专利名称:改进的光纤遥测传感器的制作方法
本发明涉及光纤通讯和测量设备，特别是用来测量物理量的受光激励的振荡式谐振元件设备。
为了便于清楚地理解本发明，现给出某些词的定义。在此所用的“辐射能(radiant energy)”包括波长在1000埃至100，000埃之间相干能和非相干能，尤其包括红外线、紫外线和可见光能量。这种辐射能可以被称为“稳定波(steady wave)或“连续波(continuous wave)(CW)”，以区别于载有信息的辐射能信号。“调制”在此为广义，而是指改变载波某些特征的过程，使它随另一信号的瞬时值而同步变化，特别是幅值调制。这里反谓的“稳定”辐射能是指基本上具有恒定强度的辐射能;即强度无短暂变化且具有基本不变的谱分布。关于载有信息的光信号，术语“断续”和“间续”用于说明调制光和产生调制的装置。“流体(fluid)”包括气体或液体。术语“镀银的”在这里一般用来说明金属反射面层，或其等同物。“半镀银的”用来说明具有透射和反射特征的膜层，而且透射与反射的比例可能一个高于另一个。术语“力”是用来描述任何能够移动物体或改变其运动的物理量或现象，特别是包括压力及任何能够转换成压力的参量或现象。“马达”用它的广义，即指能移动物体的一个设备。术语“转换器”用来描述一个将能量从一种形式转换成另一种形式的装置，本文所用的“光电转换器”和“电光转换器”等术语专指用于将辐射能变为电能和电能变为辐射能的一类装置。“悬臂梁”指的是一类机械的或其它传感器，其中梁元件的一端固定，梁之件可以谐振。这样悬臂梁元件可以是空心的，此时被称为“谐振空心梁”元件或结构。
由于光纤通讯的优点和工业过程控制已广为人所了解，所以日益强调的重点放到了各种简单、经济、可靠的传输方法上，以便将低辐射能经光纤送至传感器一方，进行所需的测量，并经光纤通道将所测信息回送到控制和检测站。需要利用少数低光能的光通道以及精确地、可靠地传送测量信息的一些方法，以便将所得的测量信息利用光纤信号进行精确地传输，这就是过程控制系统设计者所面对的许多问题中的一项。
众所周知，拉紧线的谐振频率是线上张力的函数。而且力测量仪可以利用这一关系，使线受一加于其上的未知力拉紧而振动，测量其振动频率，如美国专利第4，329，775号所述。类似地，如果对振动的空心梁结构内部施加变化的压力，其谐振频率就随压力的变化而变化。在光纤技术领域：
中，已知对在两成一直线的光纤元件间的光通道进行周期性地部分阻断的振动元件将“断续”地让光通过第二个光纤元件。
也已知道，能够将一束稳定光导入第一光纤元件，进行调制(例如，声调制)，再通过第二光纤元件使其返回到邻近于其光源的一点上(美国专利第4，345，482号和4，275，295号)。最近有这样说法可以沿第一光纤元件发送脉冲光束驱动一条振动线元件，沿第二光纤元件将一束稳定光送到对该稳定光由振动进行调制的地方，将被调制的光沿第三光纤元件通道反射回去，便可测得振动频率。然后便可测得调制频率。改变振动线上的拉力，可使返回的光能随线上的拉力而有规律地变化〔见琼斯(Jones，B.E.)和菲利普(G.S.Phip)“用光纤连接的测力振荡线传感器”一文，文件号05.1，传感器和其应用，UM IST曼彻斯特(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。)〕琼斯(Jones)和菲利普(Philp)的方案表示在图2中。在他们建议的仪器中，在一固定柱与一压力膜之间将细线拉紧。细线置于一个永久磁铁两极之间，线的两个终端经过一个匹配变压器与光电二极管1进行连接。如果具有交变强度的光通过光纤到达光电二极管，从而产生交变电流流过细线，那么细线就在垂直于电流和磁场所定平面的平面内，以与光强度变化频率相等的频率振动。细线的振动由邻近振动平面内的两条平行光纤所测得。这两条光纤中的第一条被馈入控制器中发光二极管2所发出的正常恒定强度的光，该光在传感头外一离开光纤就照射细线。一些光被反射回而进入第二条光纤，并被送回控制器。返回光的强度是细线相对于光纤端部位置的函数。因此，当细线振动时，与振荡同相的交变光强度经第二光纤返回控制器。该信号在控制器内被放大，其电输出的一部分用来与细线同相谐调地驱动发光二极管1;第三条光纤将此同相光信号传送到传感头处，该信号在那里被转换成振荡驱动功率，维持振荡。
这些及以前的由光纤装置进行遥测和通讯的方法一般需要多光通道，复杂的电路和/或用于谐振元件的独立振荡能源。
本发明涉及的是发现一束单一稳定辐射光束能够被振荡的或谐振的元件同时断续和反射。
本发明将一束稳定的辐射能光束沿第一条通道传至一辐射能检测传感元件，该元件与一可振谐振元件相邻，以使谐振元件周期性地至少部分地阻断照射到谐振元件上的辐射能通道，当谐振元件阻断辐射能通路时，沿同一通道向相反方向反射回稳定辐射能光束的一部分，利用检测到的辐射能可使谐振元件继续维持振荡，即在谐振元件没有阻断辐射能源的时，该辐射能被允许到达光电转换器，在转换器输出端产生电流。
根据已知原理对电流进行相移，并用来起振和维持谐振元件的振荡。在本发明振荡器部分的振动线或带的方案中，经过相移的电流根据已知的电磁定律被施加在悬于磁场中张紧的线或带元件的端部，使线或带开始振荡并以线或带的谐振频率继续振荡。在另一种谐振空心梁的方案中，传感器的输出被相移并施加给电能机械能转换器，以引起并维持振荡。周期性地被反射的辐射能的强度随谐振元件的频率同步变化。通过含有可将振荡被反射的辐射能的可测部分从第一个稳定辐射能通道沿第二通道偏传给遥测器的装置，振荡辐射能的频率(因而也是谐振元件频率)能够由常规装置所测得。对谐振元件施加一个力，其频率就随力的振辐而变化，由此便可远距离测力。
当然，将物理现象或参量转变成上述所加的力，便可测量各种各样的物理现象。适于用作谐振元件的细长装置的例子包括有张紧的细线或带状元件、双或单音叉、铃，其它的悬臂结构，和双悬臂装置。
为了编码和传递更多的信息，输入光纤通道的稳定辐射(或光)能既可以具有宽谱也可以具有特定的有限谱，而且由振动元件返回的光也可以是具有宽谱的或特定的有限谱的，这样由单一信道传送信息就具有很大的灵活性。本发明其它实施例还包括例如在限定的空间内设置至少一对相互分开的谐振器，每个谐振元件设计成测量各自不同的物理。使用两个谐振器和一条光纤通道，将稳定的辐射能传给两个振荡式谐振器，而且光线的反射部分以不同的波长滤除，然后再合成，沿同一光纤通道返回到一个译码器。这种滤光过程可以由常规滤光器来完成或由附在谐振元件上以将限定波长的光能沿光纤通道反射回去的多涂层反射元件来完成。这里用的“多涂层”是由多层具有特定反射率的介质所构成的被覆层。这样的被覆层根据涂层的排列可以是(按光谱)高通、带通、或低通，其选择方法属于一般光学技工的知识范围。在译码器处的光束分离器(或其等同物)可从长波能中分离出短波能，接着就可测出表示被测物理量的振荡频率。可以利用大批相似的多用途结构，其组合根据不同的被测物理量加以限制，其数量根据区别和鉴别辐射能波长的能力加以限制。根据本发明对单光纤通道的一些组合包括频率和超范围指示，位置和限位，远近温度和压力，压力和/或差压和另一些变量如温度，以及在特定装置中所需的变量等等。
因此，本发明的一先进目的是提供一种在远离利用或观察信号的地点测量一个或多个物理现象的方法，并且使这些测量到的信号基本上不受环境影响或对一般环境影响有抵抗力。
本发明的一个优点是用单条光纤通道同时传送振荡源能和谐振信号。
本发明的另一优点是可以容易而准确地测量许多种物理量。
本发明还有一个优点是能够用单光纤信道传送许多信号信息能和振荡源能。
本发明的另一个优点是，由于光纤所传递的编码通讯不大依赖于辐射能的大小，所以即便有宽带光的幅值噪声存在也只要提供最少的足够能量就可有效地进行测量。
本发明的再一个优点是有效地完全隔离并免除射频干扰(RFI)。
本发明再一个优点是消除检测元件侧与控制室之间引起接地环路电流的导电通道。
本发明的再一优点是显著地降低了对向控制系统的电子器件和控制部分传递强电磁脉冲能的导电体的担忧。
这里所揭示的本发明的再一优点是免除了在危险环境中与电流相关的爆炸事故。
本发明的再一个优点是免除了闪电所选成的事故。
所述本发明一个实施例的优点是非常容易与光的或电的连接相适应，甚至使得在对旧控制设备采用新技术和/或集成或结合电光能技术有更大的通用性。
本发明的再一个优点是对光信号可以很容易地进行多路传输，以便在非常少的通道上传输多路信号。
本文所述的本发明的再一个优点基于这样的事实，即振荡式谐振元件部分可靠地自启动。
本发明的再一个目的是容易适应在恶劣的环境条件下工作，如具有腐蚀性的环境。
本发明的再一个优点是关于其简单概念和设计的特点，于是昂贵的、复杂的、固有可靠性不佳的电路可由经济的、简单的、可靠的电路取代之。
本发明的再一个优点是，由于测量是基于频率进行的，所以避免了由于通道损耗(如光纤弯曲损耗)所引起的测量误差。
本发明的另一个尤为有利的目的是在遥远的测量点不需要本地能源来起振和维持振荡。
本发明的再一个优点是，制造、校准、安装和投入常规运行本发明装置都很简单经济。
本发明的再一个优点是，由于以光为基础，现场传感器只有极少量的电子元件，即传感器部分不需要以硅为基础的大器件。
本发明的其它目的和优点，在以下对最佳实施例和其它实施例结合附图的说明中是不而喻言的。
这里所揭示的本发明的许多优点，只要仔细审阅作为本发明一部分的几张附图，就可清楚得知。实线箭头表示稳定或CW(连续)光能的传播方向，虚线箭头表示脉动的或已被调制的光的方向。所有附图中，相同的标识符表示相应的部分图1是本发明的简略方框图;
图2是接近本发明所作的相关工作的状态的基本示意图;
图3是本发明基本谐振线振荡传感器部分的简化示意图;
图4是本发明基本谐振空心梁振荡传感器实施例的简化图;
图5是本发明另一实施例的双谐振子传感器的简化示意图;
图6表示可用于本发明的辐射能部分光谱分布并且示出两个离散的可用带通曲线;
图7是本发明压力室结构的简化示意图;
图8是本发明温度补偿压力传感器结构的简图;
图9是根据本发明温度传感器简化示意图;
图10是本发明一个简单负载室结构的示意图;
图11示出一谐振室心梁温度传感器;
图12是本发明另一实施例简图，其中含有一电子转换器，它与传感器相组合;
图13是一个实施例简图，其中既可以使用光传动，也可以使用电传动;
图14是一个时序图，示出本发明最佳实施例中信号与反馈电流的正确和不正确的关系。
参见附图，特别是图1，它示出了一个改进光纤遥测传感器设备10，它包括辐射能源装置19，稳定(或CW)辐射能通道11，包括反向光束偏转/分离器13的光束偏转装置12，双路辐射能通道14，已偏转脉动辐射能通道15，力转换装置16和传送力至振荡装置20的传输装置17，以及信号探测装置18。
对本说明来说，能源装置19是一个辐射能的稳定源，它包括相干光或非相关光，一般在大约1000至100，000埃的波长段。在本说明中“光”用来指更通用的术语-位于上述限定波长范围内的“辐射能”。稳定能在本说明中是指稳定的或连续波(CW)的能，以便区别于开关式、调制式、脉动式或断续式的能。在图1中，这个CW能被耦合到稳定辐射能通道11，它可以是单一的光导光纤或其等同物。下面将描述的光束偏转装置12沿通道11安装在远离物理量测量地点的合适控制点上。通道11在第一位置进入偏转装置12，将光能导入其中，而双辐射能通道将光能从偏转装置12的第二位置导出。同样，通道14是单一光导光纤或等同物。通道14将CW光能传入振荡装置20。振荡装置20有一个谐振频率元件，下面将一对此详细讨论。力转换装置16有效地将待测物理量转换成机械力，此力作用于振荡装置20的谐振频率元件。从本领域所熟知的许多方案中对转换装置进行的选择是完全在一般技工的能力范围内，并且随待测物理量而变化。简单地说，通过顺序通道11和14而被接收的CW光被反射，其强度随频率而变化，此频率又基于被测物理参量。这光沿通道14被传回到偏转装置12中的反向光束分离器13。光束分离器13可以是任何已知设备，它让从第一方向传来的光通过，并且偏转一部分从反方向传到其上的光。可变强度(或脉动)偏转光沿通道15被导入信号检测装置18。检测装置18是个光电传感器，可以是数种光电传感器中的一种，包括光电二极管，光电池或元件，或其等同物。
工作时，CW光沿单一的顺序通道(11，14)传入由CW光供能的振荡器20。在后面将结合图3和图4对此电路作说细的说明。与待测物理量有关的力通过转换和传送装置(16，17)作用于振荡20内的谐振元件，以产生可变频率的脉动光(与力有关)，它沿通道14被反射到远处，在那里光被偏转(12，13)沿光路15入检测器18。这样检测装置再产生与待测物理量有关的输出信号。
现在来看图3，这是遥测设备振荡装置20部分的一基本实施例简图。应当说明，虽然包括了振荡装置20的全部必要元件，但它们都是以略图的形式被表示和说明的，以体现总体，而不是以特殊的细节和结构形式。这样做是为了让本领域内一般技术人员根据自己的特殊需要来实施和应用本发明。
振荡装置20包括第一端部支撑结构21、谐振元件22、光导通道终端23、将辐射能变为电能的转换器24、绝缘子25、变压器26或其等同物，相移装置27、电互连装置28、第二端部支撑结构29、磁场源装置30、31和框架32。
框架32是用来组装部件，为钢性结构。装在框架32上的是谐振元件22，端部支撑物21、29。在本例中，用一带状元件作为谐振元件22的，此外，其它形状或截面也可使用，包括线、带或梁形构件，这些都需要不同的装配，后面将描述。当谐振元件22“断续”光时，反射面要反射光。一个端部支撑结构29包括有绝缘装置25，使谐振元件22的一端与框架32绝缘。光通道14在邻近谐振元件22的终点23处收尾。辐射能电能转换器24安装在谐振元件22的另一侧，并被谐振元件22遮挡住一部分，转换器24经连接线28与变压器26相连。变压器26的另一绕组连接于相移装置27，并通过其上的绝缘端和框架32以及对面的支撑物21连接谐振元件22的端子。磁铁30、31相等地安置在谐振元件22的两侧且与之平行。在本例中，磁铁30是北极，磁铁31是南极;只要真正满足电磁定律，如条件需要也可使用相反的磁场。安放磁铁以便产生一个垂直于谐振元件22同时也垂直于谐振元件中电流方向的磁场，使得在辐射能源(终点23)和转换器24之间的谐振元件22前后运动。在此结构中，变压器26，相位稳定器27，连接线28和磁铁30、31总的说来是包括了使谐振元件22振荡的装置。
以下解释这一装置。到达终点23的辐射能照射光电转换器24，产生电压，该电压由变压器26降压。移相电路27将驱动电流的相位移相，使电流相位在元件22的整个振荡频率范围内大于0°但小于180°(见图14)。移相电路27是一阻抗，至少由以下电抗之一形成，容抗、感抗和/或电阻。移相后的电流加到带形元件22的端子上，在谐振元件22周围产生一个磁场。由于电磁场和磁铁30、31在条带周围产生的永久磁场的相互作用，诸振元件22在磁场内，相对于从终点23射出的光束而垂直地运动。当谐振元件移动到挡住了终点23与光电转振器24之间的辐射能通路时，光电池产生的电流就减少;当谐振元件挡住了辐射能通路，辐射能就沿来时的同一源通道被反射回去。当谐振元件22遮挡辐射能通路而足以阻止产生电流时，谐振元件在应力的作用下，返回其静止位置，解除了对辐射能通路的遮挡，由此重复同样的动作，其结果维持了振荡。
图4为一空心悬臂梁光导遥测设备40，它包括振荡装置20的另一实施例，表示在虚线方框内。这个谐振腔传感器包括稳定(CW)辐射能通道11，反向光束偏转分离器13，双路辐射能通道14，偏转脉动辐射能通道15，力变换装置16，力变换传送装置17，信号检测装置18，辐射能源装置19，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，电连接装置28，斩波器41，移相电路42，(空心梁)谐振元件43，和振子装置44。
在本结构中，当用于测量压力时，力变换装置16是谐振空心梁元件43中固有的，由力变换传送装置17提供的压力使谐振空心梁元件43变硬(由此改变其谐振频率)。振荡器20的结构细节与图3中的有些不同。空心梁43的振荡受振子装置44的作用，振子装置44是一机电器件，如压电晶体元件、双层晶体元件(两个晶体元件，如钢性连接的罗谢尔盐，以用作力转换器)，或者其等同物。驱动振子的交流式脉动电能是从光电转换器24得到，它可以是光电池、光电二极管或等同物。在光纤通道终端23，辐射能射向邻近的转换器24。位于终端23与转换器24之间并且至少部分地遮挡其间的光通路的是装在空心梁谐振元件43端部的镜式或反射斩波器41。为了维持可靠振荡所需的正确相位关系，转换器24的输出在经电连接装置28的导线供给振子43之前，要经过常规的移相电路42。移相电路42根据需要至少包括下列阻抗之一容抗、感抗和/或电阻，以移动驱动电流的相角使其在元件43的整个频率范围内超过0°并保持在小于180°的范围内。
振荡元件23、41、24、43和44的实际布置要使CW辐射能由终端23射向转换器24，而后产生电信号，经过必要的相移(见上面)，供给振子装置44，使得谐振空心梁元件43从其恒定位置运动，完成电机转化。安装在谐振元件43端部的是斩波器41，用以按照谐振元件43的电机偏转情况来遮断辐射能通道。在辐射能的遮断期间，斩波器的镜式或反射部分将辐射能沿通道14反射回去。在减少驱动功率期间，谐振元件43返回其稳定位置，直至足够的辐射能可通过斩波器，又再次照射转换器产生振子驱动功率。这样激起振荡并以谐振空心梁元件的自然谐振频率维持振荡。压力(P1)的变化经传送装置17导入空心梁的空腔，并将使空心梁的刚度发生变化，从而改变其振荡频率。
仍参见图4，以CW辐射能形式提供的输入功率由能源装置19经顺序通道11和14传到终点23。斩波器41包括反射装置，可至少有效地沿着通道14传到终点23。斩波器41包括反射装置，可至少有效地沿着通道14(已讲述过)反射一部分辐射能，到反向光束偏转镜13，由此将斩波器41反射来的脉动辐射能经通道15导向信号检测器18，以确定振荡20的频率。
本发明的一个实施例包括由图5双谐振子传感器50所示方式在单光纤通道上利用多个信号的方法。这样的双谐振子传感器50元件包括能源装置19，稳定(CW)辐射能通道11，反向光束偏转镜13，第一双路辐射能通道14，第一偏转脉动辐射能通道15，传感器光束分离/合成器51，第二双路辐射能通道52，第三双路辐射能通道53，第一传感器54和第二传感器55，检测器光束分离器56，第二和第三脉动辐射能通道57和58，第一和第二检测器波长滤波器59、60，第一和第二检测器61、62和各自的第一、第二输出信号63、64，以及第一和第二传感器波长滤波器65和66。
在图5的双传感器系统中，传感器分离/合成器51将A端口输入的稳定(CW)辐射能分为两路(或更多)辐射能信号进入不同的输出通道(后面将详细讨论传感器分离/合成器51)。这样，分离/合成器的输出口B和C是彼此分开的。双路通道52和53将辐射能送给传感器54和55。在每个传感器54、55中，可见不同的波长滤波器65、66位于光纤通道52、53端点和镜式或反射面之间(双波长滤波例子示于图7中，后面将结合图7加以说明)。不同于单独的滤波器，谐振元件/斩波器的镜式或反射区域可涂覆上一层或多层极薄的、限定反射信号波长的特定波长感应膜层。每一个滤波器元件65、66(或有涂层的镜面)专门用于一不同的波长，并限制被送回辐射能的波长。传感器54和55类似于前面讲述的振荡装置20，不同的是滤波器65和66(或有涂层的镜面)限制送回的辐射能的波长，使得特定的(和不同的)波长与每个传感器54、55相联系。每一个检测器61、62的输出63、64都与被测物理量有关。
光束分离器51是一个光学器件，用于将一光束分成两个或更多单独的光束。简单的光束分离器例子有1)一块薄的透光玻璃，经常涂有半反射层，例如镀金属，以某一角度插入光束中，将光束的一部分转向不同的方向;2)两直角三棱镜沿斜面胶合在一起，其中的一个斜面上可以涂有半反射层。当一光束由此通过时，部分光束能按棱镜表面的位置和指示器光的方向所决定的角度偏转。或者，一个以上的较小光纤可接收来自至少一个较大光纤的能量，将大光纤的能量分进小光纤。任何起到以上功能的、已知的光或辐射能分离器和/或分离/合成器的等同物都可取而代之;这里举的例子仅仅是为了说明起见。
现在参看图6，这里表示了一个红外线发光二极管(IR LED)的频谱分布曲线70，其上迭加了发光二极管输出光谱中辐射能的两个离散波长的分离带通响应曲线71、72。所示带通曲线71、72是多层辐射能反射或透射涂层的合成结果。由于反射涂层对辐射能更有效，所以值得优先应用。在本例中，曲线71、72是关于经过如图5中所示的那些滤波器(59、60、65、66)之后的辐射能的。进一步的选择性(即更窄的响应曲线)可使用带有多层辐射能反射涂层或元件来取得，从而使单光纤通道上可传输多路传感器返回信号。
图7表示实施压力传感器80概念的本发明一实施例，它包括双路辐射能通道14，力变换传送装置17，在本例中为压力传递装置，如管或管道装置，谐振元件22，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，绝缘子25，变压器26，移相装置27，电连接装置28，端部支撑结构29，磁场源装置(北)30和(南)31，框架32，具有加强筋的和/或增强的中间区域83的膜片81，予压弹簧82，第一室84，压力室85，隔板86，以及端口88。
在图7实施例中，谐振元件22是拉在端部支撑结构29和膜片81之间的一根线或带，膜片81将第一室84封住，与压力室85隔开。膜片81的中间区域83被加固，用来连接谐振元件22，谐振元件22是靠驱动使膜片离开隔板86的予压弹簧82所加应力支撑住的。谐振元件22位于光纤通道终端23与转换器24之间，以使其至少可以部分地遮住二者之间的通路。压力(P1)经传送装置17被传至压力室85。磁铁30和31提供磁场，当谐振元件22通电时，该磁场使谐振元件22沿垂直于谐振元件中电流方向和磁场方向在两磁极面间来回运动。
当用于操作系统时，压力传感器80的膜片81承受代表被测物理量的压力P1。P1以与其成比例的力压向膜片81和它的控制区域83，使谐振元件22上的应力有一变化，由此其谐振频率与压力P1相应地发生变化。由辐射能产生的电信号使谐振元件以一能测定的频率振荡或振动，该辐射能是经通道14从远方辐射能源(未示出)传到通道终点23的。当辐射能(可以是光能形式)照射到转换器24时，谐振元件22通过变压器26接收一个电信号，该信号使谐振元件22在终端23和转换器24之间的光通道内外移动(在磁铁30、31所产生的磁场影响下)，以一定的速度断续到达转换器24的光，其频率与由膜片81施加给谐振元件22的应力有关。谐振元件22是有反射面或其等同物的金属带。为了将带的谐振频率反馈，以调制方式反射的光在遮断期间沿来时的同一通道14返回，并根据前面所述的方法在远方加以检测。如果测量测量计压力，则要加一外部端口88，如果测量绝对压力，该装置可以抽成真空并将口88封住。
本发明设备还可以测量温度。这有几种方法，方法的选择取决于温度测量的用途。例如，一个充气泡(如图11中121)可以与前面图4说明的设备相连，其压力变化的测量也已在那里讲述了。同样的充气泡设备可以用于增加一室腔的内部压力(如图8中所示)来测量温度。为了鉴定测量的精确性，知道温度对谐振元件的谐振频率的影响程度通常是特别有用的。图8表示了这种一般的情况，其中压力是被遥测的，压力传感器处的温度必须加以测量，以便在确定压力测量精确度时鉴定温度引起的变化程度。
图8中的测温和测压过程是由温度补偿压力传感器90的一双传感器结构完成的，它包括辐射能源装置19，稳定(CW)辐射能通道11，反向光束分离器13，第一双路辐射能通道14，第一偏转脉动辐射能通道15，传感器光束分离器/合成器51(见图5描述)，第二双路辐射能通道52，第三双路辐射能通道53，检测器光束分离器56，第二脉动辐射能通道57，第三脉动辐射能通道58，第一检测器波长滤波器59，第二检测器波长滤波器60，第一传感器波长滤波器65，第二传感器波长滤波器66，压力传感器80(见图7描述)，温度检测器93和其输出信号91(见图8)，压力检测器94及其压力输出信号92，以及温度传感器100(见图9描述)。
除了使用专门的温度和压力传感器100，80外，温度补偿压力传感器90基本上与图5中的双谐振传感器50相同。在上面已对压力传感器80作出了说明，温度传感器100(基本上与前述振荡装置20相同)表示在图9中，下面将加以说明。
如图5所示，用单一的辐射能源装置(未示出)作为沿单一通道传导的能源，在传感器80和100中分别产生代表物理量的两单独信号。这两个信号，在这里是压力和压力传感器处的本地温度，是两个不同波长的信号，并沿同一光纤通道14返回，被分别检测，以给出一个与温度有关的信号，它与压力信号可以有电联系，用来减小温度引起的压力信号误差。
图9示意地表示了一简单的温度传感器100，它特别适用于测量某一范围内的环境温度，该范围内包括有测量受温度影响的物理量，如压力的一个或多个传感器。图9包含的元件有双路辐射能通道14，端部支撑结构21，谐振元件22，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，变压器26，移相装置(电阻器)27，电连接装置28，磁场源装置30(N极)和31(S极)，框架32，反射器101，跨接线102，基座103，电气绝缘子104，以及端部支撑结构105。
谐振元件22，悬在第一和第二端部支撑结构21，105之间，承受应力，并且在端部支撑物105处由绝缘子104绝缘。与基座103的连接可使谐振元件22固定在绝缘器104和端部支撑物105上。移相装置27是用来在需要的范围内(0°至180°)调整驱动能相位的。一个挠性导电器将谐振元件22的绝缘端与变压器26的次极绕组相连。反射元件101是任选的;它用在缺少足够的光反射率或当需要更大的光效率时，以改善谐振元件22的反射性。通过选择具有不同温度系数材料的谐振元件22和框架(基座或壳体)32，可以精确地测出当地温度。谐振带22本身保持频率与温度无关。在上述结合图5所讨论的多传感器应用中，镜面可以涂覆上一层或多层辐射能频率选择涂层，以限制返回的，被断续的能量的频率响应。除了上面所述的差别外，其余部分和元件的功能完全如图3中相似设备相同。
改进的光纤遥测传感器很适于图10所示的负载室形传感器110结构，它包括双路辐射能通道14，力变换传送装置17，谐振元件22，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，电气绝缘子25，变压器26，移相装置27，电连接装置28，磁场(北)装置30和(南)装置31，负载111，负载室壳体112，第一端壁113，第二端壁114，仓室115，以及基座116。
在这个结构中，传感器的工作基本上与结合图3所做的前述说明相同，只不过被测的物理量是经力变换装置17，即凸缘或周边17，直接作用在负载室整体壳体112上(并传给整个壳体112而不是端壁113)的压力。在此附图中示出的负载111为受引力作用的某个质量。负载室110的凸缘或周边17可以是壳体112的整体部分，或者是完全单独的一件，其作用是将施加的负载力传递给壳体112的侧壁，而不是端壁113，后者将造成假的或未校准的输出读数。应当注意到，由于传感器测量负载所施加的力是按频率的变化量而不是绝对频率测量，所以负载室可以安置在任何高度或位置上，且一样可精确地测量施加的力，几乎不怎么带有或没有因其位置或高度所引起的误差。
图11是根据本发明另一实施例的具有一个充液体的泡的谐振腔温度传感器120的简略示意图，其传感器包括双路辐射能通道14，力传送装置17(部分示出)，在本例中为压力传递装置，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，电连接装置28，反射斩波器41，移相电路42，谐振空心梁元件43(部分示出)，振子装置44，以及充有流体的、温度响应容器121，其中包含有温敏流体122。可使用常规的充蒸气压技术以避免充液的温度影响。
本结构中的工作情况基本上与结合图4讲述的基本传感器振荡装置40类似，只是用了专门的力变换装置，和一个充有流体的、温敏流体容器121，它可装入任何适当的温敏流体122，气体或液体。在此装置中，力变换传送装置17可以是管或毛细管，连接于空心谐振元件43和温敏流体容器121之间，温敏流体容器可以是任意球形形状。温度变化影响容器121，使其内的流体膨胀或收缩。流体的膨胀被传给空心梁谐振元件43的空腔，引起其谐振频率的变化。
虽然已将本发明说成是需要提供光操作能并用光进行检测的，但是，如果想停止振荡，很明显可以将振荡器的机电驱动部分中断。
图12是一个简化示意图，表示本发明的适于某些用低电平信号作进一步电信号通讯的应用的一个实施例，其中包括双路辐射能通道14，端部支撑结构21，谐振元件22，光纤通道终端23，辐射能电能转换器24，变压器26，相位稳定装置27，电连接装置28，端部支撑结构29，开关131，基座132，以及绝缘子133。
基座132和绝缘子133如同前面(图3和图7)对标号25和87的装置所述一样。除开关131外，其余元件已在图3中进行了说明。开关131(SW1)是能够中断反馈信号的电信号，这样它就是一个很好的启动和终止信号装置。所为一个封闭式磁响应舌簧开关，它可成为理想的极限开关或其它振荡中断器。两个或多个常开开关可与开关131串联，或两个或多个常开关与开关131并联，以提供多中断功能。在其它位置安装附加开关，对于各种范围识别或位置测定及参考应用是有用的。或者，电信号可如图13所示的从端子134和135直接取得，并用于进一步的电通讯;此时通常为低电平信号。
图13中的实施例基本上与图12的实施例相同，只不过取消了图12中的开关(SW1)131，增加了图13中的电接点134、135，以便使设备能能直接进行电和/或光的输能/检测。这些电接触端还可以用于检测、本地指示和/或校准的目的。同样的情况在本文所述发明的其它许多实施例中也有出现。当用于电操作方式时，在端子141和135之间的搭接片140可以去除，以避免换能器的加载。可用一个开关来取代搭接片140。
最后，图14是两幅线位置与驱动电流的附图，其中图14B的驱动电流的相对相位是正确的，而移相90°(图14A中不正确)。稳定的运行由图14B表示。驱动电流只有当谐振元件反射部分不阻止光到达转换器时才存在。
权利要求
1.一种光驱动的振荡谐振元件的设备，包括(a)受应力作用的谐振元件，(b)提供辐射能的辐射能源装置，(c)单传递通道装置，该装置将辐射能沿一个第一方向导向邻近上述谐振元件的一端部，(d)能够将辐射能转换为电能的转换装置，它邻近上述谐振元件，相对于上述端部，用于产生根据上述端部射出的辐射能大小而形成的电流，(e)与上述转换器电连接的电驱动装置，使谐振元件在上述转换器与上述端部之间，以一个与谐振元件谐振频率有关的频率做横向运动，(f)反射装置，在谐振元件运动期间，与置于上述端部和上述转换器装置之间的谐振元件相关联，用于在相对于上述第一方向的第二方向上，沿着至少一部分传递通道反射至少一部分辐射能。
2.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中承受应力作用的谐振元件是一个条带。
3.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中承受应力作用的谐振元件是一个谐振空心梁结构。
4.根据权利要求
3所述的振荡谐振元件设备，其中谐振空心梁结构是悬臂式的。
5.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能的波长在103至105埃之间。
6.根据权利要求
5所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能的波长最好是从1000埃左右至4000埃左右。
7.根据权利要求
5所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能波长最好是从4000埃左右至7000埃左右。
8.根据权利要求
5所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能波长是从7000埃左右至100，000埃左右。
9.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能是非相干的。
10.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能是相干的。
11.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中传递通道装置包括一个单光纤辐射能通道。
12.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中传递通道包括一系列沿着一条单一通道的顺序辐射能通道组件。
13.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中由辐射能源装置提供的辐射能是充分稳定的和未被调制的。
14.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中上述反射装置还包括独立的与谐振元件相结合的反射元件装置，当上述反射元件至少部分地位于辐射能端部与转换器装置之间时，至少将部分辐射能沿相反方向与振荡谐振元件同步从传递通道装置反射回去。
15.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，还进一步包括具有至少第一绕组和第二绕组的变压器阻抗匹配装置，其中转换器输出电流耦合到上述的第一绕组上，而谐振元件驱动装置连接于上述的第二绕组。
16.根据权利要求
15所述的振荡谐振元件设备，还进一步包括移相装置，使驱动电流产生在0°至180°之间的相位滞后。
17.根据权利要求
1所述的振荡谐振元件设备，其中电驱动装置包括(a)磁力偏置装置，用于在上述谐振元件周围产生一个磁场;(b)将转换器装置电能输出传递给所述谐振元件各端，且让转换器输出电流流过其中以产生电磁场的装置，(c)由于上述磁力偏置装置和上述电磁场相互作用导致谐振元件在上述转换器装置与上述辐射能端部之间运动的装置。
18.根据权利要求
3所述的振荡谐振元件设备，其中电驱动装置包括(a)压电振子装置，将电能变为谐振元件的机械运动，(b)将转换器的电能输出传递给上述压电振子的装置。
19.在包括有一个受应力作用的谐振元件、辐射能驱动源、以及将与压力有关的信号值回送的装置的光驱动振荡谐振元件设备中，测力方法包括(a)将一辐射能通道装置的源端接受一束稳定的该辐射能，(b)将上述稳定辐射能沿第一方向从上述通道导向远方谐振元件设备，(c)既而，利用上述被传递的辐射能间歇地以振荡方式驱动谐振元件，并沿另一相反方向，从所述通道至少反射回部分辐射能，其中电能是在辐射能不被反射并用来维持上述谐振元件振荡时由辐射能转换成的。
20.根据权利要求
19所述的方法，其中通过在一基本不变的磁场中电磁场的相互作用引起谐振元件的振荡。
21.根据权利要求
19所述的方法，其中将电场直接作用于压电元件而产生机械应力，将谐振元件置于该机械应力下，引起谐振元件的振荡。
22.根据权利要求
19所述的方法，其中反射辐射能脉冲的频率与施加在谐振元件上的应力值有关，并且还包括检测被反射的辐射能以指示应力值的步骤。
23.在包括一受应力作用的谐振元件、辐射能驱动源、以及回送许多与压力相关的信号量的装置的光驱动振荡谐振元件设备中，该方法包括(a)将辐射能通道装置的一个源端置于一束稳定辐射能之下，该辐射能是具有许多波长的，且至少包括第一和第二波长;(b)将上述辐射能的稳定光束沿一方向从上述通道传递到分光器，该分光器将辐射能分入多个独立通道;(c)将辐射能从上述多个独立通道中的至少一个通道传递给远方谐振元件装置;(d)或者，利用上述的被传递的辐射能以振荡方式间歇地驱动至少一个谐振元件，并且将从至少一部分辐射能中选出的某一波长的能量在另一相反方向沿从所述通道至少部分反射回去，其中电能是在辐射能不被反射并用来维持上述谐振元件的振荡时由辐射能转换的。
24.根据权利要求
23所述的方法，其中通过一基本不变的磁场中电磁场的相互作用引起谐振元件的振荡。
25.根据权利要求
23所述的方法，其中将电场直接作用于压电元件而产生机械应力，将谐振元件置于该机械压力下，引起谐振元件振荡。
26.根据权利要求
23所述的方法，其中将被反射的辐射能按波长选择地转向，并被检测以指示出应力值。
27.一远距离检测与至少一个物理量有关的多个应力的光驱动传感器，包括(a)一提供辐射能的辐射能源装置，(b)置于远离上述辐射能源装置并受到至少两个与至少一个物理量有关的应力作用的多个振荡谐振元件，(c)单传递通道装置，用于从上述能源装置沿第一方向传输辐射能，(d)将上述单传递通道分为多个传递通道的装置，(e)多个传递通道装置，用于将辐射能沿每个上述的传递通道传至与每个上述谐振元件相邻的各终端装置，(f)与每个通道和每个端部相关联的单独的转换器装置，邻近于每个上述谐振元件且与各相应端部相对，用于根据从各相应端部发出的辐射能产生电压，(g)单独的电驱动装置，用于使每个谐振元件在其相应的转换器与各端部间作横向运动，以断续到达转换器的辐射能，(h)在每个上述谐振元件上的反射面，用于通过沿与第一方向相对的第二方向从至少一部分传递通道反射回至少一部分辐射能，从而调制辐射能，(i)选择地按波长将从每个上述谐振元件返回的辐射能进行分离的装置，(j)检测与每个上述谐振元件相关的返回辐射能调制频率的装置。
28.如权利要求
27所述设备，其中选择地按波长分离辐射能的装置包括波长选择滤波器元件，来自各谐振元件的辐射能通过其中。
29.如权利要求
27所述设备，其中所述的选择地按波长分离辐射能的装置包括在每个谐振元件反射面上的一个不同波长选择涂覆层。
30.根据权利要求
2所述的设备，用于检测流体压力，其中所述谐振带元件有第一和第二端，并且还包括(g)形成一个刚性盒体的外壳，该外壳有至少一个在具有至少一个垂直于且连接于其的侧壁的围绕式盒体内的端壁，(h)与上述端壁一定距离的应力膜片，上述膜片包括连接于上述谐振带元件第一端的基座装置，并在上述盒体内划分了第一和第二空腔，使上述第一空腔被封闭且包括上述端壁、通气孔、和至少一部分所述壁侧，第二空腔被封住，与第一空腔隔开，(i)流体压力源装置，用于将压力传递给所述第二空腔和所述膜片;其特征在于，上述谐振带元件的第二端连接于第一空腔内盒体的上述端壁的内表面，并且此上述谐振带上的纵向张力施加于上述膜片上的压力作相应的变化。
31.根据权利要求
30所述用于测量绝对压力的设备，其中第一空腔被抽成真空且被密封。
32.根据权利要求
30所述用来测量仪表压力的设备，其中第一空腔放入大气。
33.根据权利要求
2所述用于测量温度的设备，进一步包括具有互相相对的第一和第二端部的壳体，谐振带元件的各端连接于该两端部上，进一步的特征是，壳体结构具有不同于带元件的温度膨胀系数。
34.根据权利要求
2所述用于测量机械压力的设备，其中上述谐振带元件包括第一和第二端部，且进一步包括(g)第一和第二端壁以及至少一个围绕一个垂直于且在上述两端之间的纵轴的相邻侧壁，形成具有内表面的盒体;(h)连接装置，用于将张力作用下的上述谐振带的第一和第二端部固定在所述第一和第二端壁的内面上;(i)置于所述相邻侧壁和机械压力之间的垫片，用于将所述的机械压力从各端壁分离出并仅将机械压力传递给所述侧壁，所述力是与所述纵轴同轴传递的。
35.根据权利要求
3所述设备，包括具有一内腔的谐振空心梁结构，用于通过传递一流体压力而测量该压力，还包括有分隔该流体压力源与该谐振空心梁内腔的处于平衡状态的一种汽化物。
36.如权利要求
1所述的设备，进一步包括用于中断在转换器与电驱动装置之间电连接的装置。
37.如权利要求
2所述的设备，进一步包括与驱动装置进行电连接的终端装置，用于远距离传输电信号和振荡谐振元件设备的绝缘。
38.如权利要求
37所述设备，进一步包括中断在转换器与电驱动装置之间的电连接的装置。
专利摘要
一个由光驱动并受压力作用的电磁振荡谐振元件传感器，其中，被驱动的光能和根据压力而产生的光传输信号被沿着单一光纤传输很远的距离。供给能的一部分用来驱动振荡机构；而另一部分则由谐振元件的断续作用反射给频率探测器。这种设备可以构成电驱动光检测式、光驱动电检测式或两种驱动检测一起用的结构，在过去的、现今的、以及未来的过程控制系统中，有着极大的改装灵活性和适应性。
文档编号G01L1/10GK85104639SQ85104639
公开日1986年12月10日 申请日期1985年6月15日
发明者奥尔森, 布朗, 奇蒂 申请人:福克斯布洛公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan