号的相移，即移两个时间点。在这种情况中，一个周期的测量段内的干扰完全被消除。因此已经示出根据本发明的设备也是有效抑制在第一时钟脉冲两倍频率的真实的相移干扰。
本领域技术人员基于以上给出的描述可以理解，对干扰信号的达到平均不仅能用于本发明的优选实施方式的第二时钟脉冲19相对于第一时钟脉冲7的两倍频率，也能够用于n倍频率，因为对应的分量在两个半周期一直彼此抵消。
此外，显而易见的是根据本发明的设备不仅应用于图2a-2e示出的幅度改变，而且应用于包含光学信号的不同相位位置的干扰。
根据本发明的目的，已经提供了光学测量设备，其中对电子组件的直接或间接干扰基本完全消除，其可以容易建立且成本低，且可能实现可靠信号测量。
Claims (9)
1.一种用于测量周期性信号的设备(1)，该设备包括：
光源(3)，用于根据由驱动设备(5)基于第一时钟脉冲(7)生成的电输入信号(8)来生成指向被测对象的光输入信号；
光接收器(9)，用于检测从所述被测对象接收的信号并将该信号转换成电测量信号(12)，该信号对应于相位和幅度交变的光输入信号；
中央控制和测量设备(10)，其被设计用于生成用于所述驱动设备(5)的所述第一时钟脉冲(7)以及接收并处理所述电测量信号(12，13)；以及
用于给所述驱动设备(5)供电的电压源装置，其中所述中央控制和测量设备(10)被设计用于生成用于所述电压源装置的第二时钟脉冲(19)并基于所述第一时钟脉冲和/或第二时钟脉冲(7，19)过滤所述电测量信号(12，13)；
其中所述第二时钟脉冲(19)的频率是所述第一时钟脉冲(7)的频率的偶数倍。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述光源(3)被配置为LED或激光。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述电压源装置被配置为电荷泵。
4.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述中央控制和测量设备(10)包括锁定放大器。
5.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述中央控制和测量设备(10)被配置为微控制器。
6.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述中央控制和测量设备(10)包括脉宽调制(PWM)发生器。
7.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述第一时钟脉冲(7)被形成为方波信号。
8.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述中央控制和测量设备(10)包括CMOS开关或CMOS转换开关。
9.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，前置放大器(11)被连接在所述光接收器(9)与所述中央控制和测量设备(10)之间。
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