專利名稱：光碼變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種光纖傳感器。
目前在石油化工領域，對危險液體液位的檢測通常采用傳統(tǒng)的人工觀測儀表的方式進行，隨著科學技術的不斷發(fā)展，近期出現(xiàn)了利用光纖通迅技術，它是光、機、電集于一體，主要由機械傳動部分、光纜光電器件、碼盤等部件構成。它固然可以實現(xiàn)對危險液體液位的檢測，但是這種儀表的機械傳動容易出現(xiàn)卡帶、斷帶、打滑問題，其次是由于密封不嚴，油、水或蒸汽、或灰塵等容易滲入內腔造成對光路污染，導致光的斷路或光強的耦合效率低、損耗增大以及安裝調試困難等，因此給使用者帶來不便。除此之外，僅靠兩光纖光纖端面相對校準對直的耦合方式，對光源的利用率太低，因而，影響長期使用的可靠性。
本實用新型目的在于提出一種由非接觸式磁耦合器，機械編碼盤、光路耦合器、光纖連接器、主被動軸和光纜密封頭所組成的裝置，它可與軸的轉角和軸的轉速這一類型的測量儀表配套使用，從而可以達到對危險環(huán)境的壓力、流量、液位安全檢測的目的。解決了現(xiàn)有技術的困難。
本實用新型所采用的技術方案在于提出一種通過機械接口傳遞來的信號以非接觸磁耦合方式帶動被動軸上垂直安裝的編碼盤的轉動，隨著被動軸的轉動，編碼盤外沿的輻射狀齒或缺口便周期性地遮擋著兩個光路耦合器形成光脈沖，由此將產(chǎn)生的光信號通過光纖、光纜傳送到安全區(qū)域進行數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)對石油化工領域的壓力、流量、液位的安全檢測。
本實用新型的結構，主要包含有殼體、機械接口部件、磁耦合器、光纜密封頭、光路耦合器、光源、光檢測器和光纖連接器所組成。
本實用新型是光、機、電集于一體的一種光纖傳感器。它是與軸的正反向轉角、軸的轉速一類的測量儀表配套使用的。如膜合壓力表、渦輪流量計、鋼帶液位表等，即它是一種都適用于靠指針在刻度盤轉過的角度或靠齒輪組合的機械碼度量數(shù)據(jù)的測量儀表的光碼變送器。對不同的測量儀表，僅改動光碼變送器的機械接口、外殼尺寸和編碼盤的精細度即可。上述儀表配用光碼變送器后，不僅對原儀表的性能沒有任何影響，而且擴展了其功能；同時也可以將被測量靠光纜把數(shù)據(jù)以光(脈沖)碼的形式傳到遠離現(xiàn)場的調度室或值班室或機房，進行數(shù)字化處理，特別是，被測現(xiàn)場和信號傳輸途中是不帶電的無電流、無電壓、無熱源系統(tǒng)，安全可靠。適合石油、化工等易燃易爆環(huán)境下使用；配用光碼變送器后，可以多參量(壓力、流量、液位等)多點(眾多的被測點)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)計算機的現(xiàn)代化管理。


圖1是本實用新型的結構圖；圖2是本實用新型的光纖端頭組裝微型透鏡的原理圖；圖3是本實用新型的光路耦合器原理圖4是本實用新型的光路耦合器與編碼盤的裝配示意圖；圖5是本實用新型的實施例結構示意圖。
現(xiàn)在，結合上述附圖來說明本實用新型的具體實施方案。
光碼變送器外形結構如圖1所示。螺孔(8)，主動軸(9)，軸承(10)，撥桿(2)，銜接孔(27)是與儀表配套的機械接口部件，當主動軸(9)由配套儀表的轉軸或鏈輪通過撥桿(2)帶動運行時，固定在主動軸(9)另一端的磁耦合環(huán)的磁力線透過隔板(18)與被動軸(22)上的磁耦合環(huán)相連接，組成了磁耦合器，因而形成兩環(huán)之間的磁力吸引，另外，環(huán)上的磁片(19)，N，S極相間排列，它們之間又有一種磁的扭轉力矩與軸線垂直，因此主被動軸之間雖然是間斷的，非接觸式的，但靠磁力的吸引和扭轉耦合在一起，保持同步隨動狀態(tài)。兩個磁片組環(huán)分別以中間隔板(18)為對稱，間距為1－10mm。每個環(huán)上鑲鉗2－10只永磁體，每只直徑3～20mm，厚1～10mm，磁體材料用鋇、鍶鐵氧體，釹鐵硼等永磁材料均可，需用高矯頑力磁場磁化，并做老化處理，表面度鎳或涂膠。隔板(18)可用抗磁金屬材料或剛性非金屬材料制成，厚度為0.3～5mm。是用螺釘把它與密封墊圈(17)固定在殼體(16)上。
殼體(16)、(26)是由銅或鋁制成。光纜入口是靠螺紋將密封墊(12)與光纜(13)外皮擰緊擠壓密封。外殼(16)、(26)間亦靠螺扣擰緊密封圈(21)密封。這樣一來，使得被動軸(22)和固定在它上面的編碼盤(6)和被動軸(22)的端頭的磁體組環(huán)(19)，兩只光路耦合器(5)、四只光纖連接器(23)以及密封光纜頭(15)同被密封在殼體內，保證其內部諸器件不受外來的灰塵、水、油和油水汽的污染。
光纜密封頭(15)，是將一段光纜外皮長5－20mm與相鄰剝去一段外皮的多芯光纖長5－20mm灌膠膠合在一起，可用環(huán)氧樹脂或硫化橡膠或聚氨脂橡膠均可，膠體直徑10－20mm。
編碼盤(6)的軸心與被動軸(22)的軸心重合，編碼盤是靠螺釘固定在一起，它是由金屬材料或其非金屬剛性材料制成，厚0.1－5mm，直徑20－300mm，在它的外沿均勻地加工成輻射狀的齒和缺口，齒和缺口的尺寸大小相等；也可以做成輻射狀的黑白透射光柵，其條紋和空白均勻一致。它們的長度1－10mm，一個齒和相鄰的缺口，或者一個條紋與一個相鄰的空白光柵為一個碼，在編碼盤的范圍內，一個碼周期，在碼盤上占的角度最小數(shù)值取決于計量儀表要求的分辯率和微型透鏡組公共焦點F光斑斷面直徑的最小值，本實用新型最小角度可達0.08度。
光路耦合器(5)，結構如圖4所示，它是由兩只如圖2所示的光纖端頭組裝成微型透鏡(1)、(4)、(3)相對組裝為如圖3所示的，外加固定架(28)成為圖4的結構。光纖連接器(23)，傳到圖2中的光纖端頭，經(jīng)微型透鏡(3)，將光纖端頭發(fā)散角11.5°～15°的光聚焦，焦距f1，在2.5～50mm范圍內。將同樣的另一只光纖端頭組裝微型透鏡，與前一只相對放置，如圖3所示，用微調架調到兩微型透鏡的焦點重合為一，此時，自左側耦合到右側的光處于最佳狀態(tài)。右側，光通過微型透鏡(3)進入光纖端頭傳到焊接的光纖連接器(23)，進入長距離光纜到終端的光功率計或光電檢測器PIN。圖3所示的結構，由螺釘和膠固定在金屬架(28)上即為完整的光路耦合器(5)。采用同樣安裝方法，將另一個光路耦器(5)調好，其焦距為f2。微型透鏡可以選用0.29節(jié)距的自聚焦透鏡，球透鏡和棒透鏡均可。亦可用平凸棒透鏡。自左側光纖端頭到右側檢測終端，光的損耗在1.5db－7.0db(傳通率20％～70％)之間。金屬管(4)的直徑3～10mm，長5～30mm。兩只光路耦合器垂直編碼盤的平面，固定在它的外沿，并使碼盤的機械碼橫切兩只公共焦點f1和f2。兩只光路耦合器，在園周上相差機械碼周期的［(2n＋1) (π)/2 ］倍，其中n＝0，1，2…；當一個編碼盤轉動時，齒或光柵條紋橫切光路耦合器(5)的公共焦點F時，光路被其切斷，當缺口或光柵空白條橫切耦合器(5)的公共焦點F時，光路被接通。由于兩只光路耦合器(5)相差 (π)/2 的奇數(shù)倍，所以輸出的兩路光脈沖信號亦相差 (π)/2 ，以此作為二次表計數(shù)、判向的原始數(shù)據(jù)。
光纖連接器(23)是光通信無源器件，已被國內外普遍采用。本實用新型為便于現(xiàn)場安裝調試，在光碼變送器密封殼體(16)、(26)內，引用四只光纖連接器(23)，它們分別被焊接在兩只光路耦合器(5)的四個光纖端頭和光纜密封頭(15)的四根光纖端頭中間。每一個傳輸損耗小于0.5db。
光碼變送器可以與美國Varec公司的2500鋼帶液位表或北京儀表四廠國產(chǎn)化的UZG－100系列的鋼帶液位表配用。在圖5中，(11)是鋼帶液位表的鏈輪，(20)是鋼帶表的后蓋，(8)是螺釘。安裝時，首先卸下鋼帶液位表的后蓋(20)，用四只螺釘將后蓋(20)與光碼變送器外殼(16)固定在一起，它們的螺孔，孔距、螺釘都是根據(jù)鋼帶表原來的尺寸設計的。然后，對準鏈輪(11)上的園柱(7)與撥桿(2)使其吻合，上緊后蓋(20)，安裝完畢。當鋼帶液位表工作時，液位的起伏帶動穿孔鋼帶連接的浮子和鏈輪(11)升降和正反向轉動。由于鏈輪(11)與光碼變送器主動軸(9)以園柱(7)和撥桿上的孔(27)相連，故主動軸跟隨鏈輪同速同向運轉。磁耦合組(19)，又使被動軸上的編碼盤(6)與鏈輪也處于同步轉動狀態(tài)。因此編碼盤隨時將液位變量給出相應的碼數(shù)，這些碼數(shù)又隨時由兩只相差(2n＋1) (π)/2 的光路耦合器(5)，通過光纖連接器(23)，光纜(13)傳到遠離被測現(xiàn)場的值班室或調度室或機房進入二次表或主控計算機進行任意的數(shù)字化處理，從而獲得檢測結果。
權利要求1.一種由機械外殼、編碼盤、光源和光纜組成并與測量儀表配套使用的光碼變送器，其特征在于它包含有一個機械接口，磁耦合組(19)、編碼盤(6)、光路耦合器(5)、主動軸(9)、被動軸(22)、光纖連接器(23)、密封件、光源LED和光電檢測器PIN所組成，當它處于檢測狀態(tài)時，測量儀表通過機械接口帶動垂直裝有一個磁耦合環(huán)(19)的主動軸轉動，以磁耦合方式帶動一端垂直安裝有另一個磁耦合環(huán)(19)和另一端垂直安裝有一個編碼盤(6)的被動軸(22)轉動，由于光碼盤(6)的轉動，使其帶齒和缺口的外沿周期性地遮擋兩個光路耦合器(5)的光路，由此產(chǎn)生的光脈沖信號經(jīng)光纜傳遞出光纖連接器(23)，然后通過光纜輸?shù)娇刂剖疫M行數(shù)據(jù)處理，最后給出檢測結果。
2.按照權利要求1所說的光碼變送器，其特征在于所說的機械接口，它包括有螺孔(8)、撥桿(2)和銜接孔(27)。
3.按照權利要求1所說的光碼變送器，其特征在于所說的磁耦合組(19)，它包括有兩個磁耦合環(huán)和一個隔板(18)，每一個環(huán)上安裝有2－10個永磁體，其直徑為3－20毫米，其厚度為1－10毫米，兩環(huán)之間的間隔為1至10毫米。
4.按照權利要求1所說的光碼變送器，其特征在于所說的光路耦合器(5)是由兩個光纖端頭微型透鏡(1)、(4)、(3)相對組合而成，其公共焦點F的斷面直徑為0.1至0.5毫米，焦距f1為2.5至50毫米，兩個光路耦合器之間相差機械碼周期(2n＋1) (π)/2 的角度。
5.按照權利要求4所說的光碼變送器，其特征在于所說的透鏡，可以選用0.29節(jié)距的自聚焦透鏡，或球透鏡、或棒透鏡或平凸棒透鏡。
6.按照權利要求1所說的光碼變送器，其特征在于所說的編碼盤(6)，其軸心與被動軸(22)的軸心重合，其厚度為0.1－5毫米，直徑為20－300毫米范圍，其外沿被均勻地加工成輻射狀的齒和缺口，齒和缺口的尺寸大小相等，也可以加工成輻射狀的黑白透射光柵，其條紋和空白均勻一致，它的長度為1－10毫米，一個齒和相鄰的缺口，或一個條紋與一個相鄰的空白光柵為一個碼。
7.按照權利要求1所說的光碼變送器，其特征在于所說的密封件是指密封圈(12)、(17)、(21)和光纜密封頭(15)。
8.按照權利要求6所說的光碼變送器，其特征在于所說的密封圈(12)、(17)和(21)是用丁基橡膠或氯丁橡膠或聚氨脂橡膠制成，密封頭(15)是用環(huán)氧樹脂，或硫化橡膠，或聚氨脂橡膠制成。
9.按照權利要求1至7所說的光碼變送器，其特征在于所說的外殼是由外殼(16)和外殼(26)部分組成。
專利摘要本實用新型屬于一種與機械測量儀表配套使用的光纖傳感器。它主要由機械接口、磁耦合器、編碼盤、光路耦合器、光纖連接器、密封件、光纜以及主被動軸所組成。當它處于工作狀態(tài)時，檢測儀表的轉動，帶動了主動軸的轉動，通過非接觸式的磁耦合使得被動軸的轉動，由此固定在被動軸上的編碼盤不斷周期性切斷光路從而產(chǎn)生了光脈沖信號，經(jīng)光纖傳輸和數(shù)據(jù)處理，便可獲得檢測結果。本實用新型是不帶電的無源系統(tǒng)，安全可靠，因此適用于對易燃易爆的現(xiàn)場檢測。
文檔編號G01D5/26GK2175409SQ93244900
公開日1994年8月24日 申請日期1993年11月22日 優(yōu)先權日1993年11月22日
發(fā)明者孫德興, 陳守六, 劉瑞昌, 潘潮, 金亨煥 申請人:中國科學院聲學研究所