CN109642948A - 回路供电距离发射机 - Google Patents

回路供电距离发射机 Download PDF

Info

Publication number
CN109642948A
CN109642948A CN201680087574.4A CN201680087574A CN109642948A CN 109642948 A CN109642948 A CN 109642948A CN 201680087574 A CN201680087574 A CN 201680087574A CN 109642948 A CN109642948 A CN 109642948A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power supply
photodetector
range transmitter
laser
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680087574.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109642948B (zh
Inventor
S·拉普兰特
P·吉尔伯特
P·考图雷
V·马索
Y·米奥特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Publication of CN109642948A publication Critical patent/CN109642948A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109642948B publication Critical patent/CN109642948B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4813—Housing arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/487—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection
    • G01S7/4873—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection by deriving and controlling a threshold value

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于工业过程控制系统的距离发射机。距离发射机具有输出撞击目标的激光脉冲的激光发射器。激光脉冲被目标反射回来并被光检测器接收。目标距传感器的距离由激光脉冲返回到光检测器所花费的时间来确定。距离发射机可以被安装到带有凸缘的工业结构。激光发射器和光检测器可以通过凸缘中的开口来输出并接收激光。

Description

回路供电距离发射机
背景技术
本发明总体涉及工业过程控制系统，并且更具体地，涉及一种用于感测处理材料的距离的发射机。
工业过程控制系统通常使用已知为回路供电电路的布线系统。一种广泛使用的回路供电电路是双线4-20mA电流回路。在双线4-20mA系统中，电路被用于为电路上的装置供电以及在电路上的装置之间传输通信信号的双重功能。也就是说，传感器和/或换能器从电路汲取功率以便操作，并且通信信号也通过传感器和/或换能器与监视器或控制器之间的电路来传输。因此，回路供电装置与传统电子装置的区别在于：数据通过还为装置供电的同一线路来传输。
4-20mA回路系统的一个优点是电路可以在长距离上延伸而通信信号不降级。其原因是通信信号基于线中的电流水平而不是电压水平。与在更长距离下降的电压不同，电流水平保持不变。因此，在传统的4-20mA系统中，4mA的电流可以被识别为“0”或“关闭”，并且20mA的电流可以被识别为“1”或“最大值”。在模拟模式中，4mA与20mA之间的电流水平可以表示“关闭”与“最大值”之间的任何比例数值。可选地，可以使用模数转换器来生成能够表示比例或其他数值的信号增量。另外，4mA和20mA范围之外的电流水平可以用于激活警报(例如，Namur NE43推荐(the Namur NE43 recommendation))。
然而，回路供电电路的一个缺点是传感器和/或换能器必须利用从回路电路汲取的非常低的功率来操作。因为传感器和/或换能器不被独立地供电、而是从电路汲取功率，所以传感器和/或换能器必须能够在通常由回路电路供应的低电流和低电压下操作。例如，在具有24V电源的典型4-20mA电路中，传感器处的电流可以低至3mA，并且电压可以低至10V。因此，可用于传感器操作的功率仅为30mW。因此，由于装置经受的功率限制，开发用于回路供电系统的高性能装置可能特别具有挑战性。
发明内容
描述了一种用于回路供电电路的距离发射机。回路供电距离发射机可以用于克服传统距离发射机的功率约束和凸缘开口约束。距离发射机优选地在双线4-20mA回路电路上操作。距离发射机从回路电路汲取功率，以为传感器的电气组件供电。传感器包括激光发射器和光检测器。激光发射器输出接触目标并被反射回传感器的激光脉冲。光检测器接收反射光中的至少一些反射光。传感器确定激光脉冲在激光发射器/光检测器与目标之间行进所花费的时间，并且使用该行进时间来确定目标的距离。传感器还可以设置有透镜主体，透镜主体具有用于光检测器的透镜和用于激光发射器的透镜。用于激光发射器的透镜可以位于用于光检测器的透镜的圆周内，并且可以是光检测器透镜的中断。
附图说明
通过结合附图阅读以下描述可以更全面地理解本发明，其中：
图1是回路供电的距离发射机的透视图；
图2是用于距离发射机的回路供电系统的框图；
图3是用于反射激光脉冲的模拟信号和数字信号的图；
图4是模拟激光脉冲和激光脉冲的数字重建的图；
图5是具有不同幅度的模拟激光脉冲和激光脉冲的数字重建的图；
图6是凸缘的示意图；
图7是以并排布置的光检测器和激光发射器的示意图；
图8是以角度布置的光检测器和激光发射器的示意图；
图9是以重叠布置的光检测器和激光发射器的示意图；
图10是用于距离发射机的传感器的透视横截面图；
图11是传感器的横截面图；
图12是示出电路板的传感器的端透视图；以及
图13是用于传感器的透镜主体的侧透视图。
具体实施方式
现在参照附图，特别是图1，示出了用于回路供电系统的距离发射机10。距离发射机10特别适用于双线4-20mA电流回路12。优选地，距离发射机10设置有用于4-20mA电流回路12的两个线14的输入20。发射机10可以设置有容纳用于与回路供电电路12对接的电子器件的第一壳体22以及容纳传感器40组件的第二壳体24。还可以在第一壳体22上设置显示和控制接口26，以用于监视发射机10的状态并改变发射机10的设置。还可以在第一壳体22与第二壳体24之间设置线路套管28。线路套管28允许电缆在第一壳体22与第二壳体24之间延伸，但是将两个壳体22、24的空气腔彼此密封。这对于可能存在可燃气体以最小化空气腔的体积并隔离各个电气部件以降低燃烧风险的应用可能是重要的。
第二壳体24设置有凸缘30，以用于将发射机10附接到工业设施，诸如用于存储或移动各种材料的筒仓、罐或其他类型的结构。优选地，凸缘30被设置有允许发射机10容易地安装到工业设施中使用的传统安装接口的标准尺寸。例如，因为2”凸缘30在工业设施中的普遍使用及其经济承受能力，所以2”标准工业凸缘30是期望的。一个示例是2”标称管道尺寸(NPS)凸缘30，尽管也使用其他标准工业凸缘。凸缘30通常设置有圆周32和平坦安装表面34。凸缘30还可以设置有四个安装孔36，以用于利用螺栓将凸缘30附接到结构，尽管也使用其他安装布置。在凸缘30的中心处设置开口38，其在2”NPS凸缘30的情况下是标准2”开口38。下文进一步描述的传感器40安装在第二壳体24内，并且通过凸缘30中的中心开口38来感测材料的距离。应该理解的是，感测的距离可以指代单个或多个固体目标，或者可以指代一定水平的流体或松散的处理材料。如果需要，用户可以将转换因子输入到发射机10中，以将由传感器40确定的距离转换为容器中的水平、材料体积等。因此，由发射机10输出的距离(或水平)信号可以是经转换的距离。
通常，发射机10通过从中心开口38发射出激光脉冲并且通过中心开口38检测从材料反射回来的光，来感测材料的距离。然而，如所描述的高性能距离发射机10经受若干约束。例如，如所描述的，由于发射机10处可用的有限电压和电流，发射机10必须以有限的功率消耗操作。并且，中心开口38的尺寸限制了可用于输出激光脉冲并接收反射光的横截面面积。这两个约束组合限制了距离发射机10中可用的总体性能。也就是说，在功率消耗不成为对发射机10的约束时，即使对中心开口38的尺寸具有限制，也可以向传感器40提供增加的功率以获得高性能。因此，在中心开口38的尺寸增大时，即使在不提供功率增加的情况下，也可以通过中心开口38来接收更多的光以用于提高性能。尽管一些回路供电装置试图通过在装置上提供诸如电容器或电池的各种类型的能量储存来克服这些限制，但是功率限制仍然是现有距离发射机的性能的限制因素。因此，期望在使用回路供电电路12的工业过程控制系统中提供高性能距离发射机10的改进。
转到图2，示出了用于回路供电电路12的距离发射机10的框图。优选地，回路供电电路12的两个线14连接到发射机10。回路供电电路12至少包括传统的电源16和传统的工业监视器18。尽管输入20未在图2中示出，但是传统的线连接器20可以被设置为电源16/监视器18与信号转换器42/功率转换器44之间的输入20。信号转换器42和监视器18通过电流回路12的线14来交换通信信号。可以使用的一种通信协议是高速可寻址远程换能器(HART)协议。HART协议能够利用标准模拟信号(即，到20mA)，并且还可以重叠能够通过线14来交换附加信息的数字信号。可以使用的附加数字协议包括基金会现场总线(FoundationFieldbus)和Profibus。功率转换器44从线14汲取电功率，并且将功率转换成一个或多个电压以供传感器40的电气组件使用。为了清楚起见，功率转换器44的功率输出被示出为功率分支46，但是可以理解的是，从功率转换器44向发射机10的每个电气组件供应功率。优选地，信号转换器42和功率转换器44位于发射机10的第一壳体22内，而下文描述的传感器40的其余部件位于第二壳体24中。
传感器40设置有处理器48，其控制传感器40中的电气组件(例如，激光驱动器50、比较器60、加法器64和存储器66)。如下文进一步描述的，传感器40确定目标54距发射机10(即，激光发射器52和光检测器56)的距离。信号转换器42接收来自处理器48的距离，并将距离信号转换成与双线回路供电电路12的通信协议兼容的输出信号。可以理解的是，虽然图2将电气组件示出为独立装置，但是组件也可以是彼此交互或能够与各个组件组合的多个组件。
为了获得目标54的距离测量，处理器48指示激光驱动器50使激光发射器52产生脉冲。如果需要，电容器可以用于临时存储来自回路线14的功率以操作激光发射器52。也就是说，每次电容器充电时，激光驱动器50利用来自电容器的能量使激光发射器52产生脉冲。然而，即使具有电容器或其他机载能量等的额外能量储存，激光发射器52也将优选地具有小于1％的占空比。激光发射器的平均功率消耗也优选地小于100μW，但是备选地可以小于1mW。优选地，氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)50被用于激光驱动器50，因为利用GaN FET50生成的脉冲比传统驱动器生成的脉冲更急剧地上升。可以使用的一种GaN FET 50是由Efficient Power Conversion Corporation(EPC)制造的EPC2007C。然后，激光发射器52输出激光脉冲，该激光脉冲被引导离开凸缘30的中心开口38，并且朝向目标54。每个脉冲的持续时间可以是大约1ns。可以使用的一种激光发射器52是由Excelitas Technologies制造的波长为905nm的脉冲半导体激光器。当激光击中目标54时，光朝向发射机10被反射回来。
至少一些反射光通过凸缘30中的中心开口38传递回来，并由光检测器56接收。在优选实施例中，光检测器56是单光子检测器。单光子检测器的示例可以包括多像素光子计数器(MPPC)、单光子雪崩二极管(SPAD)阵列和硅光电倍增器(SiPM)。可以使用的一种硅光电倍增器是由SensL制造的M系列或C系列快速硅光电倍增器传感器。单光子检测器是有利的，因为它为检测到的光提供高增益，同时使信号噪声最小化。由于低功率消耗要求，这在所描述的距离发射机10中尤其重要。例如，激光发射器52仅在10A·ns与40A·ns之间的电荷下工作。因此，可以认为反射的激光相对较弱并且将难以利用传统的光检测器来拾取。单光子检测器优选地具有至少104的实际使用增益(与基于优化使用的广告数据不同)，并且更优选地具有104与106之间的增益，尽管可以获得高达6×106的增益。偏置发生器58被设置为向光检测器56提供15V与40V之间的偏置电压。
光检测器56将表示激光脉冲的模拟信号输出到电压比较器60。电压比较器60将模拟信号转换为数字信号，以提供在光检测器56检测脉冲时与在光检测器56没有检测脉冲时之间的离散的区别。然后，来自电压比较器60的数字信号被用于计算从激光发射器52输出激光脉冲与由光检测器56接收到反射激光脉冲之间的时间。然而，如图3所示，来自光检测器56的模拟信号68、70的幅度可以针对不同的目标距离和反射率而变化。在图3的示例中，较大脉冲68和较小脉冲70两者表示处于相同距离但具有不同反射率的目标54。也就是说，较大的脉冲68较大是因为目标54更具反射性并且将更多的光反射回光检测器56，而较小的脉冲70表示目标54不太具有反射性并且将较少的光反射回光检测器56。使用较小脉冲70的电压比较器60的数字输出72被示出在模拟信号68、70的正下方，而使用较大脉冲68的电压比较器60的数字输出74被示出在底部。如图所示，当模拟信号68、70高于阈值电压76时，数字输出72、74表示已接收到脉冲，而当模拟信号68、70低于阈值电压76时，数字输出72、74表示尚未接收到脉冲。在该示例中，电压比较器60使用的阈值电压76针对两个脉冲是固定的。如图所示，较大脉冲68在较小脉冲70之前穿过阈值电压76，使得针对较大脉冲68的数字输出74在针对较小脉冲70的数字输出72之前开始。这可能在距离测量中产生不期望的误差，因为距离测量依赖于激光脉冲被发射与检测之间的时间的精确测量。
为了克服由于目标54的不同反射率导致的来自光检测器56的脉冲幅度的差，可以通过一系列脉冲来调节电压比较器60的阈值电压76以补偿不同的脉冲幅度。例如，如图4所示，类似于顶部所示的一系列模拟激光脉冲78可以通过电压比较器60，并且可以针对每个脉冲78来调节阈值电压76a-e。针对模拟信号78下方的五个脉冲80a-e，示出了具有不同阈值电压76a-e的每个脉冲78的数字输出80a-e。然后，单独的输出80a-e可以由处理器48添加在一起，来以数字方式重建82模拟脉冲78，如图4的底部所示。虽然阈值76调节可以如图所示是线性的，但是优选地以指数方式调节阈值76。例如，可以根据X3来调节阈值电压76，其中X针对每个脉冲或其因子而递增。如图所示，在图5中，具有不同幅度的模拟脉冲84a-c可以因此如模拟信号84a-c下方所示那样以数字86a-c表示。使用数字重建86a-c，处理器48然后可以用于确定脉冲的定时，同时补偿不同的幅度。由于激光驱动器50的上升沿被用于确定何时发射激光脉冲，因此可期望使用反射脉冲的上升沿来确定何时接收到激光脉冲。优选地，处理器48使用与数字重建脉冲86a-c的高度相关的函数来确定脉冲的校正上升沿。例如，接收反射激光脉冲的时间可以通过将接收的实际时间乘以数字脉冲86a-c的高度并且乘以常数、并且加上数字脉冲86a-c的高度乘以常数而被确定。也可以使用诸如质心计算或滤波的其他技术。
然后，时间-数字转换器(TDC)62确定从激光发射器52输出并由光检测器56接收的脉冲的上升沿之间的时间。时间进一步被转换为目标54距激光发射器52和光检测器56的距离。为了确定脉冲之间的时间，处理器48和TDC 62将通常使用加法器64和存储器66。为了使传感器40的功率消耗最小化，可以减少产生每个距离确定所需的激光脉冲的数目。例如，可期望确定目标54的距离为500或更少的激光脉冲。如上所述，在传感器40确定目标54距激光发射器52和光检测器56的距离之后，该距离被输出到信号转换器42，然后该信号转换器42输出表示与回路供电电路12兼容的距离的信号。例如，输出信号可以是模拟信号，其中4mA的电流水平表示最小距离，并且20mA表示最大距离，或者反之亦然，其间的电流水平表示最小与最大距离之间的不同距离。
转到图6-图9，上文已经描述了发射机10还受到中心开口38的尺寸和可以通过其传输的光量的限制。图6中示出了标准工业NPS凸缘30，图6示出了中心开口38、外圆周32、安装孔36和安装表面34。如上所述，中心开口38优选地是2”标准开口38。如图7所示，用于光检测器56和激光发射器52的透镜88、90可以与光检测器56和激光发射器52并排地彼此横向间隔地定位。然而，如这种布置中所示，光检测器56和激光发射器52及其相应的透镜88、90未使用中心开口38的大部分。如图8所示，单个透镜88、90可以用于覆盖整个中心开口38。然后，成角度的镜92可以被定位在透镜88、90下方，并且激光发射器52可以以相应的角度定位，使得激光发射器52利用透镜88、90的中心部分90。透镜88、90的剩余的环形部分88可以将入射光指引到光检测器56。虽然这种布置利用中心开口38的整个区域，但角镜92和激光发射器52的角位置的使用使得这种布置复杂且昂贵。
如图9中所示，另一备选方案是提供具有一个透镜88的光检测器56，该透镜88覆盖整个中心开口38(即，沿着中心开口38的圆周)，并提供具有不同的透镜90的激光发射器52，该透镜90位于光检测器透镜88的圆周内但从该圆周偏移。因此，如所示出和下文描述的，激光发射器透镜90是光检测器透镜88中的中断90的第二透镜90。有利地，这种布置允许整个中心开口38用于传输光，同时不需要成角度的镜92和激光发射器52的角位置。
参照图10-图13，传感器40设置有光检测器透镜88，其聚焦在光检测器56上并将反射的激光脉冲光传输到光检测器56。优选地，光检测器透镜88相对于凸缘30的中心开口38被中心地定位，并覆盖中心开口38的大部分区域。如图10所示，光检测器透镜88可以位于透镜主体94的远离光检测器56的外表面上。光检测器透镜88也可以是凸菲涅耳透镜88。激光发射器透镜90聚焦在激光发射器52上，并从激光发射器52发射激光脉冲光。优选地，激光发射器透镜90相对于光检测器56和光检测器透镜88偏移。激光发射器透镜90优选地覆盖光检测器透镜88的小部分。如图11所示，激光发射器透镜90可以是透镜主体94的外部表面上的凸平滑弯曲透镜表面90。
如图11所示，透镜主体94的面向光检测器56和激光发射器52的内部表面优选地是平坦的而没有透镜表面。内部表面还可以具有与光检测器透镜88相对应的一个平坦表面96和用于激光发射器透镜90的不同的平坦表面98。例如，如图所示，激光发射器透镜90的平坦表面98可以是相对于光检测器透镜平坦表面96的阶梯状的凹槽。激光发射器透镜90的凹槽平坦表面98可以为在激光发射器52与激光发射器透镜90之间延伸的护罩(shroud)100提供安装表面。因此，如图11所示，护罩100的扩大端102适配到阶梯状凹槽98中，以将护罩100安装到阶梯98中并且邻近激光发射器透镜90。护罩100的较小端104可以位于靠近激光发射器52，并且小间隙106可以存在于护罩100的较小端104与激光发射器52之间。护罩100的较小端104还可以具有从护罩100延伸到透镜主体94的侧壁110的横向臂108。臂108被锚固到侧壁110，以将护罩100固定到透镜主体94。护罩100优选为锥形且中空。
护罩100的目的是将来自激光发射器52的光与光检测器56接收的反射光分离。也就是说，激光发射器52输出穿过护罩100朝向激光器透镜90行进的激光。在通过校准激光的激光发射器透镜90之后，激光接触目标54并从目标54反射回传感器40(如图2中所示)。至少一些反射的激光通过光检测器透镜88返回，光检测器透镜88会聚光并将光中心地朝向光检测器56引导。因此，护罩100确保激光通过激光发射器透镜90并且当激光朝向目标54行进时离开透镜主体94。在没有护罩100的情况下，来自激光发射器90的激光将在透镜主体94内反射并覆盖光检测器56，使得光检测器56难以或不可能感测从目标54反射回的光。尽管在护罩100的较小端104与激光发射器52之间可能存在小间隙106，但是在该端处可能发生的少量激光泄漏不太可能显著影响光检测器56。即使如此，预期在光学系统的各个接口(例如，护罩100到透镜主体94的接口)中的每一个接口处，一些激光将被反射回光检测器56。可以使用内部反射作为基线来进一步提高距离确定的准确度。例如，内部反射可以被视为零距离的距离确定，并且光检测器56接收的任何附加激光可以被视为表示大于零的距离。
可以使用防止激光通过护罩100的壁的任何类型的材料，并且优选地使用不透明的塑料。优选地，用于光检测器56和激光发射器52的透镜88、90彼此一体模制在一起。甚至更优选地，从透镜88、90朝向光检测器56和激光发射器52延伸的侧壁110也与透镜88、90一体模制。透镜主体94可以由传输光的各种材料制成。例如，可以使用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)材料。如图11所示，光检测器56和激光发射器52从透镜88、90安装到侧壁110的相对端上。如果需要，透镜主体94的内部空间和护罩100的内部空间可以填充有环境空气。
如图11-图12中所示，光检测器56和激光发射器52可以安装在两个分开的电路板112、114上。如下文描述的，这对于将光检测器56和激光发射器52的轴分别与其各自的透镜88、90对准是特别有利的。特别地，激光发射器52可以安装在内电路板112的内部。光检测器56可以安装在外电路板114的内部。如图10中所示，孔116可以被设置为穿过内电路板112，以允许光通过内电路板112到达光检测器56。因此，光检测器56与开口116对准，以通过开口116来接收光。优选地，滤光器118覆盖开口116，以仅允许具有与激光匹配的频率的光传递到光检测器56。因此，滤光器118防止环境光被光检测器56接收。例如，在激光发射器52具有500nm至1550nm、更特别地具有905nm的频率的情况下，滤光器118被设计为允许频率为870nm至940nm的光通过。如图11中所示，滤光器118可以安装到内电路板112的外部。
如图11-图12中所示，电路板112、114优选地彼此纵向分开，并且各自被单独地安装到透镜主体94的侧壁110。如图13中所示，透镜主体94的侧壁110可以设置有沿着与透镜88、90相对的端部的阶梯状凹槽120、122和凸起表面124。较低阶梯状凹槽120可以用于容纳和安装护罩的臂108。较高阶梯状凹槽122可以用于容纳和安装内电路板112的向外延伸的突片126。阶梯状凹槽122用于在组装期间大致定位且保持内电路板112，并且提供相对于外电路板114的纵向偏移安装表面。在凹槽122的相对侧上的凸起表面124可以用于安装外电路板114。为了在组装期间大致定位且保持外电路板114，凸起表面124可以设置有向上延伸的突起128，并且外电路板114可以设置有松散配合的槽130或孔130。
如所描述的，电路板112、114可以单独地安装到透镜主体94并与透镜88、90对准。例如，内电路板112可以放置在阶梯状凹槽122中，并且横向定位使得激光发射器52与激光发射器透镜90精确对准。如果需要，内电路板112可以搁置在安装垫132上。一些安装垫132可以设置有向上延伸的销134。销134延伸通过电路板112中的开口136，但是尺寸过大、以允许即使在销134延伸通过开口136的情况下电路板112也能横向移动。为了将电路板112固定到透镜主体94，UV固化粘合剂可以涂覆到销134与开口136之间的界面。在内板112已经被横向定位以确保激光发射器52与激光发射器透镜90对准之后，UV光可以暴露于销134和开口136，以固化粘合剂并将电路板112固定到侧壁110。在内电路板112已经被对准并固定之后，可以使用类似的过程将光检测器56与光检测器透镜88对准，并将外电路板114固定到透镜主体94的凸起表面124。注意的是，针对两个电路板112、114的对准和固定步骤彼此分开进行，使得光检测器56和激光发射器52可以分别与其相应的透镜88、90对准。两个电路板112、114可以利用柔性电缆138而被电连接在一起，以允许在组装期间在电路板112、114之间需要的横向调节。
如所描述的，用于回路供电系统12的距离发射机10受到允许的有限功率消耗和凸缘开口38的尺寸的约束。然而，所描述的距离发射机10可以在小于由功率转换器44从回路线14汲取的30mW的电功率下工作。备选地，在一些布置中，发射机10可以在小于150mW或小于800mW下操作。在工业处理控制设置中，距离发射机10还可以针对距目标54的距离30m而具有至少2cm的分辨率。因此，所描述的距离发射机10克服了传统的约束并且为距离发射机10提供了提高的性能。尽管优选实施例被设想为用于4-20mA电流回路的回路供电距离发射机10，但是距离发射机10也可以用于其他工业过程控制系统中，诸如4线系统。与上述发射机10类似，在其他控制系统中使用的发射机10将由外部电源供电。
虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应该理解的是，本发明不限于此，并且可以在不脱离本发明的情况下进行修改。虽然这里描述的每个实施例可能仅引用某些特征并且可能没有具体引用关于其他实施例描述的每个特征，但是应该认识到，除非另有说明，否则这里描述的特征是可互换的，即使没有引用特定特征。还应该理解的是，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望利用本发明的每个实施例来实现所有描述的优点。如本文使用的，术语“耦接”旨在包括直接和间接连接，除非特别进行限制。术语“结构”旨在包括设计为在不需要编程指令的情况下操作的电路以及由可编程处理器执行的非暂时性指令。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在字面上或通过等同的方式落入权利要求的含义内的所有装置和方法均旨在被包含在本发明的范围中。

Claims (20)

1.一种回路供电距离发射机，包括：
激光发射器，被构造成朝向目标输出激光；
光检测器，被构造成接收从所述目标反射的所述激光，所述光检测器包括单光子检测器；
处理器，耦接到所述光检测器，并且被构造成输出表示所述目标距所述激光发射器和所述光检测器的距离的第一信号；
功率转换器，被构造成从双线回路供电电路接收电功率，所述功率转换器耦接到所述激光发射器、所述光检测器和所述处理器，并且所述功率转换器被构造成向所述激光发射器、所述光检测器和所述处理器提供功率；以及
信号转换器，耦接到所述处理器并且被构造成从所述处理器接收所述第一信号，所述信号转换器被构造成将第二信号输出到所述双线回路供电电路，所述第二信号表示所述目标距所述激光发射器和所述光检测器的所述距离，并且所述第二信号与所述双线回路供电电路的通信协议相兼容。
2.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述双线回路供电电路是4-20mA电流回路。
3.根据权利要求2所述的回路供电距离发射机，其中所述第二信号是模拟信号，4mA的电流水平表示最小距离或最大距离中的一者，且20mA表示所述最小距离或所述最大距离中的另一者。
4.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述双线回路供电电路的所述通信协议是高速可寻址远程换能器(HART)协议、基金会现场总线或者Profibus。
5.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述距离发射机适于安装到带有2”开口的标准工业凸缘。
6.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述单光子检测器是硅光电倍增器。
7.根据权利要求6所述的回路供电距离发射机，其中所述硅光电倍增器在实际使用中具有至少104的增益。
8.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述处理器使用时间-数字转换器(TDC)来确定所述激光从所述激光发射器输出与所述激光被所述光检测器接收之间的时间。
9.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述激光发射器具有小于1％的占空比。
10.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述激光由氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)来驱动。
11.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，进一步包括耦接在所述光检测器与所述处理器之间的电压比较器，所述电压比较器被构造成：当从所述光检测器接收到脉冲时输出第一信号并且当没有从所述光检测器接收到脉冲时输出第二信号，所述电压比较器使用阈值电压来在脉冲与无脉冲之间进行区分，其中响应于不同目标的不同反射率，对一系列脉冲调节所述阈值电压来补偿不同幅度的脉冲。
12.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述硅光电倍增器在15V与40V之间的偏置电压中操作。
13.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述激光发射器的平均功率消耗小于1mW。
14.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中由所述功率转换器接收以操作所述距离发射机的所述电功率小于150mW。
15.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中针对所述目标的所述距离的每次确定，一系列脉冲通过所述激光发射器输出并且被所述光检测器接收，所述一系列脉冲为500个或更少的脉冲。
16.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中针对工业过程控制，所述距离发射机在所述目标的所述距离为30m时具有至少2cm的分辨率。
17.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，进一步包括：第一透镜，被构造并设置为校准并且传输从所述激光发射器输出的所述激光；以及第二透镜，被构造并设置为将反射的所述激光聚焦并且传输到所述光检测器，其中所述第一透镜包括在所述第二透镜的圆周内的中断。
18.根据权利要求1所述的回路供电距离发射机，其中所述双线回路供电电路是4-20mA电流回路，所述单光子检测器在实际使用中具有至少104的增益，并且针对所述目标的所述距离的每次确定，一系列脉冲通过所述激光发射器输出并且被所述光检测器接收，所述一系列脉冲为500个或更少的脉冲。
19.根据权利要求15所述的回路供电距离发射机，其中所述单光子检测器在15V与40V之间的偏置电压中操作，由所述功率转换器接收以操作所述距离发射机的所述电功率小于150mW，所述距离发射机适用于安装到带有2”开口的标准工业凸缘，并且所述激光发射器的平均功率消耗小于1mW且所述激光发射器的占空比小于1％。
20.根据权利要求17所述的回路供电距离发射机，其中单光子检测器是硅光电倍增器，所述处理器使用时间-数字转换器(TDC)来确定所述激光从所述激光发射器输出与所述激光被所述光检测器接收之间的时间，所述激光由氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)来驱动，并且针对工业过程控制，所述距离发射机在所述目标的所述距离为30m时具有为至少2cm的分辨率，所述距离发射机进一步包括耦接在所述光检测器与所述处理器之间的电压比较器，所述电压比较器被构造成：当从所述光检测器接收到脉冲时输出第一信号并且当没有从所述光检测器接收到脉冲时输出第二信号，所述电压比较器使用阈值电压来在脉冲与无脉冲之间进行区分，其中响应于不同目标的不同反射率，对一系列脉冲调节所述阈值电压来补偿不同幅度的脉冲，所述距离发射机进一步包括：第一透镜，被构造并设置为聚焦并且传输从所述激光发射器输出的所述激光；以及第二透镜，被构造并设置为将反射的所述激光聚焦并且传输到所述光检测器，其中所述第一透镜包括在所述第二透镜的圆周内的中断，并且其中所述双线回路供电电路的所述通信协议是高速可寻址远程换能器(HART)协议、基金会现场总线或者Profibus。
CN201680087574.4A 2016-05-31 2016-05-31 回路供电距离发射机 Active CN109642948B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2016/001210 WO2017208045A1 (en) 2016-05-31 2016-05-31 Loop powered distance transmitter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109642948A true CN109642948A (zh) 2019-04-16
CN109642948B CN109642948B (zh) 2023-06-13

Family

ID=60479198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680087574.4A Active CN109642948B (zh) 2016-05-31 2016-05-31 回路供电距离发射机

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20190101625A1 (zh)
EP (1) EP3465268B1 (zh)
CN (1) CN109642948B (zh)
CA (1) CA3026194A1 (zh)
WO (1) WO2017208045A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117460971A (zh) * 2021-04-02 2024-01-26 卢米诺技术公司 脉冲信号的重建
CN115469323A (zh) * 2022-09-05 2022-12-13 Oppo广东移动通信有限公司 深度信息获取模组和电子设备

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1074292A (zh) * 1991-09-19 1993-07-14 德士古发展公司 光学测度系统
US5254846A (en) * 1990-06-01 1993-10-19 Banner Engineering Corporation Analog photosensor operating on the power from a standard 4-20 ma instrumentation current loop
US20040124854A1 (en) * 2002-09-30 2004-07-01 Slezak Marian Jozef Walter Power management mechanism for loop powered time of flight and level measurement systems
CN202563087U (zh) * 2012-05-02 2012-11-28 杭州钢冶科技有限公司 一种激光测距仪
US20120299767A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Mikael Kleman Fmcw-type radar level gauge
US20150177369A1 (en) * 2013-12-23 2015-06-25 Oulun Yliopisto Distance Measurement Device, Receiver Thereof And Method Of Distance Measurement

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2813591B2 (de) * 1978-03-30 1980-02-14 Endress U. Hauser Gmbh U. Co, 7867 Maulburg Opto-elektronisches EntfernungsmeSgerat mit in eine Empfangs-Linsenoptiköffnung eingesetztem Sende-Linsenoptik-Tubus
US4389649A (en) * 1980-10-14 1983-06-21 The United States Army As Represented By The Secretary Of The Army Dual channel correlator for an FM-CW ranging radar
US4566321A (en) * 1985-01-18 1986-01-28 Transamerica Delaval Inc. Microwave tank-contents level measuring assembly with lens-obturated wall-opening
US5672975A (en) * 1995-06-07 1997-09-30 Rosemount Inc. Two-wire level transmitter
US5727110A (en) 1995-09-29 1998-03-10 Rosemount Inc. Electro-optic interface for field instrument
US5851083A (en) * 1996-10-04 1998-12-22 Rosemount Inc. Microwave level gauge having an adapter with a thermal barrier
AT407201B (de) * 1998-02-20 2001-01-25 Riegl Laser Measurement Sys Opto-elektronische geschwindigkeits-messeinrichtung
EP1451394B1 (en) * 2001-12-04 2008-08-13 Landauer, Inc. Aluminum oxide material for optical data storage
US7508497B2 (en) * 2003-11-26 2009-03-24 Meade Instruments Corporation Rangefinder with reduced noise receiver
US20050146705A1 (en) * 2003-12-24 2005-07-07 Lei Jonathan S. Range accuracy compensation circuit for single-shot laser rangefinders
US8085164B2 (en) * 2006-12-13 2011-12-27 Blueline Innovations Apparatus and method for monitoring a variety of resource consumption meters
SE531025C2 (sv) * 2007-04-02 2008-11-25 Bo Cederwall System och metod för fotondetektion och för mätning av fotonflöden
CA2719435C (en) * 2008-04-04 2014-12-30 Leddartech Inc. Optical level measurement device and method
US8126642B2 (en) * 2008-10-24 2012-02-28 Gray & Company, Inc. Control and systems for autonomously driven vehicles
US8184670B2 (en) * 2009-10-09 2012-05-22 Analog Modules, Inc. Smart linear pulsed laser diode driver, and method
EP3786668A1 (en) * 2010-05-17 2021-03-03 Velodyne Lidar, Inc. High definition lidar system
US8619239B2 (en) * 2011-01-28 2013-12-31 Analog Modules Inc. Accuracy of a laser rangefinder receiver
JP5468053B2 (ja) * 2011-11-28 2014-04-09 シャープ株式会社 光学式測距装置およびそれを搭載した電子機器
CN103998949B (zh) * 2012-01-10 2016-08-24 索弗特凯耐提克传感器股份有限公司 对飞行时间信号处理的改进或与之相关的改进
AU2013219966B2 (en) * 2012-02-15 2015-04-02 Apple Inc. Scanning depth engine
US9164144B2 (en) * 2012-12-27 2015-10-20 General Electric Company Characterization and calibration of large area solid state photomultiplier breakdown voltage and/or capacitance
US9666677B1 (en) * 2014-12-23 2017-05-30 Soraa Laser Diode, Inc. Manufacturable thin film gallium and nitrogen containing devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5254846A (en) * 1990-06-01 1993-10-19 Banner Engineering Corporation Analog photosensor operating on the power from a standard 4-20 ma instrumentation current loop
CN1074292A (zh) * 1991-09-19 1993-07-14 德士古发展公司 光学测度系统
US20040124854A1 (en) * 2002-09-30 2004-07-01 Slezak Marian Jozef Walter Power management mechanism for loop powered time of flight and level measurement systems
US20120299767A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Mikael Kleman Fmcw-type radar level gauge
CN202563087U (zh) * 2012-05-02 2012-11-28 杭州钢冶科技有限公司 一种激光测距仪
US20150177369A1 (en) * 2013-12-23 2015-06-25 Oulun Yliopisto Distance Measurement Device, Receiver Thereof And Method Of Distance Measurement

Also Published As

Publication number Publication date
CN109642948B (zh) 2023-06-13
WO2017208045A1 (en) 2017-12-07
CA3026194A1 (en) 2017-12-07
EP3465268B1 (en) 2023-01-11
EP3465268A1 (en) 2019-04-10
US20190101625A1 (en) 2019-04-04
EP3465268A4 (en) 2020-01-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1493003B1 (en) Level measurement device having electronics and antenna in one housing
CN107132519A (zh) 一种激光雷达光路系统
EP2210071B1 (en) System and method for filling level determination
US9879990B2 (en) Position reference system and method for positioning and tracking one or more objects
CN106291574B (zh) 一种小型红外测距装置
US20040088079A1 (en) Method and device for obstacle detection and distance measurement by infrared radiation
CN104678451A (zh) 光学传感器
US5399875A (en) Liquid gauging apparatus and remote sensor interrogation
CN101216562A (zh) 激光测距系统
US20200141716A1 (en) Methods and Systems for Mapping Retroreflectors
CN101952862A (zh) 具有对反向散射信号的时间分析的烟雾报警器以及对于烟雾报警器的作用能力的测试方法
RU2653578C1 (ru) Радиолокационный уровнемер для измерения объема сыпучих продуктов в резервуарах
CN101583849B (zh) 具有模块化构造的测量换能器电路的装置
CN109642948A (zh) 回路供电距离发射机
US7178396B2 (en) Accoustical apparatus and method for measuring water level in a ground water well having obstructions
CN105115474A (zh) 一种旋转扫描测距仪
CN109387824A (zh) 一种激光测距机收发光轴平行性测量方法
CA2730161C (en) Method and apparatus for optical level sensing of agitated fluid surfaces
US10309821B2 (en) Sensor for inventory management applications with remote mounting and asymmetric reflection modeling
CN104568843B (zh) 用光学传感器确定至少一个物理、化学和/或生物被测变量的方法和浊度传感器
US20230228613A1 (en) Optical fill level measuring device
US10386180B2 (en) Apparatus and method for measuring thin material thicknesses in inventory management applications
US10113900B2 (en) Field device with multiple protocol support
JP3173683U (ja) 光電センサ用インタフェースアダプタ及びセンサ装置
KR20220016272A (ko) 조정 장치 및 라이다 측정 장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant