專利名稱:改進的光纖遙測傳感器的制作方法
本發(fā)明涉及光纖通訊和測量設備，特別是用來測量物理量的受光激勵的振蕩式諧振元件設備。
為了便于清楚地理解本發(fā)明，現給出某些詞的定義。在此所用的“輻射能(radiant energy)”包括波長在1000埃至100，000埃之間相干能和非相干能，尤其包括紅外線、紫外線和可見光能量。這種輻射能可以被稱為“穩(wěn)定波(steady wave)或“連續(xù)波(continuous wave)(CW)”，以區(qū)別于載有信息的輻射能信號?！罢{制”在此為廣義，而是指改變載波某些特征的過程，使它隨另一信號的瞬時值而同步變化，特別是幅值調制。這里反謂的“穩(wěn)定”輻射能是指基本上具有恒定強度的輻射能;即強度無短暫變化且具有基本不變的譜分布。關于載有信息的光信號，術語“斷續(xù)”和“間續(xù)”用于說明調制光和產生調制的裝置?！傲黧w(fluid)”包括氣體或液體。術語“鍍銀的”在這里一般用來說明金屬反射面層，或其等同物?！鞍脲冦y的”用來說明具有透射和反射特征的膜層，而且透射與反射的比例可能一個高于另一個。術語“力”是用來描述任何能夠移動物體或改變其運動的物理量或現象，特別是包括壓力及任何能夠轉換成壓力的參量或現象?！榜R達”用它的廣義，即指能移動物體的一個設備。術語“轉換器”用來描述一個將能量從一種形式轉換成另一種形式的裝置，本文所用的“光電轉換器”和“電光轉換器”等術語專指用于將輻射能變?yōu)殡娔芎碗娔茏優(yōu)檩椛淠艿囊活愌b置。“懸臂梁”指的是一類機械的或其它傳感器，其中梁元件的一端固定，梁之件可以諧振。這樣懸臂梁元件可以是空心的，此時被稱為“諧振空心梁”元件或結構。
由于光纖通訊的優(yōu)點和工業(yè)過程控制已廣為人所了解，所以日益強調的重點放到了各種簡單、經濟、可靠的傳輸方法上，以便將低輻射能經光纖送至傳感器一方，進行所需的測量，并經光纖通道將所測信息回送到控制和檢測站。需要利用少數低光能的光通道以及精確地、可靠地傳送測量信息的一些方法，以便將所得的測量信息利用光纖信號進行精確地傳輸，這就是過程控制系統(tǒng)設計者所面對的許多問題中的一項。
眾所周知，拉緊線的諧振頻率是線上張力的函數。而且力測量儀可以利用這一關系，使線受一加于其上的未知力拉緊而振動，測量其振動頻率，如美國專利第4，329，775號所述。類似地，如果對振動的空心梁結構內部施加變化的壓力，其諧振頻率就隨壓力的變化而變化。在光纖技術領域：
中，已知對在兩成一直線的光纖元件間的光通道進行周期性地部分阻斷的振動元件將“斷續(xù)”地讓光通過第二個光纖元件。
也已知道，能夠將一束穩(wěn)定光導入第一光纖元件，進行調制(例如，聲調制)，再通過第二光纖元件使其返回到鄰近于其光源的一點上(美國專利第4，345，482號和4，275，295號)。最近有這樣說法可以沿第一光纖元件發(fā)送脈沖光束驅動一條振動線元件，沿第二光纖元件將一束穩(wěn)定光送到對該穩(wěn)定光由振動進行調制的地方，將被調制的光沿第三光纖元件通道反射回去，便可測得振動頻率。然后便可測得調制頻率。改變振動線上的拉力，可使返回的光能隨線上的拉力而有規(guī)律地變化〔見瓊斯(Jones，B.E.)和菲利普(G.S.Phip)“用光纖連接的測力振蕩線傳感器”一文，文件號05.1，傳感器和其應用，UM IST曼徹斯特(英)1983年9月20-22(“A Vibrating Wire Sensor with Optical Fibre Links for Force Measurement”，Paper No.05.1，Sensor and their Applications，UM IST Manchester(UK)20-22September 1983。)〕瓊斯(Jones)和菲利普(Philp)的方案表示在圖2中。在他們建議的儀器中，在一固定柱與一壓力膜之間將細線拉緊。細線置于一個永久磁鐵兩極之間，線的兩個終端經過一個匹配變壓器與光電二極管1進行連接。如果具有交變強度的光通過光纖到達光電二極管，從而產生交變電流流過細線，那么細線就在垂直于電流和磁場所定平面的平面內，以與光強度變化頻率相等的頻率振動。細線的振動由鄰近振動平面內的兩條平行光纖所測得。這兩條光纖中的第一條被饋入控制器中發(fā)光二極管2所發(fā)出的正常恒定強度的光，該光在傳感頭外一離開光纖就照射細線。一些光被反射回而進入第二條光纖，并被送回控制器。返回光的強度是細線相對于光纖端部位置的函數。因此，當細線振動時，與振蕩同相的交變光強度經第二光纖返回控制器。該信號在控制器內被放大，其電輸出的一部分用來與細線同相諧調地驅動發(fā)光二極管1;第三條光纖將此同相光信號傳送到傳感頭處，該信號在那里被轉換成振蕩驅動功率，維持振蕩。
這些及以前的由光纖裝置進行遙測和通訊的方法一般需要多光通道，復雜的電路和/或用于諧振元件的獨立振蕩能源。
本發(fā)明涉及的是發(fā)現一束單一穩(wěn)定輻射光束能夠被振蕩的或諧振的元件同時斷續(xù)和反射。
本發(fā)明將一束穩(wěn)定的輻射能光束沿第一條通道傳至一輻射能檢測傳感元件，該元件與一可振諧振元件相鄰，以使諧振元件周期性地至少部分地阻斷照射到諧振元件上的輻射能通道，當諧振元件阻斷輻射能通路時，沿同一通道向相反方向反射回穩(wěn)定輻射能光束的一部分，利用檢測到的輻射能可使諧振元件繼續(xù)維持振蕩，即在諧振元件沒有阻斷輻射能源的時，該輻射能被允許到達光電轉換器，在轉換器輸出端產生電流。
根據已知原理對電流進行相移，并用來起振和維持諧振元件的振蕩。在本發(fā)明振蕩器部分的振動線或帶的方案中，經過相移的電流根據已知的電磁定律被施加在懸于磁場中張緊的線或帶元件的端部，使線或帶開始振蕩并以線或帶的諧振頻率繼續(xù)振蕩。在另一種諧振空心梁的方案中，傳感器的輸出被相移并施加給電能機械能轉換器，以引起并維持振蕩。周期性地被反射的輻射能的強度隨諧振元件的頻率同步變化。通過含有可將振蕩被反射的輻射能的可測部分從第一個穩(wěn)定輻射能通道沿第二通道偏傳給遙測器的裝置，振蕩輻射能的頻率(因而也是諧振元件頻率)能夠由常規(guī)裝置所測得。對諧振元件施加一個力，其頻率就隨力的振輻而變化，由此便可遠距離測力。
當然，將物理現象或參量轉變成上述所加的力，便可測量各種各樣的物理現象。適于用作諧振元件的細長裝置的例子包括有張緊的細線或帶狀元件、雙或單音叉、鈴，其它的懸臂結構，和雙懸臂裝置。
為了編碼和傳遞更多的信息，輸入光纖通道的穩(wěn)定輻射(或光)能既可以具有寬譜也可以具有特定的有限譜，而且由振動元件返回的光也可以是具有寬譜的或特定的有限譜的，這樣由單一信道傳送信息就具有很大的靈活性。本發(fā)明其它實施例還包括例如在限定的空間內設置至少一對相互分開的諧振器，每個諧振元件設計成測量各自不同的物理。使用兩個諧振器和一條光纖通道，將穩(wěn)定的輻射能傳給兩個振蕩式諧振器，而且光線的反射部分以不同的波長濾除，然后再合成，沿同一光纖通道返回到一個譯碼器。這種濾光過程可以由常規(guī)濾光器來完成或由附在諧振元件上以將限定波長的光能沿光纖通道反射回去的多涂層反射元件來完成。這里用的“多涂層”是由多層具有特定反射率的介質所構成的被覆層。這樣的被覆層根據涂層的排列可以是(按光譜)高通、帶通、或低通，其選擇方法屬于一般光學技工的知識范圍。在譯碼器處的光束分離器(或其等同物)可從長波能中分離出短波能，接著就可測出表示被測物理量的振蕩頻率?？梢岳么笈嗨频亩嘤猛窘Y構，其組合根據不同的被測物理量加以限制，其數量根據區(qū)別和鑒別輻射能波長的能力加以限制。根據本發(fā)明對單光纖通道的一些組合包括頻率和超范圍指示，位置和限位，遠近溫度和壓力，壓力和/或差壓和另一些變量如溫度，以及在特定裝置中所需的變量等等。
因此，本發(fā)明的一先進目的是提供一種在遠離利用或觀察信號的地點測量一個或多個物理現象的方法，并且使這些測量到的信號基本上不受環(huán)境影響或對一般環(huán)境影響有抵抗力。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是用單條光纖通道同時傳送振蕩源能和諧振信號。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是可以容易而準確地測量許多種物理量。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是能夠用單光纖信道傳送許多信號信息能和振蕩源能。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，由于光纖所傳遞的編碼通訊不大依賴于輻射能的大小，所以即便有寬帶光的幅值噪聲存在也只要提供最少的足夠能量就可有效地進行測量。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是有效地完全隔離并免除射頻干擾(RFI)。
本發(fā)明再一個優(yōu)點是消除檢測元件側與控制室之間引起接地環(huán)路電流的導電通道。
本發(fā)明的再一優(yōu)點是顯著地降低了對向控制系統(tǒng)的電子器件和控制部分傳遞強電磁脈沖能的導電體的擔憂。
這里所揭示的本發(fā)明的再一優(yōu)點是免除了在危險環(huán)境中與電流相關的爆炸事故。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是免除了閃電所選成的事故。
所述本發(fā)明一個實施例的優(yōu)點是非常容易與光的或電的連接相適應，甚至使得在對舊控制設備采用新技術和/或集成或結合電光能技術有更大的通用性。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是對光信號可以很容易地進行多路傳輸，以便在非常少的通道上傳輸多路信號。
本文所述的本發(fā)明的再一個優(yōu)點基于這樣的事實，即振蕩式諧振元件部分可靠地自啟動。
本發(fā)明的再一個目的是容易適應在惡劣的環(huán)境條件下工作，如具有腐蝕性的環(huán)境。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是關于其簡單概念和設計的特點，于是昂貴的、復雜的、固有可靠性不佳的電路可由經濟的、簡單的、可靠的電路取代之。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是，由于測量是基于頻率進行的，所以避免了由于通道損耗(如光纖彎曲損耗)所引起的測量誤差。
本發(fā)明的另一個尤為有利的目的是在遙遠的測量點不需要本地能源來起振和維持振蕩。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是，制造、校準、安裝和投入常規(guī)運行本發(fā)明裝置都很簡單經濟。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是，由于以光為基礎，現場傳感器只有極少量的電子元件，即傳感器部分不需要以硅為基礎的大器件。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點，在以下對最佳實施例和其它實施例結合附圖的說明中是不而喻言的。
這里所揭示的本發(fā)明的許多優(yōu)點，只要仔細審閱作為本發(fā)明一部分的幾張附圖，就可清楚得知。實線箭頭表示穩(wěn)定或CW(連續(xù))光能的傳播方向，虛線箭頭表示脈動的或已被調制的光的方向。所有附圖中，相同的標識符表示相應的部分圖1是本發(fā)明的簡略方框圖;
圖2是接近本發(fā)明所作的相關工作的狀態(tài)的基本示意圖;
圖3是本發(fā)明基本諧振線振蕩傳感器部分的簡化示意圖;
圖4是本發(fā)明基本諧振空心梁振蕩傳感器實施例的簡化圖;
圖5是本發(fā)明另一實施例的雙諧振子傳感器的簡化示意圖;
圖6表示可用于本發(fā)明的輻射能部分光譜分布并且示出兩個離散的可用帶通曲線;
圖7是本發(fā)明壓力室結構的簡化示意圖;
圖8是本發(fā)明溫度補償壓力傳感器結構的簡圖;
圖9是根據本發(fā)明溫度傳感器簡化示意圖;
圖10是本發(fā)明一個簡單負載室結構的示意圖;
圖11示出一諧振室心梁溫度傳感器;
圖12是本發(fā)明另一實施例簡圖，其中含有一電子轉換器，它與傳感器相組合;
圖13是一個實施例簡圖，其中既可以使用光傳動，也可以使用電傳動;
圖14是一個時序圖，示出本發(fā)明最佳實施例中信號與反饋電流的正確和不正確的關系。
參見附圖，特別是圖1，它示出了一個改進光纖遙測傳感器設備10，它包括輻射能源裝置19，穩(wěn)定(或CW)輻射能通道11，包括反向光束偏轉/分離器13的光束偏轉裝置12，雙路輻射能通道14，已偏轉脈動輻射能通道15，力轉換裝置16和傳送力至振蕩裝置20的傳輸裝置17，以及信號探測裝置18。
對本說明來說，能源裝置19是一個輻射能的穩(wěn)定源，它包括相干光或非相關光，一般在大約1000至100，000埃的波長段。在本說明中“光”用來指更通用的術語-位于上述限定波長范圍內的“輻射能”。穩(wěn)定能在本說明中是指穩(wěn)定的或連續(xù)波(CW)的能，以便區(qū)別于開關式、調制式、脈動式或斷續(xù)式的能。在圖1中，這個CW能被耦合到穩(wěn)定輻射能通道11，它可以是單一的光導光纖或其等同物。下面將描述的光束偏轉裝置12沿通道11安裝在遠離物理量測量地點的合適控制點上。通道11在第一位置進入偏轉裝置12，將光能導入其中，而雙輻射能通道將光能從偏轉裝置12的第二位置導出。同樣，通道14是單一光導光纖或等同物。通道14將CW光能傳入振蕩裝置20。振蕩裝置20有一個諧振頻率元件，下面將一對此詳細討論。力轉換裝置16有效地將待測物理量轉換成機械力，此力作用于振蕩裝置20的諧振頻率元件。從本領域所熟知的許多方案中對轉換裝置進行的選擇是完全在一般技工的能力范圍內，并且隨待測物理量而變化。簡單地說，通過順序通道11和14而被接收的CW光被反射，其強度隨頻率而變化，此頻率又基于被測物理參量。這光沿通道14被傳回到偏轉裝置12中的反向光束分離器13。光束分離器13可以是任何已知設備，它讓從第一方向傳來的光通過，并且偏轉一部分從反方向傳到其上的光。可變強度(或脈動)偏轉光沿通道15被導入信號檢測裝置18。檢測裝置18是個光電傳感器，可以是數種光電傳感器中的一種，包括光電二極管，光電池或元件，或其等同物。
工作時，CW光沿單一的順序通道(11，14)傳入由CW光供能的振蕩器20。在后面將結合圖3和圖4對此電路作說細的說明。與待測物理量有關的力通過轉換和傳送裝置(16，17)作用于振蕩20內的諧振元件，以產生可變頻率的脈動光(與力有關)，它沿通道14被反射到遠處，在那里光被偏轉(12，13)沿光路15入檢測器18。這樣檢測裝置再產生與待測物理量有關的輸出信號。
現在來看圖3，這是遙測設備振蕩裝置20部分的一基本實施例簡圖。應當說明，雖然包括了振蕩裝置20的全部必要元件，但它們都是以略圖的形式被表示和說明的，以體現總體，而不是以特殊的細節(jié)和結構形式。這樣做是為了讓本領域內一般技術人員根據自己的特殊需要來實施和應用本發(fā)明。
振蕩裝置20包括第一端部支撐結構21、諧振元件22、光導通道終端23、將輻射能變?yōu)殡娔艿霓D換器24、絕緣子25、變壓器26或其等同物，相移裝置27、電互連裝置28、第二端部支撐結構29、磁場源裝置30、31和框架32。
框架32是用來組裝部件，為鋼性結構。裝在框架32上的是諧振元件22，端部支撐物21、29。在本例中，用一帶狀元件作為諧振元件22的，此外，其它形狀或截面也可使用，包括線、帶或梁形構件，這些都需要不同的裝配，后面將描述。當諧振元件22“斷續(xù)”光時，反射面要反射光。一個端部支撐結構29包括有絕緣裝置25，使諧振元件22的一端與框架32絕緣。光通道14在鄰近諧振元件22的終點23處收尾。輻射能電能轉換器24安裝在諧振元件22的另一側，并被諧振元件22遮擋住一部分，轉換器24經連接線28與變壓器26相連。變壓器26的另一繞組連接于相移裝置27，并通過其上的絕緣端和框架32以及對面的支撐物21連接諧振元件22的端子。磁鐵30、31相等地安置在諧振元件22的兩側且與之平行。在本例中，磁鐵30是北極，磁鐵31是南極;只要真正滿足電磁定律，如條件需要也可使用相反的磁場。安放磁鐵以便產生一個垂直于諧振元件22同時也垂直于諧振元件中電流方向的磁場，使得在輻射能源(終點23)和轉換器24之間的諧振元件22前后運動。在此結構中，變壓器26，相位穩(wěn)定器27，連接線28和磁鐵30、31總的說來是包括了使諧振元件22振蕩的裝置。
以下解釋這一裝置。到達終點23的輻射能照射光電轉換器24，產生電壓，該電壓由變壓器26降壓。移相電路27將驅動電流的相位移相，使電流相位在元件22的整個振蕩頻率范圍內大于0°但小于180°(見圖14)。移相電路27是一阻抗，至少由以下電抗之一形成，容抗、感抗和/或電阻。移相后的電流加到帶形元件22的端子上，在諧振元件22周圍產生一個磁場。由于電磁場和磁鐵30、31在條帶周圍產生的永久磁場的相互作用，諸振元件22在磁場內，相對于從終點23射出的光束而垂直地運動。當諧振元件移動到擋住了終點23與光電轉振器24之間的輻射能通路時，光電池產生的電流就減少;當諧振元件擋住了輻射能通路，輻射能就沿來時的同一源通道被反射回去。當諧振元件22遮擋輻射能通路而足以阻止產生電流時，諧振元件在應力的作用下，返回其靜止位置，解除了對輻射能通路的遮擋，由此重復同樣的動作，其結果維持了振蕩。
圖4為一空心懸臂梁光導遙測設備40，它包括振蕩裝置20的另一實施例，表示在虛線方框內。這個諧振腔傳感器包括穩(wěn)定(CW)輻射能通道11，反向光束偏轉分離器13，雙路輻射能通道14，偏轉脈動輻射能通道15，力變換裝置16，力變換傳送裝置17，信號檢測裝置18，輻射能源裝置19，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，電連接裝置28，斬波器41，移相電路42，(空心梁)諧振元件43，和振子裝置44。
在本結構中，當用于測量壓力時，力變換裝置16是諧振空心梁元件43中固有的，由力變換傳送裝置17提供的壓力使諧振空心梁元件43變硬(由此改變其諧振頻率)。振蕩器20的結構細節(jié)與圖3中的有些不同?？招牧?3的振蕩受振子裝置44的作用，振子裝置44是一機電器件，如壓電晶體元件、雙層晶體元件(兩個晶體元件，如鋼性連接的羅謝爾鹽，以用作力轉換器)，或者其等同物。驅動振子的交流式脈動電能是從光電轉換器24得到，它可以是光電池、光電二極管或等同物。在光纖通道終端23，輻射能射向鄰近的轉換器24。位于終端23與轉換器24之間并且至少部分地遮擋其間的光通路的是裝在空心梁諧振元件43端部的鏡式或反射斬波器41。為了維持可靠振蕩所需的正確相位關系，轉換器24的輸出在經電連接裝置28的導線供給振子43之前，要經過常規(guī)的移相電路42。移相電路42根據需要至少包括下列阻抗之一容抗、感抗和/或電阻，以移動驅動電流的相角使其在元件43的整個頻率范圍內超過0°并保持在小于180°的范圍內。
振蕩元件23、41、24、43和44的實際布置要使CW輻射能由終端23射向轉換器24，而后產生電信號，經過必要的相移(見上面)，供給振子裝置44，使得諧振空心梁元件43從其恒定位置運動，完成電機轉化。安裝在諧振元件43端部的是斬波器41，用以按照諧振元件43的電機偏轉情況來遮斷輻射能通道。在輻射能的遮斷期間，斬波器的鏡式或反射部分將輻射能沿通道14反射回去。在減少驅動功率期間，諧振元件43返回其穩(wěn)定位置，直至足夠的輻射能可通過斬波器，又再次照射轉換器產生振子驅動功率。這樣激起振蕩并以諧振空心梁元件的自然諧振頻率維持振蕩。壓力(P1)的變化經傳送裝置17導入空心梁的空腔，并將使空心梁的剛度發(fā)生變化，從而改變其振蕩頻率。
仍參見圖4，以CW輻射能形式提供的輸入功率由能源裝置19經順序通道11和14傳到終點23。斬波器41包括反射裝置，可至少有效地沿著通道14傳到終點23。斬波器41包括反射裝置，可至少有效地沿著通道14(已講述過)反射一部分輻射能，到反向光束偏轉鏡13，由此將斬波器41反射來的脈動輻射能經通道15導向信號檢測器18，以確定振蕩20的頻率。
本發(fā)明的一個實施例包括由圖5雙諧振子傳感器50所示方式在單光纖通道上利用多個信號的方法。這樣的雙諧振子傳感器50元件包括能源裝置19，穩(wěn)定(CW)輻射能通道11，反向光束偏轉鏡13，第一雙路輻射能通道14，第一偏轉脈動輻射能通道15，傳感器光束分離/合成器51，第二雙路輻射能通道52，第三雙路輻射能通道53，第一傳感器54和第二傳感器55，檢測器光束分離器56，第二和第三脈動輻射能通道57和58，第一和第二檢測器波長濾波器59、60，第一和第二檢測器61、62和各自的第一、第二輸出信號63、64，以及第一和第二傳感器波長濾波器65和66。
在圖5的雙傳感器系統(tǒng)中，傳感器分離/合成器51將A端口輸入的穩(wěn)定(CW)輻射能分為兩路(或更多)輻射能信號進入不同的輸出通道(后面將詳細討論傳感器分離/合成器51)。這樣，分離/合成器的輸出口B和C是彼此分開的。雙路通道52和53將輻射能送給傳感器54和55。在每個傳感器54、55中，可見不同的波長濾波器65、66位于光纖通道52、53端點和鏡式或反射面之間(雙波長濾波例子示于圖7中，后面將結合圖7加以說明)。不同于單獨的濾波器，諧振元件/斬波器的鏡式或反射區(qū)域可涂覆上一層或多層極薄的、限定反射信號波長的特定波長感應膜層。每一個濾波器元件65、66(或有涂層的鏡面)專門用于一不同的波長，并限制被送回輻射能的波長。傳感器54和55類似于前面講述的振蕩裝置20，不同的是濾波器65和66(或有涂層的鏡面)限制送回的輻射能的波長，使得特定的(和不同的)波長與每個傳感器54、55相聯(lián)系。每一個檢測器61、62的輸出63、64都與被測物理量有關。
光束分離器51是一個光學器件，用于將一光束分成兩個或更多單獨的光束。簡單的光束分離器例子有1)一塊薄的透光玻璃，經常涂有半反射層，例如鍍金屬，以某一角度插入光束中，將光束的一部分轉向不同的方向;2)兩直角三棱鏡沿斜面膠合在一起，其中的一個斜面上可以涂有半反射層。當一光束由此通過時，部分光束能按棱鏡表面的位置和指示器光的方向所決定的角度偏轉?；蛘?，一個以上的較小光纖可接收來自至少一個較大光纖的能量，將大光纖的能量分進小光纖。任何起到以上功能的、已知的光或輻射能分離器和/或分離/合成器的等同物都可取而代之;這里舉的例子僅僅是為了說明起見。
現在參看圖6，這里表示了一個紅外線發(fā)光二極管(IR LED)的頻譜分布曲線70，其上迭加了發(fā)光二極管輸出光譜中輻射能的兩個離散波長的分離帶通響應曲線71、72。所示帶通曲線71、72是多層輻射能反射或透射涂層的合成結果。由于反射涂層對輻射能更有效，所以值得優(yōu)先應用。在本例中，曲線71、72是關于經過如圖5中所示的那些濾波器(59、60、65、66)之后的輻射能的。進一步的選擇性(即更窄的響應曲線)可使用帶有多層輻射能反射涂層或元件來取得，從而使單光纖通道上可傳輸多路傳感器返回信號。
圖7表示實施壓力傳感器80概念的本發(fā)明一實施例，它包括雙路輻射能通道14，力變換傳送裝置17，在本例中為壓力傳遞裝置，如管或管道裝置，諧振元件22，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，絕緣子25，變壓器26，移相裝置27，電連接裝置28，端部支撐結構29，磁場源裝置(北)30和(南)31，框架32，具有加強筋的和/或增強的中間區(qū)域83的膜片81，予壓彈簧82，第一室84，壓力室85，隔板86，以及端口88。
在圖7實施例中，諧振元件22是拉在端部支撐結構29和膜片81之間的一根線或帶，膜片81將第一室84封住，與壓力室85隔開。膜片81的中間區(qū)域83被加固，用來連接諧振元件22，諧振元件22是靠驅動使膜片離開隔板86的予壓彈簧82所加應力支撐住的。諧振元件22位于光纖通道終端23與轉換器24之間，以使其至少可以部分地遮住二者之間的通路。壓力(P1)經傳送裝置17被傳至壓力室85。磁鐵30和31提供磁場，當諧振元件22通電時，該磁場使諧振元件22沿垂直于諧振元件中電流方向和磁場方向在兩磁極面間來回運動。
當用于操作系統(tǒng)時，壓力傳感器80的膜片81承受代表被測物理量的壓力P1。P1以與其成比例的力壓向膜片81和它的控制區(qū)域83，使諧振元件22上的應力有一變化，由此其諧振頻率與壓力P1相應地發(fā)生變化。由輻射能產生的電信號使諧振元件以一能測定的頻率振蕩或振動，該輻射能是經通道14從遠方輻射能源(未示出)傳到通道終點23的。當輻射能(可以是光能形式)照射到轉換器24時，諧振元件22通過變壓器26接收一個電信號，該信號使諧振元件22在終端23和轉換器24之間的光通道內外移動(在磁鐵30、31所產生的磁場影響下)，以一定的速度斷續(xù)到達轉換器24的光，其頻率與由膜片81施加給諧振元件22的應力有關。諧振元件22是有反射面或其等同物的金屬帶。為了將帶的諧振頻率反饋，以調制方式反射的光在遮斷期間沿來時的同一通道14返回，并根據前面所述的方法在遠方加以檢測。如果測量測量計壓力，則要加一外部端口88，如果測量絕對壓力，該裝置可以抽成真空并將口88封住。
本發(fā)明設備還可以測量溫度。這有幾種方法，方法的選擇取決于溫度測量的用途。例如，一個充氣泡(如圖11中121)可以與前面圖4說明的設備相連，其壓力變化的測量也已在那里講述了。同樣的充氣泡設備可以用于增加一室腔的內部壓力(如圖8中所示)來測量溫度。為了鑒定測量的精確性，知道溫度對諧振元件的諧振頻率的影響程度通常是特別有用的。圖8表示了這種一般的情況，其中壓力是被遙測的，壓力傳感器處的溫度必須加以測量，以便在確定壓力測量精確度時鑒定溫度引起的變化程度。
圖8中的測溫和測壓過程是由溫度補償壓力傳感器90的一雙傳感器結構完成的，它包括輻射能源裝置19，穩(wěn)定(CW)輻射能通道11，反向光束分離器13，第一雙路輻射能通道14，第一偏轉脈動輻射能通道15，傳感器光束分離器/合成器51(見圖5描述)，第二雙路輻射能通道52，第三雙路輻射能通道53，檢測器光束分離器56，第二脈動輻射能通道57，第三脈動輻射能通道58，第一檢測器波長濾波器59，第二檢測器波長濾波器60，第一傳感器波長濾波器65，第二傳感器波長濾波器66，壓力傳感器80(見圖7描述)，溫度檢測器93和其輸出信號91(見圖8)，壓力檢測器94及其壓力輸出信號92，以及溫度傳感器100(見圖9描述)。
除了使用專門的溫度和壓力傳感器100，80外，溫度補償壓力傳感器90基本上與圖5中的雙諧振傳感器50相同。在上面已對壓力傳感器80作出了說明，溫度傳感器100(基本上與前述振蕩裝置20相同)表示在圖9中，下面將加以說明。
如圖5所示，用單一的輻射能源裝置(未示出)作為沿單一通道傳導的能源，在傳感器80和100中分別產生代表物理量的兩單獨信號。這兩個信號，在這里是壓力和壓力傳感器處的本地溫度，是兩個不同波長的信號，并沿同一光纖通道14返回，被分別檢測，以給出一個與溫度有關的信號，它與壓力信號可以有電聯(lián)系，用來減小溫度引起的壓力信號誤差。
圖9示意地表示了一簡單的溫度傳感器100，它特別適用于測量某一范圍內的環(huán)境溫度，該范圍內包括有測量受溫度影響的物理量，如壓力的一個或多個傳感器。圖9包含的元件有雙路輻射能通道14，端部支撐結構21，諧振元件22，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，變壓器26，移相裝置(電阻器)27，電連接裝置28，磁場源裝置30(N極)和31(S極)，框架32，反射器101，跨接線102，基座103，電氣絕緣子104，以及端部支撐結構105。
諧振元件22，懸在第一和第二端部支撐結構21，105之間，承受應力，并且在端部支撐物105處由絕緣子104絕緣。與基座103的連接可使諧振元件22固定在絕緣器104和端部支撐物105上。移相裝置27是用來在需要的范圍內(0°至180°)調整驅動能相位的。一個撓性導電器將諧振元件22的絕緣端與變壓器26的次極繞組相連。反射元件101是任選的;它用在缺少足夠的光反射率或當需要更大的光效率時，以改善諧振元件22的反射性。通過選擇具有不同溫度系數材料的諧振元件22和框架(基座或殼體)32，可以精確地測出當地溫度。諧振帶22本身保持頻率與溫度無關。在上述結合圖5所討論的多傳感器應用中，鏡面可以涂覆上一層或多層輻射能頻率選擇涂層，以限制返回的，被斷續(xù)的能量的頻率響應。除了上面所述的差別外，其余部分和元件的功能完全如圖3中相似設備相同。
改進的光纖遙測傳感器很適于圖10所示的負載室形傳感器110結構，它包括雙路輻射能通道14，力變換傳送裝置17，諧振元件22，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，電氣絕緣子25，變壓器26，移相裝置27，電連接裝置28，磁場(北)裝置30和(南)裝置31，負載111，負載室殼體112，第一端壁113，第二端壁114，倉室115，以及基座116。
在這個結構中，傳感器的工作基本上與結合圖3所做的前述說明相同，只不過被測的物理量是經力變換裝置17，即凸緣或周邊17，直接作用在負載室整體殼體112上(并傳給整個殼體112而不是端壁113)的壓力。在此附圖中示出的負載111為受引力作用的某個質量。負載室110的凸緣或周邊17可以是殼體112的整體部分，或者是完全單獨的一件，其作用是將施加的負載力傳遞給殼體112的側壁，而不是端壁113，后者將造成假的或未校準的輸出讀數。應當注意到，由于傳感器測量負載所施加的力是按頻率的變化量而不是絕對頻率測量，所以負載室可以安置在任何高度或位置上，且一樣可精確地測量施加的力，幾乎不怎么帶有或沒有因其位置或高度所引起的誤差。
圖11是根據本發(fā)明另一實施例的具有一個充液體的泡的諧振腔溫度傳感器120的簡略示意圖，其傳感器包括雙路輻射能通道14，力傳送裝置17(部分示出)，在本例中為壓力傳遞裝置，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，電連接裝置28，反射斬波器41，移相電路42，諧振空心梁元件43(部分示出)，振子裝置44，以及充有流體的、溫度響應容器121，其中包含有溫敏流體122?？墒褂贸Ｒ?guī)的充蒸氣壓技術以避免充液的溫度影響。
本結構中的工作情況基本上與結合圖4講述的基本傳感器振蕩裝置40類似，只是用了專門的力變換裝置，和一個充有流體的、溫敏流體容器121，它可裝入任何適當的溫敏流體122，氣體或液體。在此裝置中，力變換傳送裝置17可以是管或毛細管，連接于空心諧振元件43和溫敏流體容器121之間，溫敏流體容器可以是任意球形形狀。溫度變化影響容器121，使其內的流體膨脹或收縮。流體的膨脹被傳給空心梁諧振元件43的空腔，引起其諧振頻率的變化。
雖然已將本發(fā)明說成是需要提供光操作能并用光進行檢測的，但是，如果想停止振蕩，很明顯可以將振蕩器的機電驅動部分中斷。
圖12是一個簡化示意圖，表示本發(fā)明的適于某些用低電平信號作進一步電信號通訊的應用的一個實施例，其中包括雙路輻射能通道14，端部支撐結構21，諧振元件22，光纖通道終端23，輻射能電能轉換器24，變壓器26，相位穩(wěn)定裝置27，電連接裝置28，端部支撐結構29，開關131，基座132，以及絕緣子133。
基座132和絕緣子133如同前面(圖3和圖7)對標號25和87的裝置所述一樣。除開關131外，其余元件已在圖3中進行了說明。開關131(SW1)是能夠中斷反饋信號的電信號，這樣它就是一個很好的啟動和終止信號裝置。所為一個封閉式磁響應舌簧開關，它可成為理想的極限開關或其它振蕩中斷器。兩個或多個常開開關可與開關131串聯(lián)，或兩個或多個常開關與開關131并聯(lián)，以提供多中斷功能。在其它位置安裝附加開關，對于各種范圍識別或位置測定及參考應用是有用的。或者，電信號可如圖13所示的從端子134和135直接取得，并用于進一步的電通訊;此時通常為低電平信號。
圖13中的實施例基本上與圖12的實施例相同，只不過取消了圖12中的開關(SW1)131，增加了圖13中的電接點134、135，以便使設備能能直接進行電和/或光的輸能/檢測。這些電接觸端還可以用于檢測、本地指示和/或校準的目的。同樣的情況在本文所述發(fā)明的其它許多實施例中也有出現。當用于電操作方式時，在端子141和135之間的搭接片140可以去除，以避免換能器的加載?？捎靡粋€開關來取代搭接片140。
最后，圖14是兩幅線位置與驅動電流的附圖，其中圖14B的驅動電流的相對相位是正確的，而移相90°(圖14A中不正確)。穩(wěn)定的運行由圖14B表示。驅動電流只有當諧振元件反射部分不阻止光到達轉換器時才存在。
權利要求
1.一種光驅動的振蕩諧振元件的設備，包括(a)受應力作用的諧振元件，(b)提供輻射能的輻射能源裝置，(c)單傳遞通道裝置，該裝置將輻射能沿一個第一方向導向鄰近上述諧振元件的一端部，(d)能夠將輻射能轉換為電能的轉換裝置，它鄰近上述諧振元件，相對于上述端部，用于產生根據上述端部射出的輻射能大小而形成的電流，(e)與上述轉換器電連接的電驅動裝置，使諧振元件在上述轉換器與上述端部之間，以一個與諧振元件諧振頻率有關的頻率做橫向運動，(f)反射裝置，在諧振元件運動期間，與置于上述端部和上述轉換器裝置之間的諧振元件相關聯(lián)，用于在相對于上述第一方向的第二方向上，沿著至少一部分傳遞通道反射至少一部分輻射能。
2.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中承受應力作用的諧振元件是一個條帶。
3.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中承受應力作用的諧振元件是一個諧振空心梁結構。
4.根據權利要求
3所述的振蕩諧振元件設備，其中諧振空心梁結構是懸臂式的。
5.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能的波長在103至105埃之間。
6.根據權利要求
5所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能的波長最好是從1000埃左右至4000埃左右。
7.根據權利要求
5所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能波長最好是從4000埃左右至7000埃左右。
8.根據權利要求
5所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能波長是從7000埃左右至100，000埃左右。
9.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能是非相干的。
10.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能是相干的。
11.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中傳遞通道裝置包括一個單光纖輻射能通道。
12.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中傳遞通道包括一系列沿著一條單一通道的順序輻射能通道組件。
13.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中由輻射能源裝置提供的輻射能是充分穩(wěn)定的和未被調制的。
14.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中上述反射裝置還包括獨立的與諧振元件相結合的反射元件裝置，當上述反射元件至少部分地位于輻射能端部與轉換器裝置之間時，至少將部分輻射能沿相反方向與振蕩諧振元件同步從傳遞通道裝置反射回去。
15.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，還進一步包括具有至少第一繞組和第二繞組的變壓器阻抗匹配裝置，其中轉換器輸出電流耦合到上述的第一繞組上，而諧振元件驅動裝置連接于上述的第二繞組。
16.根據權利要求
15所述的振蕩諧振元件設備，還進一步包括移相裝置，使驅動電流產生在0°至180°之間的相位滯后。
17.根據權利要求
1所述的振蕩諧振元件設備，其中電驅動裝置包括(a)磁力偏置裝置，用于在上述諧振元件周圍產生一個磁場;(b)將轉換器裝置電能輸出傳遞給所述諧振元件各端，且讓轉換器輸出電流流過其中以產生電磁場的裝置，(c)由于上述磁力偏置裝置和上述電磁場相互作用導致諧振元件在上述轉換器裝置與上述輻射能端部之間運動的裝置。
18.根據權利要求
3所述的振蕩諧振元件設備，其中電驅動裝置包括(a)壓電振子裝置，將電能變?yōu)橹C振元件的機械運動，(b)將轉換器的電能輸出傳遞給上述壓電振子的裝置。
19.在包括有一個受應力作用的諧振元件、輻射能驅動源、以及將與壓力有關的信號值回送的裝置的光驅動振蕩諧振元件設備中，測力方法包括(a)將一輻射能通道裝置的源端接受一束穩(wěn)定的該輻射能，(b)將上述穩(wěn)定輻射能沿第一方向從上述通道導向遠方諧振元件設備，(c)既而，利用上述被傳遞的輻射能間歇地以振蕩方式驅動諧振元件，并沿另一相反方向，從所述通道至少反射回部分輻射能，其中電能是在輻射能不被反射并用來維持上述諧振元件振蕩時由輻射能轉換成的。
20.根據權利要求
19所述的方法，其中通過在一基本不變的磁場中電磁場的相互作用引起諧振元件的振蕩。
21.根據權利要求
19所述的方法，其中將電場直接作用于壓電元件而產生機械應力，將諧振元件置于該機械應力下，引起諧振元件的振蕩。
22.根據權利要求
19所述的方法，其中反射輻射能脈沖的頻率與施加在諧振元件上的應力值有關，并且還包括檢測被反射的輻射能以指示應力值的步驟。
23.在包括一受應力作用的諧振元件、輻射能驅動源、以及回送許多與壓力相關的信號量的裝置的光驅動振蕩諧振元件設備中，該方法包括(a)將輻射能通道裝置的一個源端置于一束穩(wěn)定輻射能之下，該輻射能是具有許多波長的，且至少包括第一和第二波長;(b)將上述輻射能的穩(wěn)定光束沿一方向從上述通道傳遞到分光器，該分光器將輻射能分入多個獨立通道;(c)將輻射能從上述多個獨立通道中的至少一個通道傳遞給遠方諧振元件裝置;(d)或者，利用上述的被傳遞的輻射能以振蕩方式間歇地驅動至少一個諧振元件，并且將從至少一部分輻射能中選出的某一波長的能量在另一相反方向沿從所述通道至少部分反射回去，其中電能是在輻射能不被反射并用來維持上述諧振元件的振蕩時由輻射能轉換的。
24.根據權利要求
23所述的方法，其中通過一基本不變的磁場中電磁場的相互作用引起諧振元件的振蕩。
25.根據權利要求
23所述的方法，其中將電場直接作用于壓電元件而產生機械應力，將諧振元件置于該機械壓力下，引起諧振元件振蕩。
26.根據權利要求
23所述的方法，其中將被反射的輻射能按波長選擇地轉向，并被檢測以指示出應力值。
27.一遠距離檢測與至少一個物理量有關的多個應力的光驅動傳感器，包括(a)一提供輻射能的輻射能源裝置，(b)置于遠離上述輻射能源裝置并受到至少兩個與至少一個物理量有關的應力作用的多個振蕩諧振元件，(c)單傳遞通道裝置，用于從上述能源裝置沿第一方向傳輸輻射能，(d)將上述單傳遞通道分為多個傳遞通道的裝置，(e)多個傳遞通道裝置，用于將輻射能沿每個上述的傳遞通道傳至與每個上述諧振元件相鄰的各終端裝置，(f)與每個通道和每個端部相關聯(lián)的單獨的轉換器裝置，鄰近于每個上述諧振元件且與各相應端部相對，用于根據從各相應端部發(fā)出的輻射能產生電壓，(g)單獨的電驅動裝置，用于使每個諧振元件在其相應的轉換器與各端部間作橫向運動，以斷續(xù)到達轉換器的輻射能，(h)在每個上述諧振元件上的反射面，用于通過沿與第一方向相對的第二方向從至少一部分傳遞通道反射回至少一部分輻射能，從而調制輻射能，(i)選擇地按波長將從每個上述諧振元件返回的輻射能進行分離的裝置，(j)檢測與每個上述諧振元件相關的返回輻射能調制頻率的裝置。
28.如權利要求
27所述設備，其中選擇地按波長分離輻射能的裝置包括波長選擇濾波器元件，來自各諧振元件的輻射能通過其中。
29.如權利要求
27所述設備，其中所述的選擇地按波長分離輻射能的裝置包括在每個諧振元件反射面上的一個不同波長選擇涂覆層。
30.根據權利要求
2所述的設備，用于檢測流體壓力，其中所述諧振帶元件有第一和第二端，并且還包括(g)形成一個剛性盒體的外殼，該外殼有至少一個在具有至少一個垂直于且連接于其的側壁的圍繞式盒體內的端壁，(h)與上述端壁一定距離的應力膜片，上述膜片包括連接于上述諧振帶元件第一端的基座裝置，并在上述盒體內劃分了第一和第二空腔，使上述第一空腔被封閉且包括上述端壁、通氣孔、和至少一部分所述壁側，第二空腔被封住，與第一空腔隔開，(i)流體壓力源裝置，用于將壓力傳遞給所述第二空腔和所述膜片;其特征在于，上述諧振帶元件的第二端連接于第一空腔內盒體的上述端壁的內表面，并且此上述諧振帶上的縱向張力施加于上述膜片上的壓力作相應的變化。
31.根據權利要求
30所述用于測量絕對壓力的設備，其中第一空腔被抽成真空且被密封。
32.根據權利要求
30所述用來測量儀表壓力的設備，其中第一空腔放入大氣。
33.根據權利要求
2所述用于測量溫度的設備，進一步包括具有互相相對的第一和第二端部的殼體，諧振帶元件的各端連接于該兩端部上，進一步的特征是，殼體結構具有不同于帶元件的溫度膨脹系數。
34.根據權利要求
2所述用于測量機械壓力的設備，其中上述諧振帶元件包括第一和第二端部，且進一步包括(g)第一和第二端壁以及至少一個圍繞一個垂直于且在上述兩端之間的縱軸的相鄰側壁，形成具有內表面的盒體;(h)連接裝置，用于將張力作用下的上述諧振帶的第一和第二端部固定在所述第一和第二端壁的內面上;(i)置于所述相鄰側壁和機械壓力之間的墊片，用于將所述的機械壓力從各端壁分離出并僅將機械壓力傳遞給所述側壁，所述力是與所述縱軸同軸傳遞的。
35.根據權利要求
3所述設備，包括具有一內腔的諧振空心梁結構，用于通過傳遞一流體壓力而測量該壓力，還包括有分隔該流體壓力源與該諧振空心梁內腔的處于平衡狀態(tài)的一種汽化物。
36.如權利要求
1所述的設備，進一步包括用于中斷在轉換器與電驅動裝置之間電連接的裝置。
37.如權利要求
2所述的設備，進一步包括與驅動裝置進行電連接的終端裝置，用于遠距離傳輸電信號和振蕩諧振元件設備的絕緣。
38.如權利要求
37所述設備，進一步包括中斷在轉換器與電驅動裝置之間的電連接的裝置。
專利摘要
一個由光驅動并受壓力作用的電磁振蕩諧振元件傳感器，其中，被驅動的光能和根據壓力而產生的光傳輸信號被沿著單一光纖傳輸很遠的距離。供給能的一部分用來驅動振蕩機構；而另一部分則由諧振元件的斷續(xù)作用反射給頻率探測器。這種設備可以構成電驅動光檢測式、光驅動電檢測式或兩種驅動檢測一起用的結構，在過去的、現今的、以及未來的過程控制系統(tǒng)中，有著極大的改裝靈活性和適應性。
文檔編號G01L1/10GK85104639SQ85104639
公開日1986年12月10日 申請日期1985年6月15日
發(fā)明者奧爾森, 布朗, 奇蒂 申請人:?？怂共悸骞緦С鲆腂iBTeX, EndNote, RefMan