CN1138995C - 含有光纤的测量探头及包括它的测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种探头包括至少一根光纤和包括固接装置的电路，所述固接装置用于紧固光纤而使其与信号转换装置光连接。电路包括可拆电连接器，其连接诸如发光二极管和/或光检测器等信号转换装置以供应或接收处理电路采用的电信号。测量装置包括至少一个借助于可拆连接器与处理电路相连的光纤探头。

Description

含有光纤的测量探头及包括 它的测量装置
技术领域
本发明涉及一种含有至少一根光纤的测量探头，一种含有这种探头和信号处理装置的装置及一种含有至少一个导电体和这种探头的设备。
背景技术
公知的光纤测量探头通常包括至少一根光纤，其第一端与传感器相连，第二端与电子处理装置相连。为了将光纤与处理装置相连，公知的方法是采用可动光连接器，可动光连接器设计用于与连接到处理电路上的固定光学元件和光电元件配合作用。
光连接器要求与其它的光学或光电元件严格对中，以获得光纤中流动的光信号能量最大的耦合。此外，光连接器较贵，体积较大并很难与需要几个测量点的设备兼容。具体地说，当光纤探头用于生产环境时，在安装和操纵光连接器时，光连接器易受到能破坏其光学连接的应力。
在工业生产设备中，探头的安装和更换必须由熟悉所述设备的人员完成。而这样的人并不一定精通光纤的连接或者在设备现场不一定总是带着工具来完成这类工作。在不依赖专门的工具和所述设备前言上严格的装配说明的情况下，公知的光纤探头并不易在生产设备上使用。
发明内容
本发明的目的在于获得一种易于安装的光纤探头，一种包括这种探头的测量装置及设备。
本发明的光纤测量探头包括：
至少一根光纤；
至少一个具有第一电连接装置的电路；
至少一个设置在至少一根光纤的一端的温度传感器；
信号转换装置，连接第一连接装置，并设计提供光纤传递的光信号和在所述第一连接装置内流动的电信号之间的接口，光纤设置有温度传感器；
光纤固接装置，将所述设置有温度传感器的至少一根光纤保持与所述转换装置光连接，
第一电连接装置包括可拆连接器，与设置在一测量装置上的固定电连接器配合。
在一实例中，探头包括连在信号转换装置和第一连接装置之间的放大器装置。
探头包括设置在所述至少一根光纤上并对光信号发生反应的传感器，来自所述传感器的光信号代表待测的物理参数。
探头最好包括在存储器中存储校正参数或设定参数的存储装置。
可取的是，信号转换装置包括至少一个光检测器，将在光纤一端输送的光信号转换为电信号。
可取的是，信号转换装置包括至少一个光变送器，将来自第一电连接装置的电信号转换成光纤一端的光信号输入，其中光纤与所述光变送器保持相连。
根据具体实例，探头包括：温度传感器，设置在至少一根光纤的一端并含有发光材料；第一光信号，由转换装置发出以激发所述发光材料；及第二光信号，由所述材料传输并通过光纤传送到信号转换装置，所述第二光信号的波长与第一光信号的波长不同，并具有代表温度的减小值。
优选探头包括设置在传感器和信号转换装置之间的第一和第二光纤，第一光纤传导第一光信号，第二光纤传导第二光信号。
例如，探头可以包括设置在光纤和信号转换装置之间的光分离系统。
为过滤光信号，探头可以包括设置在光纤一端和信号转换装置之间的滤光器。
优选至少一根光纤为塑料制成的光纤。
光纤固接装置最好包括将光纤定位在信号转换装置上的定位部分。
可取的是，光纤固接装置包括导向件。
根据一优选实例，转换装置包括至少一个发光二极管，光检测器，紧固第一光纤而使其与所述发光二极管光连接及紧固第二光纤而使其与所述光检测器光连接的固定装置。
为使三个测量通道一体化，探头包括紧固三个第一光纤而使其与三个发光二极管光连接及紧固三个第二光纤而使其与三个光检测器光连接的固定装置。
为了减小探头的体积，发光二极管和第一连接装置设置在第一印刷电路上，光检测器设置在第二印刷电路上，第二印刷电路与第一印刷电路电连接并相互精确地正交布置。
为了保护电子元件或光电元件，探头可以包括覆盖电路至少一部分的第一绝缘涂层和覆盖第一涂层至少一部分的第二导电涂层。
在优选的应用中，探头用来测量至少一个电导体的温度。
本发明的带光纤的测量装置包括信号处理装置，如上所述的探头，及与所述信号处理装置相连并与第一连接装置配合作用的第二连接装置。
本发明的设备包括至少一个导电体及至少一个如上所述与所述导电体相连的探头。
附图说明
本发明的其它优点及特征通过下面具体实施例的描述将变得更加清楚，具体的实施例是作为非限定性例子给出的并在附图中示出，其中：
图1为公知类型的光纤探头的布线图；
图2为示出本发明第一实施例的光纤探头和装置的第一示意图；
图3为示出本发明第二实施例的光纤探头和装置的第二示意图；
图4为示出本发明第三实施例的光纤探头和装置的第三示意图；
图5示出根据本发明实施例的能与探头相连的传感器；
图6a和6b示出根据本发明实施例的在探头的光纤中流动的信号；
图7为示出根据本发明实施例的带三个测量通道的探头的示意图；
图8为根据图7中带三个测量通道的探头的示意图；
图9为示出根据本发明实施例的探头的侧视图；
图10示出包括改进的固接结构的图7中探头的视图。
具体实施方式
在图1的公知实施例中，光纤传感器1包括与光连接器3相连的光纤2。这些光连接器是可拆卸的并与连接到测量对中装置8的处理单元6的光电装置4和5配合。光电装置可包括接收光信号的光检测器4或发射光信号的发光二极管5。可取的是，放大器7连接在光检测器4和处理电路6之间来放大代表光信号的电信号。
在特定的情况下，在光连接器和光电装置之间可以采用中间光纤。
当传感器用于包括测量装置8的工业设备中，无法获得完好的连接器3的光连接。实际上，有时需要特定的工具并需要合格的技术人员来调整连接器3和固定装置4、5的光对中性。此外，如果这种光耦合不具有良好的质量，光损耗过大，传感器的测量值易于出错。
采用光连接器的光纤的另一缺点在于具有使所述连接器损坏的危险。这些传感器实际上受到可改变光耦合特性的各种机械或大气压力。例如，光连接器会被污染，局部阻塞或盖有水气或灰尘。
在根据本发明一实施例的传感器中，传感器包括一电路，光纤在其上与信号转换光电装置保持光连接，信号转换光电装置与电连接器相连。在这种情况下，最终使用者接收其光连接部分已装配好的传感器。这种使用者(特别是熟悉电气设备的)只需要电连接传感器而不需要考虑光学部件。光连接以优化方式获得并被气密地保护，外界压力不会起作用，并且传感器的测量值不会受到不良的影响。
图2示出了根据本发明第一实施例的带有两个光纤传感器10和11的测量装置。第一传感器10包括诸如印刷电路的电路12，光检测器4在其上与光纤13光连接，光纤13由保持装置14固定和防护。电路12包括设计用来与固定电连接器16配合的可拆连接器15，固定电连接器16设置在装置8上。电路还可以包括连接在光检测器4和连接器16之间的放大器7。在该实施例中，连接器15和16还传输电测量信号17、基准线19和电源线18。
第二传感器11包括诸如印刷电路或硬连线电路的电路12，光纤20在其上与发光二极管21光连接，所述发光二极管21由保持装置14固定和防护。发光二极管21与电路12上的可拆连接器15相连，所述连接器15设计用来与固定电连接器16配合，固定电连接器16设置在装置8上。在该图中，连接器15和16具有向二极管21发出电信号22的连接点和基准线19的连接点。处理电路6发出的电信号22可以由放大电路23放大。
在优选实施例中，连接器15的所有连接点都可以集合在一个连接器上，光纤13到20可以配合在一个测量装置上并固接在一个电路12上。
图3示出测量装置和传感器24的示意图，传感器24包括与传感器25相连的光纤13和20。两光纤通过电路12上的一端与信号转换装置4和21光连接，每根光纤的另一端与传感器25相连。
第一光纤20通过一端在电路12上与发光二极管21相连，另一端与传感器25相连。第二光纤13通过一端在电路12上与光检测器4相连，另一端与传感器25相连。在该简图中，光检测器4为与放大器7的输入端相连的光电晶体管，放大器7的输出端与可拆连接器15相连。二极管21通过放大电路23与连接器15相连。连接器15可以与装置8的固定连接器16相连。
处理电路连接固定连接器16。其向二极管21发出控制信号22并反过来接收来自光检测器4的测量信号17。控制信号22由发光二极管21转换成第一光信号26，第一光信号26在第一光纤20中流动以激发传感器25。随后，传感器25发出的第二光信号27在第二光纤13中流动而被光检测器4检测到，光检测器4将第二光信号转换为电信号17。该信号被放大器7放大并通过电连接器15和16供给处理电路6。
以最佳方式调整光连接，使光纤固接，从而由传感器进行的测量准确和可靠。此外，传感器通过可拆连接器15的简单电连接很容易安装和更换。
为了提高传感器的互换性，电路12上的存储电路28可以设定或校正要存储参数。因此，包括传感器25的探头可以在实验室或在进行装配的特定场合校正，并可随后在生产设备中简单地使用而无需调整。设定或校正参数具体涉及连续偏差、放大或失真响应、根据时间的衰减、滞后时间或对应表格。当探头与处理电路6相连时，代表设定参数的信息32供给所述处理电路6。因此，对于每一个包括存储电路的探头来说，处理电路6可以修正和改编代表在光纤中流动的光信号和物理测量值的电信号。该信息32通过连接器15和16传输。
图4为测量装置和包括光纤29的探头的示意图，第一和第二光信号26和27在光纤29中流动。光纤29通过第一端与传感器25相连，相对的另一端通过固接装置14固接在电路12上，固接装置14与发光二极管21和光检测器4光连接。含有半反射膜片的分离装置30设置在光纤29一端、二极管21和光检测器4之间以将来自光纤和传感器的光检测器4的方向上的信号与从二极管到光纤和传感器的光信号26分离。分离装置可以是光纤功率分配器。
为改善具有不同波长的信号27和26的分离质量，滤光器31位于光检测器4之前。滤光器使具有第一波长的信号27通过，而不让具有第二波长的信号26的通过。在该探头上，电路12包括可拆连接器15，可拆连接器15传送电源线18和基准线19、测量信号17和二极管21的控制信号22。
图5示出了可在本发明的探头中采用的传感器。该传感器包括对其接收到的第一信号26的光发生反应的部件33。随后或同时，第二光信号27由部件33传输。第二光信号表示待测物理量。在具体的实施例中，该物理量为温度。
如果部件33为荧光物质或发光物质，则第二信号的波长与第一信号的波长不同。此外，当第一信号停止照亮部件33时，第二信号的光强以时间的指数的方式减少。特别是当部件33为红宝石或紫翠玉粉末时，第二信号27的减少34表示所述部件的温度。
图6a示出照亮部件33的第一信号26的光幅值，而图6b示出由所述部件33发出的第二信号27。处理电路6根据转换成电信号17的信号27的减少值34确定部件33的温度数值。
图7示出了三个测量通道的光纤探头的示意图。测量通道包括将传感器25a、25b、25c与发光二极管21a、21b、21c光连接的第一光纤20a、20b、20c，将传感器25a、25b、25c与由光电二极管4a、4b、4c表示的光检测器光连接的第二光纤13a、13b、13c。
六根光纤20a、20b、20c、13a、13b、13c通过固接装置14固接到电路12上。三个发光二极管21a、21b、21c与可拆电连接器15相连以分别接收控制信号22a、22b、22c。分别与第二光纤13a、13b、13c光连接的光电二极管4a、4b、4c分别与放大器7a、7b、7c相连。
各放大器的放大倍数由电阻36a、36b、36c决定，电阻连接在放大器7a、7b、7c各输出端和反向输入端之间。放大器的输出端与连接器15相连以供应测量信号17a、17b、17c，这些测量信号分别代表传感器25a、25b、25c测得的测量值。连接器15还提供基准线19和为放大器供应电源的两根电源线V+和V-。
在图7的实施例中，传感器25a、25b、25c可以特别地采用温度传感器，例如类似图5中的带荧光物质或发光物质的传感器那样工作。采用图7的探头来测量包括导体37a、37b、37c的电气设备的温度。具有高绝缘强度的光纤、图7中的探头可以用于具有高电压、特别是低压、中压或高压的设备中。
图8示出了图7中三通道探头的一部分。在该实施例中，电路12包括两个准确地正交设置的印刷电路38、39。第一印刷电路38包括发光二极管21a、21b、21c和连接器15，第二印刷电路39包括带放大器7a、7b、7c的光检测器4a、4b、4c。两印刷电路机械地和电连接。这种结构有利于减小探头体积并减少了与测量装置的连接表面。
在图9中示出了图8中探头的侧视图。在该实施例中，第一光纤20a、20b、20c置于发光二极管21a、21b、21c上设置的小孔中。图9示出插入二极管21a的光纤20a。第二光纤13a、13b、13c分别与光检测器4a、4b、4c光连接。因此，光纤13a与光检测器4a相互面对。为改善操作，设置在第二光纤13a和光检测器4a之间的滤光器过滤光信号，以便使传感器发射的信号通过而阻止发光二极管产生的信号。
在图9的实施例中，光纤固接装置14包括用于固接和定位光纤的部件40。光纤也可以通过在接收光纤的上述部件40上的凹处42内浇铸材料41而附着在部件40上。
在图10的实施例中，固接装置14包括基部43和光纤导向件45。
根据不同的实施例，探头最好包括覆盖电路12的电气元件的第一绝缘涂层47，和覆盖第一绝缘涂层的第二导电涂层48。第二导电涂层具有电磁屏蔽的功能。构成涂层的材料最好为聚合物。
为将光纤探头固定在装置8上，电路12或连接器15包括固接装置46以将可拆连接器15固定在固定连接器16上。
在其它实施例中，电路12可以为硬连接的电路，浸制电路或例如用于固定表面安装元件的电路。

Claims (20)

1.一种光纤测量探头，包括：至少一根光纤和至少一个具有第一电连接装置的电路(12)；
其特征在于，
第一电连接装置包括可拆连接器，与设置在一测量装置上的固定电连接器配合，
探头包括：
至少一个设置在至少一根光纤的一端的温度传感器；
信号转换装置，连接第一电连接装置并设计提供光纤传递的光信号(26，27)和在所述第一电连接装置内流动的电信号(17，22)之间的接口，光纤设置有温度传感器；
光纤固接装置，将所述设置有温度传感器的至少一根光纤保持与所述转换装置光连接。
2.如权利要求1所述的探头，其特征在于，包括连在信号转换装置(4，21)和第一电连接装置(15)之间的放大器装置(7，23)。
3.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，包括设置在所述至少一根光纤上并对光信号(26)发生反应的传感器(25)，来自所述传感器的光信号(27)代表待测的物理参数。
4.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，包括在存储器中存储校正参数或设定参数的存储装置(28)。
5.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，信号转换装置(4，21)包括至少一个光检测器，将在光纤(13)一端输送的光信号转换为电信号(17)。
6.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，信号转换装置包括至少一个光变送器，将来自第一电连接装置(15)的电信号(22)转换成光纤(20)一端的光信号(26)输入，其中光纤与所述光变送器保持光相连。
7.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，探头包括温度传感器(25，25a-c)，设置在至少一根光纤的一端并含有发光部件(33)；第一光信号(26)，由转换装置发出以激发所述发光部件；及第二光信号(27)，由所述部件传输并通过光纤传送到信号转换装置，所述第二光信号的波长与第一光信号的波长不同，并具有代表温度的减小值(34)。
8.如权利要求7所述的探头，其特征在于，探头包括设置在传感器和信号转换装置之间的第一和第二光纤(20，13)，第一光纤(20)传导第一光信号(26)，第二光纤(13)传导第二光信号(27)。
9.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，探头包括设置在光纤(29)和信号转换装置之间的光分离系统(30)。
10.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，探头包括设置在光纤一端和信号转换装置之间的滤光器(31)。
11.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，至少一根光纤为塑料制成的光纤。
12.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，光纤固接装置(14)包括将光纤定位在信号转换装置(4，21)上的定位部分。
13.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，光纤固接装置(14)包括导向件(45)。
14.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，信号转换装置包括至少一个发光二极管(21，21a-c)，光检测器(4，4a-c)，紧固第一光纤(20，20a-c)而使其与所述发光二极管光连接及紧固第二光纤(13，13a-c)而使其与所述光检测器光连接的固定装置。
15.如权利要求13所述的探头，其特征在于，探头包括紧固三个第一光纤(20a，20b，20c)而使其与三个发光二极管(21a，21b，21c)光连接及紧固三个第二光纤(13a，13b，13c)而使其与三个光检测器(4a，4b，4c)光连接的固定装置。
16.如权利要求14所述的探头，其特征在于，发光二极管和第一电连接装置设置在第一印刷电路(38)上，光检测器设置在第二印刷电路(39)上，第二印刷电路与第一印刷电路电连接并相互精确地正交布置。
17.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，探头包括覆盖电路(12)至少一部分的第一绝缘涂层(47)和覆盖第一涂层至少一部分的第二导电涂层(48)。
18.如权利要求1或2所述的探头，其特征在于，探头用来测量至少一个电导体(37a-c)的温度。
19.一种包括信号处理装置(6)的光纤测量装置，其特征在于，其包括至少一个如权利要求1或2所述的探头，及与所述信号处理装置相连并与第一电连接装置(15)配合作用的第二电连接装置。
20.一种包括至少一个导电体的装置，其特征在于，其包括至少一个如权利要求1或2所述的与所述导电体相连的探头。
CNB991024893A 1998-03-06 1999-03-04 含有光纤的测量探头及包括它的测量装置 Expired - Fee Related CN1138995C (zh)

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