一种光纤端子装置及数据传输系统的制作方法

1.本发明涉及数据传输技术领域，具体涉及一种光纤端子装置及数据传输系统。


背景技术：

2.物理参数是工业现场的重要数据来源，一般包括温度、压力、流量、位移等物理量，各类物理参数由不同传感器测量和转换为电/光信号进行传输。目前，通常使用电传感传输技术进行传输，由于各物理量的单位、测量范围各不相同，现地传感器通常将其变送为标准模拟电流(4-20ma)或电压信号(0-5v)，以方便传输和计算。相比电压信号，电流信号具有安全性高、传输距离远和抗干扰性强等特点，因此工业现场普遍使用4-20ma模拟电流作为传感数据的标准传输信号。
3.但是，电传感传输技术在采用硬接线电缆传输模拟电流信号时，电流信号传输过程容易因强磁干扰而导致信号失真的问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中存在的电传感传输技术在采用硬接线电缆传输模拟电流信号时，电流信号传输过程容易因强磁干扰而导致信号失真的问题，从而提供一种光纤端子装置及数据传输系统。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种光纤端子装置，该光纤端子装置包括：壳体，内部设置有安装腔；电磁发生组件，设置在所述安装腔中；所述电磁发生组件适于与现地传感器的输出电流连接；向所述电磁发生组件通入所述输出电流后，所述电磁发生组件产生感应磁场；光纤组件，设置在所述安装腔中；所述光纤组件包括传输光纤，所述传输光纤至少部分位于所述感应磁场中。
6.可选地，所述电磁发生组件包括：电接线柱，设置在所述安装腔中并伸出所述壳体；所述电接线柱适于与所述现地传感器的输出电流连接；载流线圈，与所述电接线柱连接；向所述载流线圈通入所述输出电流后，所述载流线圈产生所述感应磁场。
7.可选地，所述传输光纤穿过所述载流线圈后向外输出。
8.可选地，所述壳体上设置有第一开口和第二开口，所述第一开口和所述第二开口均与所述安装腔连通；所述光纤组件还包括：光纤接线端口，设置在所述第一开口；所述光纤接线端口与所述传输光纤的输入端连接；光纤输出端口，设置在所述第二开口，所述光纤输出端口与所述传输光纤的输出端连接。
9.可选地，所述光纤组件还包括：若干光纤准直器，沿所述传输光纤的传输路径设置在所述安装腔中。
10.可选地，所述光纤组件还包括：磁光晶体探头，设置在所述载流线圈中，且所述磁光晶体探头设置在所述传输光纤的传输路径上。
11.可选地，所述安装腔中填充有磁场屏蔽层，所述磁场屏蔽层由高磁导率材料组成。
12.可选地，所述磁场屏蔽层的内部设置有磁场约束层，所述磁场约束层由低于空气
磁导率的材料组成，所述磁场约束层至少包覆所述光纤组件和电磁发生组件。
13.可选地，所述磁场约束层内部设置有磁场增益层，所述磁场增益层由稳定的高磁导率材料组成，所述磁场增益层设置在所述磁光晶体探头周围，用于增益所述载流线圈在所述磁光晶体探头周围的磁场强度。
14.可选地，所述壳体上设置有固定卡槽，多个所述光纤端子装置的所述固定卡槽适于通过滑轨连接，多个所述光纤端子装置构成光纤端子组。
15.本发明实施例提供了一种数据传输系统，该数据传输系统包括：波分复用器、工业传输光缆、光学辅助装置以及如上述实施例任一项所述的光纤端子装置；所述光学辅助装置的一端通过所述工业传输光缆、波分复用器与所述光纤端子装置中传输光纤的输入端连接，所述光学辅助装置的另一端通过所述工业传输光缆与波分复用器连接，所述波分复用器与所述光纤端子装置中传输光纤的输出端连接。
16.本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：
17.1.本发明实施例提供了一种光纤端子装置，该光纤端子装置包括：壳体，内部设置有安装腔；电磁发生组件，设置在所述安装腔中；所述电磁发生组件适于与现地传感器的输出电流连接；向所述电磁发生组件通入所述输出电流后，所述电磁发生组件产生感应磁场；光纤组件，设置在所述安装腔中；所述光纤组件包括传输光纤，所述传输光纤至少部分位于所述感应磁场中。
18.在工作过程中，电磁发生组件用于接入现地传感器的输出电流，电磁发生组件通入所述输出电流后，在光纤端子装置内部产生微弱磁场。基于光纤微弱电流传感原理传输光纤输出偏振光模拟信号，偏振光模拟信号受微弱磁场影响，偏振光会形成偏振角。经磁场调制后的偏振光模拟信号经光电探测器处理后，实时计算现地传感器的测量值。并且，在现地传感器工作过程中，当待测物理参数变化时，现地传感器的输出电流增大，使得内部磁场增强，根据法拉第磁光转换原理，光偏振角也随之增大。随后，通过光学辅助装置测量工业光缆内的光偏振角，从而计算各物理参数值。如此设置，基于光纤微弱电流传感原理，构建现地传感器电信号的光传感传输通路，提高传感数据传输过程的抗电磁干扰能力。与现有电传感传输技术相比，抗干扰能力强、传输距离远、适应性强。同时，能够实现各类电传感信号的就地汇聚，大幅减少现场到信号汇聚装置的硬接线电缆长度和数量，实现彻底的分布式测量。
19.2.本发明实施例通过由高磁导率材料组成磁场屏蔽层，磁场屏蔽层可以用于屏蔽外界环境的电磁干扰，保证电流信号测量的准确性。并且，由略低于空气磁导率的材料组成磁场约束层，可以用于约束载流导线在线圈内部的激励磁场，减少磁场的随机泄漏，保证电磁转换过程的灵敏度稳定。同时，由稳定的高磁导率材料组成磁场增益层，可以用于增益载流线圈在磁光晶体探头周围的磁场强度，增加光纤端子中电-磁-光转换的灵敏度。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例光纤端子装置的整体结构示意图；
22.图2为本发明实施例光纤端子装置的侧视图；
23.图3为本发明实施例光纤端子装置的外观示意图；
24.图4为本发明实施例多个光纤端子装置构成光纤端子组的示意图；
25.图5为本发明实施例数据传输系统的示意图。
26.附图标记：
27.1、电接线柱；2、磁场屏蔽层；3、磁场约束层；4、磁场增益层；5、传输光纤；6、磁光晶体探头；7、光纤接线端口；8、光纤准直器；9、载流线圈；10、信号汇聚装置；11、工业传输电缆；12、端子接线箱；13、现地传感器；14、波分复用器；15、工业传输光缆；16、光学辅助装置；17、光纤输出端口。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.物理参数是工业现场的重要数据来源，一般包括温度、压力、流量、位移等物理量，各类物理参数由不同传感器测量和转换为电/光信号进行传输。因此，传感数据传输技术可按照传输信号类型分为模拟光信号、模拟电信号、数字光信号和数字电信号，其中模拟信号属于传感传输技术，数字信号属于通信传输技术。
33.现对各类传感器数据传输技术阐述如下：1)电传感传输技术，由于各物理量的单位、测量范围各不相同，现地传感器通常将其变送为标准模拟电流(4-20ma)或电压信号(0-5v)，以方便传输和计算。相比电压信号，电流信号具有安全性高、传输距离远和抗干扰性强等特点，因此工业现场普遍使用4-20ma模拟电流作为传感数据的标准传输信号。2)光传感传输技术，该技术使用光缆传输光学传感器输出的模拟光信号。该模拟光信号由各类物理量调制其光学特征(如强度、波长、频率和相位等)，经光纤送入光电探测器后测量其光学特征，最后经信号处理装置计算出被测物理量。相比电传感传输技术，光传感传输技术具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等特点。3)光/电通信传输技术，随着芯片和通信技术的发展，部
分工业现场使用“智能传感器+通信光缆”或“普通传感器+远程io+通信光缆”(传输距离较近时使用电缆)完成物理参数的测量、采样和传输，是完成现场数据数字化传输的典型方案。该技术采用光缆作为物理参数的传输通路，具有抗干扰能力强、信号容量大、传输距离远等特点。
34.现有数据传输技术各自具有以下缺点：1、电传感传输技术，采用硬接线电缆传输模拟电流信号时，a)各传感器到控制柜需要逐一布线，现场硬接线数量繁多，增加了现场布线和检修工作量。b)电流信号传输过程容易因强磁干扰而导致信号失真，现场传感器到控制柜等信号汇聚装置的距离也一般较远，若采用屏蔽电缆进行电磁屏蔽，将极大增加现场铺线成本。c)电流信号在进入信号汇聚装置前，都需经过电学接线端子进行转接，由此造成接线繁琐的现场问题。2、光传感传输技术，该技术通过光纤和光路复用可实现单光缆的多路物理量传输，有效解决电传感传输技术所面临的诸多问题。然而，该传输技术必须绑定光学传感器，即传感器输出信号必须为光模拟信号，因此其应用价值也受限于光学传感器的使用场景，如光纤传感器难以应用于密闭污染环境。同时，许多工业设备在出厂前已将电学传感器集成在设备中，如水轮发电机的热电偶测温探头，一般不具备重新安装光纤传感器的现实条件。3、光/电通信传输技术，该技术在工业现场使用时，智能传感器或远程通信io需要使用工业级芯片模组和高防护等级外壳，增加了现场设备成本、供电要求、维护成本，故障率也较高。同时，该技术是由传感器或远程io完成模拟信号的数字采样，后采用工业协议封装后传输，最终由信号汇聚装置完成信号解码。在此机制下，传感数据会因冲突监测、信道占用、协议解析等过程产生非确定性时延，难以满足时间敏感性场景的信号传输要求。
35.总之，各数据传输技术各有优劣，技术1应用最为广泛，突出缺点为抗电磁干扰能力差、布线繁多；技术2具有无延时、抗干扰、容量大等优势，受限于光纤传感器的使用场景，其场景应用的普适性较差；技术3在工业现场也已应用较多，但相比于传感传输技术，具有较高成本和数据传输不确定性。
36.本发明涉及工业现场传感器的数据传输领域，具体涉及一种光纤端子装置及数据传输系统。本发明用于将工业传感器的标准输出电流转换为模拟光信号，实现各类物理参数的就地汇聚和低时延确定性传输。此外，本装置可用于替代工业现场使用的电学接线端子，以及为实现数字化传输而设置的远程io等采集装置，大幅减少现地硬接线长度和数量，提高传感数据传输时的抗干扰能力，实现彻底的分布式测量。
37.实施例1
38.如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种光纤端子装置，该光纤端子装置包括壳体、电磁发生组件以及光纤组件。
39.具体地，在本发明实施例中，壳体内部设置有安装腔，电磁发生组件设置在所述安装腔中，所述电磁发生组件适于与现地传感器13的输出电流连接。在工作时，现地传感器13向所述电磁发生组件通入所述输出电流后，所述电磁发生组件产生感应磁场。光纤组件设置在所述安装腔中，所述光纤组件包括传输光纤5，所述传输光纤5至少部分位于所述感应磁场中。
40.在工作过程中，电磁发生组件用于接入现地传感器13的输出电流，电磁发生组件通入所述输出电流后，在光纤端子装置内部产生微弱磁场。基于光纤微弱电流传感原理传输光纤5输出偏振光模拟信号，偏振光模拟信号受微弱磁场影响，偏振光会形成偏振角。经
磁场调制后的偏振光模拟信号经光电探测器处理后，实时计算现地传感器13的测量值。并且，在现地传感器13工作过程中，当待测物理参数变化时，现地传感器13的输出电流增大，使得内部磁场增强，根据法拉第磁光转换原理，光偏振角也随之增大。随后，通过光学辅助装置16测量工业光缆内的光偏振角，从而计算各物理参数值。如此设置，基于光纤微弱电流传感原理，构建现地传感器13电信号的光传感传输通路，提高传感数据传输过程的抗电磁干扰能力。与现有电传感传输技术相比，抗干扰能力强、传输距离远、适应性强。同时，能够实现各类电传感信号的就地汇聚，大幅减少现场到信号汇聚装置10的硬接线电缆长度和数量，实现彻底的分布式测量。
41.进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述电磁发生组件包括电接线柱1和载流线圈9，电接线柱1设置在所述安装腔中并伸出所述壳体，所述电接线柱1适于与所述现地传感器13的输出电流连接。载流线圈9与所述电接线柱1连接，向所述载流线圈9通入所述输出电流后，所述载流线圈9产生所述感应磁场。同时，所述传输光纤5穿过所述载流线圈9后向外输出。载流线圈9的圈数不固定，可根据实际测量需求增减线圈数目，以定制不同分辨率的光纤端子装置。
42.在工作过程中，电接线柱1用于接入现地传感器13的输出电流，电流经载流线圈9进入光纤端子装置，并在装置内部产生微弱磁场。基于光纤微弱电流传感原理传输光纤5输出偏振光模拟信号，受微弱磁场影响，偏振光会沿载流线圈9的圆周方向发生旋转，偏振面与载流线圈9的轴向方向形成偏振角。经磁场调制后的偏振光模拟信号经光电探测器处理后，可以实时地计算现地传感器13的测量值。
43.进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述壳体上设置有第一开口和第二开口，所述第一开口和所述第二开口均与所述安装腔连通。所述光纤组件还包括光纤接线端口7和光纤输出端口17，光纤接线端口7设置在所述第一开口，所述光纤接线端口7与所述传输光纤5的输入端连接。光纤输出端口17设置在所述第二开口，所述光纤输出端口17与所述传输光纤5的输出端连接。光纤接线端口7和光纤输出端口17用于连接和固定传输光纤5。
44.进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述光纤组件还包括若干光纤准直器8，若干光纤准直器8沿所述传输光纤5的传输路径设置在所述安装腔中。例如，光纤准直器8可以设置在光纤接线端口7处，沿传输光纤5的传输方向，光纤准直器8可以设置在载流线圈9的末端，还可以设置在光纤输出端口17。
45.当然，本实施例仅仅是对光纤准直器8的设置位置进行举例说明，但是并不加以限制，本领域技术人员可由根据实际情况进行改变，能够起到相同的技术效果即可。
46.进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述光纤组件还包括磁光晶体探头6，磁光晶体探头6设置在所述载流线圈9中，且所述磁光晶体探头6设置在所述传输光纤5的传输路径上。在工作过程中，偏振光模拟信号经光纤准直器8进入磁光晶体探头6。光纤端子装置中磁光晶体探头6的长度不固定，长度越长，光纤端子装置中磁-光转换的灵敏度越高、线性度越低。
47.当然，本实施例仅仅是对磁光晶体探头6的长度进行举例说明，但是并不加以限制，本领域技术人员可由根据实际情况进行改变，能够起到相同的技术效果即可。
48.进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述安装腔中填充有磁场屏蔽层2，所述磁场屏蔽层2由高磁导率材料组成，例如镍基合金。所述磁场屏蔽层2的内部设置有磁场
约束层3，所述磁场约束层3由低于空气磁导率的材料组成，例如铁氧体。所述磁场约束层3至少包覆所述光纤组件和电磁发生组件。所述磁场约束层3内部设置有磁场增益层4，所述磁场增益层4由稳定的高磁导率材料组成，例如铁铝合金所述磁场增益层4设置在所述磁光晶体探头6周围，用于增益所述载流线圈9在所述磁光晶体探头6周围的磁场强度。
49.本发明实施例通过由高磁导率材料组成磁场屏蔽层2，磁场屏蔽层2可以用于屏蔽外界环境的电磁干扰，保证电流信号测量的准确性。并且，由略低于空气磁导率的材料组成磁场约束层3，可以用于约束载流导线在线圈内部的激励磁场，减少磁场的随机泄漏，保证电磁转换过程的灵敏度稳定。同时，由稳定的高磁导率材料组成磁场增益层4，可以用于增益载流线圈9在磁光晶体探头6周围的磁场强度，增加光纤端子中电-磁-光转换的灵敏度。
50.可选地，所述壳体上设置有固定卡槽，多个所述光纤端子装置的所述固定卡槽适于通过滑轨连接，多个所述光纤端子装置构成光纤端子组，用于构建多路光传感信号的传输通路。
51.实施例2
52.如图5所示，本发明实施例提供了一种数据传输系统，该数据传输系统包括：波分复用器14、工业传输光缆15、光学辅助装置16以及如上述实施例任一项所述的光纤端子装置。本实施例中,以光纤端子装置的长度为30mm，高度为60mm，宽度为110mm举例说明。所述光学辅助装置16的一端通过所述工业传输光缆15、波分复用器14与所述光纤端子装置中传输光纤5的输入端连接，所述光学辅助装置16的另一端通过所述工业传输光缆15与波分复用器14连接，所述波分复用器14与所述光纤端子装置中传输光纤5的输出端连接。如图5所示，数据传输系统还包括依次连接的信号汇聚装置10、工业传输电缆11、端子接线箱12以及现地传感器13。
53.在工作过程中，经磁场调制后的光模拟信号会经波分复用器14、工业传输光缆15传输至光学辅助系统，由其中的光电探测器进行测量后，将计算结果实时传输至显示器进行显示。具体地，当待测物理参数变化时，现地传感器13的输出电流增大，磁场增益层4内磁场增强，根据法拉第磁光转换原理，光偏振角也随之增大。随后，通过光学辅助装置16测量工业光缆内的光偏振角，从而计算各物理参数值。
54.在本发明实施例中，光纤端子组接入多路电流信号并转换为多路光模拟信号，现场使用时一根工业传输光缆15，工业传输光缆15内包括多根光芯，并采用波分复用器14实现一个光芯传输多路信号。
55.本发明实施例提供的光纤端子装置用于替代工业现场使用的电学端子、远程io等采集装置，实现彻底的分布式测量。并且，通过引入磁感应强度和物理参数的测量判据，能够动态匹配物理参数的测量需求，从而使得传输数据的可靠性更高，装置应用场景更广。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。