[发明专利]光学测量设备

说明书

技术领域

本发明关于过程测量技术和分析领域，尤其关于用于测量周期信号的光学测量设备。

背景技术

在过程测量技术和分析传感器中，越来越频繁用到光学测量方法。在这些方法中，当光学信号碰到测量对象时其幅度和/或相位发生改变，且该改变的信号被光学传感器检测到。这种类型的光学测量方法的应用示例是测量液体或物质的氧含量或氧饱和度，其中例如，燃料被之前确定的波长、幅度和相位的光信号照射，且分析从该燃料反射的冷光。当燃料中氧浓度改变时，该冷光的淡出时间改变以及由此接收到的光信号的幅度和相位也会改变。经过合适的校准，接收到的光信号的幅度和相位由此是氧浓度的度量。

这种类型的测量设备在许多领域中必须有用，设计简单，且针对外部和内部影响和副作用尽可能地抗干扰。例如，它们被用在有爆炸风险的领域且由此必须消耗尽可能最少能量，由此由相对不复杂或简单的组件组装成。此外，通过使用可靠、规模制造的低成本商业化组件，还必须考虑经济约束。

出于这个目的，不同组件的功能被频繁捆绑成微控制器；也就是说，除了数据处理微处理器之外，其他数字或模拟组件、周边功能或接口也被集成到微芯片。当其他模拟或数字组件例如电压源电路或驱动电路被用在光学测量设备的微控制器的外部时，对某些组件的直接干扰可能发生；或者由于源自电源线的寄生效应，可能导致间接干扰。因此测量信号被篡改了或它们的估计受到不利影响，由此整个测量设备的功能被损害。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种光学测量设备，其中大程度避免对电子组件的直接或间接干扰，这能够以低成本容易实现，且可以实现可靠测量。

该目的通过权利要求1的主题实现，从属权利要求描述了有利的形式和实施方式。

根据本发明，用于测量周期信号的设备包括光源，用于根据由驱动设备基于第一时钟脉冲生成的电输入信号生成指向被测对象的光输入信号；光接收器，用于检测从被测对象接收的信号并将其转换成电测量信号，该从被测对象接收的信号对应于相位和幅度交变的光输入信号；中央控制和测量设备，其被设计用于生成用于驱动设备的第一时钟脉冲和接收并处理该电测量信号；以及电压源装置，用于给驱动设备供电，其中该中央控制和测量设备被设计用于生成用于该电压源装置的第二时钟脉冲以及基于第一和/或第二时钟脉冲过滤该电测量信号；其中第二时钟脉冲的频率是第一时钟脉冲频率的偶数倍。第二时钟脉冲精确的是第一时钟脉冲以及由此是电测量信号的偶数倍这一同步性的结果是，经由电源线直接对光源的干扰或由于寄生效应(例如控制和测量单元与电压源装置或驱动设备之间的电源线之间的电容)导致的干扰被有效消除。

尤其有利的是将光源配置为LED或激光。这种光源是大规模制造且低成本可得。

还有利的是将电压源装置配置为电荷泵。电荷泵通过电容以及通过周期性转换开关的方式传输电荷，由此可能的是生成不同水平的电输出电压。在简单的示例中，电荷泵被馈送直流电压并生成两倍大小且具有相同极性的直流电压作为输出。对于周期性转换，振荡器用于这种电荷泵，或周期性开关脉冲必须从外部提供。在本发明的情况中，周期性开关信号能够由控制和测量单元提供，且工作在例如2V的简单DC电压源装置能够用作DC电源。当电荷泵由第二时钟脉冲操作时，到驱动设备的功率线导致干扰，这对用于光源的电测量信号造成负面影响。根据本发明相对于第一时钟脉冲频率适当选择的第二时钟脉冲频率的结果是，这种干扰被滤除。

尤其优选的是中央控制和测量设备包括锁定放大器。锁定放大器也称为相敏整流器或载波-频率放大器，其能够测量已知频率和相位的参考信号调制的弱交变电信号。由此锁定放大器代表极其窄带带通滤波器且由此改进信噪比(SNR)。

在本发明中，尤其有利的是中央控制和测量设备被配置为微控制器且该微控制器包括适合集成的模拟或数字锁定放大器。

还有利的是控制和测量单元包括脉宽调制(PWM)发生器。该PWM发生器也可以是微控制器的集成组件。特别地，可能以这种方式用于驱动驱动设备的第一时钟脉冲由PWM发生器形成为方波信号。为此，在微控制器自身的微处理器中不需要执行任何的计算来生成期望的信号。由此PWM发生器的使用对于资源和能量两者来说都是节省的。中央控制和测量设备还能够有利地包括CMOS开关或CMOS转换开关，以控制第一和/第二时钟脉冲。