SE428971B - Optisk sensor - Google Patents

Description

'\ 10 15 20 25 30 8107188-8 I en speciellt föredragen utföringsform består omvandlarelementen av foto- och lysdioder och resonanskretsarna av parallell- eller seriekopplade induk- tanser eller kapacitanser, varvid kapacitansvärden eller induktansvärdet kan vara ett mått på ingångsvariabeln (stor-heten). Sensorn matas med. optisk energi av definierat frekvensinnehåll, t ex i pulsfonn.

Jämfört med andra optiska givarprinciper har sensorn sålunda enligt uppfin- ningen följande fördelar: Den kan i flera fall uppbyggas med. hjälp av kommersiellt tillgängliga elektro- nikkomponenter.

Den har en okomplicerad optisk uppbyggnad eftersom signalinformationen kan överföras i form av en intensitetsoberoende och våglängdsoberoende module- rings frekvens .

Samma optiska överföringslänk kan utnyttjas för flera sensorer genom frek- vensmultiplexing.

Uppfinningen är närmare exemplifierad nedan och i bifogade figurer, av vilka fig 1 visar grundprincipen för sensorn, fi'g 2 en utförandeform av ett komplett system, fig 3, 4 och 6 några alternativa utformningar av sensorn samt fig 5 en utformning' med två resonanskretsar medgemensam -optisk matning.

Sensorns principiella funktion (se fig 1) är följande: En ljuspuls 1 infaller mot sensorns mottagarenhet 2, som består av en eller flera fotodioder. Den därvid uppkomna elektriska spänningen driver en ström genom sándarenheten 5, exempelvis 'bestående av en lysdiod. Denna ström modu- leras genom resonanslccetsen 4, varvid det utsända ljuset får en oscillerande intensitet med en ringningsfrekvens fr som i huvudsak bestäms av resonans- kretsen 4. Denna är utformad så, att den variabel, som skall mätas eller de- tekteras, ger en påverkan på resonansfrekvensen fr. Alternativt lIåJter man ingångsvariabeln påverka kretsens Q-värde eller dämpning (Q = wo E), vilket dock ställer högre lmav på de i systemet ingående komponenterna. Se flödes/ /tid-kurvorna till vänster i fig 1, där i den övre visas förhållandet mellan øín och tid och i den nedre øut och tid.

Fig 2 visar en utförandeform på ett komplett system, baserat på sensorprin- cipen. För signaltransmission används en optisk fiber 5 med två, förgreningar 10 15 20 25 ßO 35 8107188-8 6 och 7. Lysdíoden 8 avger en ljuspuls av hög intensitet och kort varaktig- het (i allmänhet kortare än resonansfrekvensens periodtid). Det från sensor- enheten 9 erhållnaringningsförloppet detekteras av fotodioden 10, vars foto- ström förstärka i förstärkaren 11. signalen banapessfiltrerae (12) för att minska inverkan av brus och andra störningar, t ex elektromagnetisk överkopp- ling från exciteringspulsen till lysdioden 8. Den filtrerade signalen utgör insignal till en s k PLL-krets 15 Qhase Locked _I¿oop, fastlåst slinga). Denna består av en faskomparator 14, ett lågpassfilter samt en spänningsstyrd oscillator 16 (voltage controlled oscillator, V00). I faskomparatorn 14 om- vandlas eventuella variationer i sigrxalens frekvens till elektriska spän- ningsvariationer, som ”låser” den spänningsstyrda oscillatorns 16 frekvens till insignalfrekvensen. Utsignalen från PLL-kretsen påföres en frekvens- delare eller räknare 17, som delar ned frekvensen en jäum multipel, t ex fyra eller åtta. Denna signal går vidare till en monovippa 18 _för bestämning av pulsens varaktighet, och ett drivsteg 19 för att tillräcklig uteffekt till lysdioden 8 skall erhållas. Som utsignal till en eventuell signalbehandlings- enhet, presentationsenhet eller effektororgan kan antingen användas den ana- loga utsignalen från lågpassfiltret 15 eller den frekvensmodulerade signalen från den spänningsstyrda oscillatom 16.

Det är givetvis även möjligt att exeitera resonanskretsen med en insignal av ' annan form, t ex en sinusformad signal. I detta fall kan amplitud, frekvens och fasläge hos utsignalen utnyttjas för att ge information om resonansfrek- nsnf. ve e r Fig 3 visar några alternativa utformningar av resonanskretsen 4. I fig ia används en parallellresonanskrets, där den variabel som skall mätas/detekte- ras påverkar kretsens kapacitans C. Resonansfrekvensen ges av fr = 1/2 7FV_.

I fig 3b är det induktansen L som påverkas av ingångsvariabeln. I fig 3st och šd har serieresonanskretsar använts med modulation av kapacitans (C) respek- tive inaureans (L).

I fig 4 har LC-kretsen integrerats med utnyttjande av tunnfilms- eller tj ockfilmstelmologi. Induktansen och kapacitansen är här distribuerade para- metrar och utförda som ledande skikt på. två. plattor 20, 21. De ledande skik- ten har givits mönster såsom två. flata spolar 22. Resonansfrekvensen blir beroende av avståndet mellan plattorna, och anordningen kan alltså med lämp- lig mekanisk utformning t ex detektera en anbringad kraft 23. 10 15 20 25 50 8107188-8 Ytterligare möjligheter till alternativa utformningar av resonanskretsen är användning av den mekaniska resonansen i en piezoelektrisk lcristall, t ex kvarts, .eller element baserade på akustiska ytvågor.

I fig Sa visas hur två sensorelement kan kombineras för att t ex temperatur- kompensera eller utnyttja samma optiska länk för att överföra två. oberoende mätsignaler. Två extra fiberförgreningar 24, 25 jämfört med. fig 2 har in- förts. Genom denna anordning exciteras de båda resonanskretsazna med samma puls 26 (fig Sh). Om de båda resonansfrekvenserna antages uppfylla villkoret Af <4 fr, där Af är skillnaden i resonansfrekvens, fås en utsignal øut såsom visas i fig Sb. Det exponentiellt avklingande ringningsförloppet i fig 1 har nu en överlagrad svävningsfrekvens = Af. En svårighet vid realisering av ett dylikt system är dock ett betydligt större krav på högt Q-värde hos resonanskretsaz-na för att möjliggöra en tillräckligt noggrann bestämning av Afa I mera generella multiplextillämpningar bör de olika ingående resonansfrek- vensema vara så åtskilda, att de kan exciteras oberoende av varandra med lämpligt valda kurvformer på excitationssigialen.

Ett flertal realiseringsmöjligheter erbjuds även ifråga om ingångsvariabelns påverkan på. resonansfrekvensen fr. Tabellen nedan ger några av dessa.

Ingångsvariabel Aktivt element y Mekanism Tungelement, magnet, In- och urkoppling av parallell- mekanisk omkopplare, eller seriekopplad L eller C. kontakter, relä.

Läge (on/off) ' Variation av t ex plattavstånd för G, läge hos ferritkäi-na L.

Mekaniskt omvandlarelement. läge (kontinuerligt), L, C kraft, tryck, vätska- nivå, flöde Bimetallswitch In- och urkoppling av L eller C.

Temperatur' (on/ off) Variation av C (rymdladlnings- Temperatur (konti- nioa, fetoaioa nuerlig) område) med temperaturen.

Spänning, ström, C Spanningsberoende kapacitans, magnetfält kapacitansdiod.

'IQ (on/off), I. ömsesidig inauktans bildad av magnetfält virvelströmmar i näraliggande metallföremål.

Ström, magnetfält L Mättnad av induktanskärna.

Claims (17)

10 15 8107188-8 Även utformningen av mottagarenheten 2 och sändarenheten 3 kan varieras inom ramen för uppfinningen. Om fotodioder och lysdioder används, bör givetvis dessa kombineras så. att lysdiodens 8 våglängdsband väl överensstämmer med fotodiodens 2 maximum i spektralrespons. Motsvarande bör gälla lysdioden 5 och fotodioden 10, vars våglängdsband lämpligen bör vara förskjutet från de förras för att möjliggöra optisk bortfiltrering av reflexer i förgreningar och skarvar. Dessa har visserligen ingen direkt störande inverkan, eftersom signalen bandpassfiltreras, men de ger ett oönskat 'bidrag till bruset i foto- dioden 10. En elegant utformning vore att utnyttja en och samma optokomponent för både mottegoing (2) ooh fee-toning (3). Dette ezonie möjnggöree med en e k foto- luminiscensdiod 27 (fig 6). Komponentens funktion är närmare beskriven i svensk patentskrift 8004602-2. Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående p atentlcrav . PATENTRAV

1. Optisk sensor för detektering eller mätning av storheter såsom läge, kraft, tryck, vätskenivå, flöde, temperatur, spänning, ström och magnetfält, innehållande organ (2, 5, 27) för omvandling av optisk energi till elektrisk energi och vice versa, k ä n n e t e c k n a. d därav, att 1, Benson, ingår en mätf eller detekteringsanordning 'samt minst en elektrisk resonanskrets (4), varvid nämnda anordning är anordnad att påverka resonanslcretsens reionansfrek- vete eller Q-varae 1 enlighet mea ev enoranmgon uppmätt (aetertoret) »atvat-ae.

2. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den optiska energin är anordnad-att 'transmitteras till och från sensorn me- delst minst en optisk fiber (5).

3. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k 'a'. n n e t e c k n a d därav, att den optiska energin är anordnad att tillföras i form av pulser (1).

4. Optisk sensor enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att pulsernas (1) varaktighet är kortare än resonansfrekvensens periodtid. 8107188-8 6

5. I Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att den optiska energin är anordnad att tillföras i form av en sinusformad signal.

6. Optisk sensor enligt patentlcrav 1, k ä. n n e t e c k n a. d. därav, att resonanskretsen består av minst en serie- eller parallellkopplad induktans och kapacitans .

7. Optisk sensor enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att kapacitans- eller induktansvärdet utgör ett mått på. den storhet som skall de- tekteras eller mätas.

8. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att organet (2) för omvandling av optisk energi till elektrisk energi innehåller minst en fotodiod. I

9. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e o k n a d därav, att organet (5) för omvandling av elektrisk energi till optisk energi utgöres av en lysdiod.

10. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att organet för omvandling av optisk energi till elektrisk energi och omvänt är en fotoluminiscensdiod (27) .

11. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e o k n a d därav, att resonanskretsen (4) består av ett distribuerat induktans- ooh kapacitansnät (22).

12. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att resonanskretsen (4) innehåller tungelement, bimetallelement, kontaktorer, reläer och/eller mekaniska omkopplare för in- och urkoppling av induktanser eller kapaoitanser.

13. 15. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att resonanskretsen innehåller minst en spänningsberoende kapaoitans.

14. Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att resonanskretsen innehåller minst en temperaturberoende kapacitans.

15. . Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att resonanskretsen (4) innehåller minst en piezoelektrisk lmistall. 8107188-8

16 . Optisk sensor enligt patentkrrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att resonanskretsen (4) innehåller minst ett element baserat på. akustiska ytvågor.

17 . Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a. d därav, att resonanskretsen (4) innehåller en induktans, vara induktansvärde kan påver- kas av ett i närheten befintligt' metalliskt föremål. 19 . Optisk sensor enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a. <1 därav, att resonanskretaen (4) innehåller en induktans med kärna, vars permeabilitetstal kan påverkas av ett yttre magnetfält.