專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量距離、位移和機(jī)械作用的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及距離、位移以及力的測(cè)量。本發(fā)明尤其涉及由于諸如牽引或壓縮的機(jī)械力引起的位移以及產(chǎn)生所述位移的相關(guān)力的測(cè)量。更詳細(xì)地說(shuō)，本發(fā)明涉及通過(guò)使用光傳感器對(duì)位移和力的測(cè)量。更進(jìn)一步，本發(fā)明涉及通過(guò)使用包括低成本光纖元件的光傳感器和/或傳感器對(duì)位移和力的測(cè)量。最后，本發(fā)明涉及用于測(cè)量距離、位移以及力的方法、設(shè)備以及系統(tǒng)，所述設(shè)備和系統(tǒng)包括低成本光傳感器和/或傳感器。
背景技術(shù)：
最近幾年，為提供適用于以非?？煽康姆绞綔y(cè)量和/或檢測(cè)機(jī)械力和位移的設(shè)備而投入大量開(kāi)發(fā)工作。隨著設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展和提出，基于非常復(fù)雜的電子組件的系統(tǒng)和設(shè)備成為最廣泛使用的設(shè)備和系統(tǒng)。這尤其歸因于集成電路部分的發(fā)展以及開(kāi)發(fā)非常復(fù)雜功能的電路尺寸的相應(yīng)減小，使得能夠提供非常小的適用于不同的目的且適用于在非常惡劣的條件下的電子傳感器。例如，已知的電子傳感器其尺寸小于幾立方毫米。另外，在計(jì)算裝置領(lǐng)域，尤其是在適用于在始終較短時(shí)間內(nèi)精確非常大數(shù)量數(shù)據(jù)的軟件領(lǐng)域中的最近發(fā)展使得能夠以自動(dòng)且可靠的方式精確由電子傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。最后，包含制造電子傳感器成本的電子系統(tǒng)成本的降低使得所述電子傳感器能夠用于一些目的和應(yīng)用。
但是，盡管電子傳感器能夠提供上述所有的優(yōu)點(diǎn)，所述電子傳感器仍具有缺點(diǎn)。影響電子傳感器的最相關(guān)的缺點(diǎn)來(lái)自于操作電子傳感器需要電流這一事實(shí)?？梢岳斫庠谟辛ψ饔迷陔娮觽鞲衅魃蠒r(shí)，流經(jīng)該傳感器的電流受到作用于其上的力的影響，這樣電流的變化可以被檢測(cè)并用于獲得作用于該傳感器上的力的強(qiáng)度的指示。但是，流經(jīng)電子傳感器的電流也可受到外部環(huán)境的影響，從而致使在不利環(huán)境下應(yīng)用的電子傳感器的可靠性降低，所述不利環(huán)境諸如在雷暴期間暴露于靜電放電的結(jié)構(gòu)中或處于電磁噪聲的工業(yè)廠房中。另外，在高度易燃材料的存儲(chǔ)區(qū)域中使用電子傳感器是困難或是有風(fēng)險(xiǎn)的。最后，由于觸電死亡的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)出現(xiàn)，因此一些電子傳感器也不適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
因此，考慮到以上說(shuō)明的問(wèn)題，期望提供一種能夠解決或減少上述問(wèn)題的技術(shù)。尤其期望提供適合于在暴露與靜電放電的結(jié)構(gòu)中和/或在嘈雜的工業(yè)廠房中或甚至在高度易燃材料的存儲(chǔ)區(qū)域中使用的傳感器。同樣，期望提供用于測(cè)量和/或檢測(cè)力、適合于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的傳感器。另外，期望提供具有成本低、重量輕、尺寸小且侵入力最小的特征的傳感器。還期望提供用于可靠測(cè)量力和位移目的、可以與低成本、簡(jiǎn)單且眾所周知的設(shè)備結(jié)合使用的傳感器。
近些年，為克服影響電子力測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)已作出了一些嘗試。尤其，在近些年，為測(cè)量力及由力產(chǎn)生的位移的光傳感器的發(fā)展已付出了許多努力。這些光傳感器中的多數(shù)都基于這樣的考慮通過(guò)估計(jì)力的作用對(duì)經(jīng)由光學(xué)路徑傳輸?shù)墓獾挠绊憗?lái)測(cè)量和/或檢測(cè)力，上述力直接或間接地作用于所述光學(xué)路徑。尤其，很多光傳感器的工作原理是基于在光學(xué)路徑的輸出處檢測(cè)的光電流的變化是由于在測(cè)試下的力造成的鏈路衰減的變化的結(jié)果。實(shí)際上，可以觀察到在光學(xué)路徑的輸出處檢測(cè)的光電流與作用在所述機(jī)械路徑上的機(jī)械應(yīng)力之間可以建立某種關(guān)系。但是令人遺憾的是，已知的光傳感器都具有缺點(diǎn)并且其中的一些不像期望的那樣可靠。最后，很多已知的光傳感器的組裝和制造也是相當(dāng)麻煩，并且因此相當(dāng)昂貴。
因此期望提供能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的光傳感器的諸如可靠性低、應(yīng)用范圍窄、成本高的缺點(diǎn)同時(shí)保持令人滿意的靈敏度的光傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明是基于這樣的考慮力，尤其是諸如牽引和/或壓縮的機(jī)械力和/或作用力可以利用通過(guò)光學(xué)路徑的光的變化來(lái)檢測(cè)和/或測(cè)量，該變化由所述機(jī)械作用在所述光學(xué)路徑上的直接或間接作用而造成。尤其，本發(fā)明的工作原理是基于這樣的考慮由于作用在所述機(jī)械路徑上的機(jī)械力而造成的光學(xué)路徑長(zhǎng)度的變化造成經(jīng)由該光學(xué)路徑傳輸?shù)墓庑盘?hào)的相位移動(dòng)和/或改變，所以，如果所述光信號(hào)在離開(kāi)所述光學(xué)路徑時(shí)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，則光學(xué)路徑長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致所述電信號(hào)相位的移動(dòng)和/或改變，從而與沒(méi)有任何機(jī)械作用作用在其上時(shí)的電信號(hào)的相位不同。因此，如果使用一條第二路徑，稱(chēng)為參考路徑，所述第二路徑適于發(fā)出參考電信號(hào)且不會(huì)受到作用在光學(xué)路徑(傳感路徑)上的機(jī)械作用，則離開(kāi)傳感光學(xué)路徑的電信號(hào)將具有與離開(kāi)參考路徑的電信號(hào)不同的相位，而這種差別與作用在傳感光學(xué)路徑上的機(jī)械作用造成的長(zhǎng)度的變化相關(guān)。因此，通過(guò)在傳感路徑和參考路徑的輸出處比較信號(hào)的相位，能夠確定傳感路徑長(zhǎng)度的變化以及與該變化相關(guān)的作用在傳感光學(xué)路徑上的機(jī)械作用。盡管這種檢測(cè)方法看起來(lái)原理十分普通，但是其顯示出在檢測(cè)和/或測(cè)量力，尤其是諸如牽引或壓縮的機(jī)械力的目的上十分可靠。另外，這種檢測(cè)方法允許實(shí)施適于改進(jìn)測(cè)量的分辨率、靈敏度、精確性和可靠性的組件。另外，當(dāng)為實(shí)現(xiàn)傳感光學(xué)路徑的目的而使用諸如聚合物光纖(POF)的光纖時(shí)，除了與其他類(lèi)型的光纖共有的優(yōu)點(diǎn)之外，還在成本上具有優(yōu)點(diǎn)，所述共有的優(yōu)點(diǎn)諸如重量輕、侵入力最小、抗電磁干擾以及不會(huì)燃燒或爆炸。最后由于對(duì)機(jī)械公差的更少要求以及使用低成本的資源和光電檢測(cè)器的可能性，產(chǎn)生了進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)和/或測(cè)量方法可以在不利環(huán)境的情況下使用，所述不利環(huán)境諸如電磁噪聲的工業(yè)廠房?jī)?nèi)、高度易燃材料的存儲(chǔ)區(qū)域中、在雷暴期間暴露于靜電放電的結(jié)構(gòu)中以及通常紀(jì)念碑或藝術(shù)品的監(jiān)視。根據(jù)本發(fā)明沒(méi)有電流流經(jīng)傳感器的傳感區(qū)域，因此該傳感器對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也是理想的，避免了觸電死亡的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明依靠復(fù)雜但相當(dāng)廉價(jià)的傳感器的網(wǎng)絡(luò)也能夠同時(shí)控制多個(gè)傳感點(diǎn)或區(qū)域(和相應(yīng)的傳感器)。另外，如果使用適當(dāng)?shù)能浖?，則能夠利用諸如TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制傳感器。
也可以理解，與一些現(xiàn)有技術(shù)的光傳感器相反，根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)方法(以及，相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)傳感器)不需要中斷(interrupt)光纖(諸如在基于光的反射和/或吸收的光傳感器的情況下)，所以根據(jù)本發(fā)明的全部的光傳感器和檢測(cè)裝置和/或設(shè)備能夠更好地與灰塵、雨水等隔離，從而使本發(fā)明的檢測(cè)傳感器和/或設(shè)備尤其適于戶外應(yīng)用。
基于上述考慮，提供一種適用于檢測(cè)作用在所述傳感器上的外部機(jī)械作用的光傳感器，所述傳感器包括至少一條傳感光學(xué)路徑，該光學(xué)路徑適用于傳輸至少一個(gè)傳感光信號(hào)并發(fā)出至少一個(gè)傳感輸出電信號(hào)；和至少一條參考路徑，該參考路徑適用于發(fā)出至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)。另外，所述至少一條光學(xué)路徑的至少一段適用于暴露于外部機(jī)械作用下，以便經(jīng)由所述傳感光學(xué)路徑的所述傳感光信號(hào)的傳輸能夠被改變，結(jié)果使所述傳感電信號(hào)和所述參考電信號(hào)之間出現(xiàn)相移。
尤其，本發(fā)明的第一實(shí)施例涉及一種如權(quán)利要求1所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述至少一條參考路徑包括移相裝置，適用于在沒(méi)有任何機(jī)械作用施加在所述至少一條傳感光學(xué)路徑上時(shí)使所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)和所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)之間的相移保持在一恒定值。
根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求2所述的光傳感器，即光傳感器還包括用于收集所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)并發(fā)出進(jìn)一步的電參考信號(hào)的裝置，所述進(jìn)一步的電參考信號(hào)相對(duì)于所述輸出參考電信號(hào)在相位上移動(dòng)了約90°。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求5所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述光學(xué)路徑適用于傳輸至少兩個(gè)具有相應(yīng)不同波長(zhǎng)的光傳感信號(hào)，所述兩個(gè)傳感光信號(hào)中僅一個(gè)信號(hào)進(jìn)入所述至少一傳感段。另外，所述光學(xué)路徑進(jìn)一步包括適用于接收所述至少兩個(gè)傳感光信號(hào)并將所述至少兩個(gè)傳感光信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)相應(yīng)輸出傳感電信號(hào)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求6所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述至少一條光學(xué)路徑的至少一段具有預(yù)先確定的長(zhǎng)度，適用于根據(jù)作用在所述至少一段上的機(jī)械作用而改變。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求10所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述至少一條光學(xué)路徑包括光發(fā)射裝置，適用于接收至少一個(gè)輸入傳感電信號(hào)并將所述至少一個(gè)輸入傳感電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)傳感光信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求17所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述至少一條參考路徑包括適用于傳輸至少一個(gè)參考光信號(hào)的參考光學(xué)路徑，和適用于接收所述至少一個(gè)光參考信號(hào)并將所述至少一個(gè)光參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)參考電信號(hào)的光接收裝置。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求20所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述至少一條傳感光學(xué)路徑的所述至少一段包括至少兩條彼此平行設(shè)置且通過(guò)曲線段連接的直線段。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求21所述的光傳感器，即具有如下特征的光傳感器所述光傳感器包括多個(gè)傳感光學(xué)路徑，各傳感光學(xué)路徑適用于傳輸至少一個(gè)相應(yīng)傳感光信號(hào)并發(fā)出至少一個(gè)相應(yīng)傳感輸出電信號(hào)，各傳感光學(xué)路徑包括適用于暴露在外部機(jī)械作用下的至少一段。另外，所述光傳感器包括一條適用于發(fā)出至少一個(gè)電信號(hào)的參考路徑。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求22所述的測(cè)量設(shè)備，即用于測(cè)量和/或檢測(cè)機(jī)械作用的測(cè)量設(shè)備，包括至少一個(gè)如權(quán)利要求1至21中任意一項(xiàng)所述的光傳感器和適用于測(cè)量所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)和所述至少一個(gè)參考電信號(hào)之間的相移的測(cè)量裝置。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，提供一種如權(quán)利要求24所述的測(cè)量設(shè)備，即包括第一測(cè)量裝置和第二測(cè)量裝置的測(cè)量設(shè)備，所述第一測(cè)量裝置適用于收集所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)和所述至少一個(gè)參考電信號(hào)并發(fā)出第一輸出電信號(hào)，所述第二測(cè)量裝置適用于收集所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)和相對(duì)于所述參考電信號(hào)在相位上移動(dòng)90°的參考電信號(hào)并發(fā)出第二輸出電信號(hào)，以便所述至少一個(gè)參考電信號(hào)和所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)之間的相移能夠根據(jù)所述輸出電信號(hào)的全部或其一的振幅而被測(cè)量。
根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求26所述的測(cè)量設(shè)備，即具有如下特征的測(cè)量設(shè)備所述測(cè)量裝置包括適用于將所述電信號(hào)混頻并發(fā)出電信號(hào)的混頻裝置，并且所述測(cè)量裝置包括適用于接收所述電信號(hào)并發(fā)出電信號(hào)的低通濾波器。
還根據(jù)本發(fā)明，也提供一種如權(quán)利要求32所述的測(cè)量方法，即用于測(cè)量機(jī)械作用的測(cè)量方法包括提供如權(quán)利要求1至21中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，以便所述至少一條光學(xué)路徑的至少一段暴露于所述機(jī)械作用下；使至少一個(gè)傳感光信號(hào)進(jìn)入所述至少一條傳感光學(xué)路徑的所述至少一段并將所述光信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出傳感電信號(hào)。另外，該方法包括使所述至少一條參考路徑發(fā)出所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)；改變所述至少一個(gè)輸出電信號(hào)的相位以便在沒(méi)有任何機(jī)械作用施加在所述至少一條傳感光學(xué)路徑上時(shí)將所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)和所述至少一個(gè)參考電信號(hào)之間的相位差保持在一恒定值；以及測(cè)量所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)之間的相移。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，也提供一種如權(quán)利要求33所述的測(cè)量方法，即一種測(cè)量方法，包括將所述至少一條光學(xué)路徑的至少一段的相對(duì)端固定到固定裝置，以便作用在所述段上的機(jī)械作用導(dǎo)致所述段長(zhǎng)度Ls改變，從而在所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)和所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)之間產(chǎn)生相移。
仍根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，涉及一種如權(quán)利要求41所述的測(cè)量方法，即一種方法，包括在沒(méi)有任何機(jī)械作用作用在所述至少一條光傳感路徑的至少一段上時(shí)測(cè)量所述輸出電傳感信號(hào)和所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)之間的相移。
進(jìn)一步，本發(fā)明的其他實(shí)施例由所附權(quán)利要求限定。


本發(fā)明更多的優(yōu)點(diǎn)、目的、特征以及實(shí)施例在所附權(quán)利要求書(shū)中得到限定，并且參考附圖在以下描述中變得更加明顯。在附圖中，相同的特征和/或組成部分使用相同的參考編號(hào)。在圖中
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備和光傳感器的第二實(shí)施例的示意圖；圖3為適合于與根據(jù)本發(fā)明的光傳感器結(jié)合使用并且適合于在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量裝置的示意圖；圖4示意地描述了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的輸出信號(hào)與傳感信號(hào)和參考信號(hào)間的相位差δ的相關(guān)性；圖5示意地描述了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的又一實(shí)施例；圖6為根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的又一實(shí)施例的示意圖；圖7示意地描述了根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的又一實(shí)施例；圖8為根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的又一實(shí)施例的示意圖；圖9示意地描述了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備的實(shí)施例，該測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)多個(gè)光傳感器并因此允許檢測(cè)作用在相應(yīng)多個(gè)傳感區(qū)域的多個(gè)機(jī)械作用。
具體實(shí)施例方式
盡管本發(fā)明結(jié)合以下在具體實(shí)施方式
和附圖中說(shuō)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是應(yīng)該理解，以下具體實(shí)施方式
和附圖不旨在將本發(fā)明局限于所公開(kāi)的特定說(shuō)明性實(shí)施例，而是所描述的說(shuō)明性實(shí)施例僅僅示例了本發(fā)明的多個(gè)方面，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
當(dāng)用于檢測(cè)和/或測(cè)量諸如牽引和/或壓縮的機(jī)械作用時(shí)，本發(fā)明被認(rèn)為具有特殊優(yōu)勢(shì)。據(jù)此，在以下給出的例子中，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的相應(yīng)實(shí)施例被用于檢測(cè)牽引和壓縮以及由該牽引和/或壓縮引起的位移。但是，需要注意的是根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的使用不限于對(duì)牽引和壓縮以及引起的位移的檢測(cè)和/或測(cè)量；相反，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備也可以用于測(cè)量和/或檢測(cè)不同的力和距離的目的。因此，本發(fā)明對(duì)于所有這些力、機(jī)械作用、距離和位移的測(cè)量都是有用的，并且在下文中描述的力、位移和距離表示任意力、距離和位移。
下面，將結(jié)合圖1描述根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的第一實(shí)施例。
在圖1中，參考編號(hào)100表示配備有根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的測(cè)量設(shè)備。仍參見(jiàn)圖1，參考編號(hào)5和4分別表示第一路徑和第二路徑，在下文中也分別稱(chēng)為傳感路徑和參考路徑。傳感路徑5包括一適用于傳輸光傳感信號(hào)b′并發(fā)出輸出參考信號(hào)d的光學(xué)路徑；為達(dá)到該目的，設(shè)置裝置6，其適于接收進(jìn)入光學(xué)路徑5的光信號(hào)b′并將該光信號(hào)b′轉(zhuǎn)換為電信號(hào)d。參考編號(hào)8表示兩個(gè)固定裝置，所述固定裝置被固定到光學(xué)路徑5以限定光學(xué)路徑5的段5′，該段5′具有預(yù)先確定長(zhǎng)度Ls。固定裝置或鎖合裝置8被用來(lái)將光學(xué)路徑5的傳感段5′固定到位移需被監(jiān)測(cè)的區(qū)域；尤其，傳感段5′適用于暴露于機(jī)械作用，致使該傳感段5′的長(zhǎng)度Ls被改變。作為例子，這些機(jī)械作用可以包括牽引力或壓縮力。仍參見(jiàn)圖1，參考編號(hào)1表示適用于產(chǎn)生如RF信號(hào)a的電信號(hào)的發(fā)生裝置。另外，參考編號(hào)2表示適用于將電信號(hào)分成(不需要均分)分別進(jìn)入傳感路徑和參考路徑4的兩個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)b和c的分路裝置。最后，參考編號(hào)e表示離開(kāi)參考路徑4的電信號(hào)，而參考編號(hào)7表示適用于測(cè)量電信號(hào)d和e之間的相位差或相移的測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置7適用于接收電信號(hào)d和e并發(fā)出信號(hào)f。另外，參考編號(hào)3表示適用于接收電信號(hào)b并將所述電信號(hào)b轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光信號(hào)b′的光發(fā)射裝置。
圖1所描述的本發(fā)明實(shí)施例的工作原理是基于對(duì)兩信號(hào)d和e之間的相位差變化的測(cè)量，該變化是由于光信號(hào)b′行進(jìn)路徑長(zhǎng)度(尤其在傳感段5′長(zhǎng)度Ls內(nèi))的改變而造成的，這將在下文得到概括。
信號(hào)發(fā)生裝置1產(chǎn)生頻率為f的RF信號(hào)a，該頻率是基于如距離、成本和性能之間的平衡的總體考慮而確定的。一般來(lái)說(shuō)，使用的頻率越高，測(cè)量的形變的分辨率就越好，盡管會(huì)伴隨大位移而出現(xiàn)模糊問(wèn)題；因此，在粗略或相關(guān)位移的情況下，較低頻率可能是優(yōu)選的。選擇地，也可以利用可變頻率發(fā)生器，其既允許在低至可避免模糊的頻率進(jìn)行測(cè)量又允許在高至可得到獲得的分辨率的頻率進(jìn)行測(cè)量。由發(fā)生裝置1產(chǎn)生的RF信號(hào)通過(guò)分路裝置2分成兩個(gè)子信號(hào)b和c(不需要均分)。功率分配器2的一個(gè)輸出饋送到光發(fā)射裝置3，而另一個(gè)輸出連接到參考路徑4所以信號(hào)b和c分別進(jìn)入光發(fā)射裝置3和參考路徑4。例如，光發(fā)射裝置3可包括LED、激光二極管等。信號(hào)b由光發(fā)射裝置3轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光信號(hào)b′，該光信號(hào)b′進(jìn)入傳感光學(xué)路徑5，尤其為光學(xué)路徑5的傳感段5′。光信號(hào)b′經(jīng)由光學(xué)路徑5的傳感段5′被傳輸，并隨后進(jìn)入光接收裝置6，在該光接收裝置6處所述光信號(hào)b′被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)d。在光傳感路徑5和參考路徑4的輸出處，相應(yīng)的信號(hào)d和e被測(cè)量裝置7收集，該測(cè)量裝置7適用于測(cè)量或確定信號(hào)d和e之間的相位差。為此目的，測(cè)量裝置7適用于發(fā)出信號(hào)f，該信號(hào)f隨后被計(jì)算裝置(未在圖1中示出)收集；例如，所述計(jì)算裝置可包括適用于將電信號(hào)f轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的數(shù)字采集(DAQ，digitalacquisition)卡和計(jì)算單元，例如配備有適用于對(duì)測(cè)量裝置7發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的軟件的PC。不同的光纖可被用于實(shí)現(xiàn)傳感光學(xué)路徑5的目的；例如，根據(jù)情況可使用聚合物光纖(POF)或選擇性地使用硅酸鹽纖維。光接收裝置6可包括光電二極管，其后接有低噪聲放大器。參考臂4可由任意適于將功率分配器2和相位計(jì)7連接起來(lái)的裝置實(shí)現(xiàn)。典型地，參考路徑包括同軸電纜或微帶電路，但是其也可包括，例如，另一光纖。這樣，參考路徑4包括適用于接收電參考信號(hào)c并將該電參考信號(hào)c轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光參考信號(hào)的光發(fā)射裝置，和適用于接收上述光參考信號(hào)并將該光參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為電參考信號(hào)e的光接收裝置。
現(xiàn)考慮一正弦發(fā)生器1，由所述發(fā)生器1發(fā)出的RF信號(hào)可描述為a(t)＝Acos(ωt)(1)其中A為常數(shù)。
假設(shè)功率分配器2為理想情況，由所述功率分配器2發(fā)出的信號(hào)b和c可以分別描述為b(t)＝Bcos(ωt) c(t)＝C cos(ωt)(2)這里常數(shù)B和C通過(guò)功率分配器2的分束比與A相關(guān)。因此，進(jìn)入測(cè)量裝置7(相位計(jì))的信號(hào)d和e可以描述為d(t)＝D cos(ωt+φ) e(t)＝E cos(ωt+θ) (3)常數(shù)D和E分別通過(guò)傳感路徑5和參考路徑4的衰減與B和C相關(guān)。等式(3)中的相移φ和θ取決于信號(hào)在傳感及參考路徑內(nèi)的傳播速度v，并且取決于它們的長(zhǎng)度以及沿該路徑的任何設(shè)備帶來(lái)的相位延遲。
因此，從等式(3)中可以清楚地看出，由于外部機(jī)械作用如牽引或壓縮而導(dǎo)致的傳感路徑5長(zhǎng)度(尤其為傳感段5′的長(zhǎng)度)的變化將產(chǎn)生φ的變化，并因此依次產(chǎn)生δ(φ-θ)的變化和離開(kāi)相位計(jì)的輸出信號(hào)f的變化。
因此，如果圖1中描述的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的自然相移被檢測(cè)到，即在沒(méi)有任何機(jī)械作用作用在光學(xué)路徑5(在光學(xué)路徑5的傳感段5′)上時(shí)兩個(gè)信號(hào)d和e之間的相位差或相移，并且導(dǎo)致光學(xué)路徑5的長(zhǎng)度的變化(光學(xué)路徑的傳感段5′的長(zhǎng)度Ls)將也產(chǎn)生傳感電信號(hào)d和參考電信號(hào)e之間的相移δ值的變化；因此，檢測(cè)所述相位差δ的變化允許檢測(cè)作用在光學(xué)路徑上的機(jī)械作用以及任何位移，例如固定裝置或鎖合裝置8的位移。舉例來(lái)說(shuō)，為測(cè)量鋼梁或混凝土梁的延長(zhǎng)率(elongation)，使用適當(dāng)?shù)哪z種類(lèi)，傳感段5′在其梁的全長(zhǎng)上被直接固定。相反，在那些兩個(gè)參考點(diǎn)之間的距離需要被測(cè)量的應(yīng)用中，段5′相對(duì)的端部被固定到這些參考點(diǎn)。同樣方式，在其他僅需要在短的預(yù)先確定區(qū)域內(nèi)測(cè)量應(yīng)變(strain)的應(yīng)用中，光學(xué)路徑將由在保護(hù)套內(nèi)保持松弛的纖維制造，僅是與預(yù)先確定區(qū)域?qū)?yīng)的段將被以某種方法粘合。
從以上的描述中可以清楚地看出，圖1中描述的光傳感器和相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備的分辨率與下有關(guān)作用在所述段5′的機(jī)械作用而產(chǎn)生的傳感段5′長(zhǎng)度的變化與相位差δ的變化的相關(guān)性。也就是說(shuō)，如果長(zhǎng)度的微小變化對(duì)應(yīng)了相移δ的變化，則可以檢測(cè)使傳感段5′長(zhǎng)度產(chǎn)生微小變化的輕微的機(jī)械作用；相反，如果僅僅傳感段5′長(zhǎng)度大的或相關(guān)的變化產(chǎn)生在兩個(gè)信號(hào)d和e之間的相移δ的相關(guān)變化，則僅僅可以檢測(cè)產(chǎn)生長(zhǎng)度相關(guān)變化的相關(guān)的機(jī)械作用。換句話說(shuō)，圖1所描述的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的靈敏度取決于光學(xué)路徑5長(zhǎng)度(傳感段5′)的變化和相移δ的相應(yīng)變化之間的關(guān)系。
在下文中，將結(jié)合圖2描述根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的并且改進(jìn)了靈敏度的又一實(shí)施例，這里與圖1中已經(jīng)描述的相同的特征和/或組成部分將用相同的參考編號(hào)表示。
圖2所描述的本發(fā)明的實(shí)施例與圖1所描述的實(shí)施例基本相同，與圖1所描述的實(shí)施例的不同之處在于傳感段5′的長(zhǎng)度是圖1所描述的實(shí)施例中傳感段5′長(zhǎng)度Ls的兩倍。從圖2尤其可看出，這是通過(guò)設(shè)置包括兩個(gè)由曲段連接的直線段的光學(xué)路徑5來(lái)獲得的。因此，如果固定裝置8如圖2所描述的那樣設(shè)置，即以便被固定到所述兩個(gè)傳感段5′的相對(duì)的端部，這清楚說(shuō)明作用在傳感器(兩個(gè)傳感段5′)上的機(jī)械作用將產(chǎn)生每個(gè)傳感段5′長(zhǎng)度上的改變，導(dǎo)致光學(xué)路徑5長(zhǎng)度整體的變化比相同的機(jī)械作用在圖1所描述的光傳感器的傳感段5′上產(chǎn)生的變化更加相關(guān)。尤其，作用在圖2的傳感器的兩個(gè)直線傳感段5′上的機(jī)械作用產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化可以產(chǎn)生這兩個(gè)傳感段5′上的總長(zhǎng)度變化是相同的機(jī)械作用在圖1的傳感器的傳感段5′上產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化的兩倍或更多倍。因此，其結(jié)果是在圖2的光傳感器的情況下，即使是輕微的機(jī)械作用也將導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)d和e之間的相位差的變化足夠相關(guān)以被測(cè)量裝置(相位計(jì))7檢測(cè)和測(cè)量。另外，圖2所描述的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了配電，因?yàn)樵谕瑐?cè)具有所有的光電子的和電子設(shè)備是具有實(shí)用優(yōu)點(diǎn)的。
在下文中，將結(jié)合圖3描述適用于與本發(fā)明的光傳感器結(jié)合使用并且適用于在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量裝置的例子，其中，照常地，相同的特征和/或組成部分用相同的參考編號(hào)表示。
在圖3中，參考編號(hào)9表示混頻裝置，而參考編號(hào)10表示低通濾波器。該混頻裝置9(在下文中也稱(chēng)為混頻器)適用于接收離開(kāi)傳感路徑5的輸出傳感電信號(hào)d和離開(kāi)參考路徑4的輸出參考電信號(hào)e?；祛l器9可以為任何類(lèi)型，即無(wú)源或有源的。選擇地，根據(jù)情況，模擬乘法器也可以用于將兩個(gè)信號(hào)d和e混合的目的。但是應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明，將信號(hào)d和e混頻意味著接收所述信號(hào)d和e并發(fā)出信號(hào)g，該信號(hào)g隨后進(jìn)入低通濾波器10，接著從該低通濾波器10發(fā)出更進(jìn)一步的輸出信號(hào)f。圖3中測(cè)量裝置7可以檢測(cè)的信號(hào)d和e之間的相移的變化的方式概述如下。
圖3中的信號(hào)d和e具有上述已寫(xiě)明的表達(dá)式。假設(shè)混頻器9為理想情況，離開(kāi)所述混頻器9的信號(hào)g可以描述為g(t)＝D cos(ωt+φ)·E cos(ωt+θ)＝1/2·D·E·[cos(2ωt+φ+θ)+cos(φ-θ)](4)這樣，如果低通濾波器10具有理想情況，則離開(kāi)所述低通濾波器10的信號(hào)f可以描述為f(t)＝1/2·D·E·cos(φ-θ)＝kcos(δ)(5)這里δ等于φ-θ，k與信號(hào)振幅成比例。這清楚表明離開(kāi)測(cè)量裝置7的信號(hào)與相位差或相移δ成比例，也就是，取決于傳感和參考路徑的長(zhǎng)度，盡管是非線性相關(guān)。
在測(cè)量期的開(kāi)始，在傳感器上沒(méi)有任何機(jī)械作用時(shí)，f的值記為fz。因此，如果機(jī)械作用施加到傳感器，例如牽引或壓縮作用到光學(xué)路徑5的傳感段5′，則f的值改變，這使位移的測(cè)量可以描述為f-fz∝ΔLs因此，其結(jié)果為如果信號(hào)f被收集，則所述信號(hào)f的變化與光學(xué)路徑5的傳感段5′的長(zhǎng)度變化關(guān)聯(lián)，也就是，與作用在傳感器上的機(jī)械作用關(guān)聯(lián)。為達(dá)到該目的，信號(hào)f被發(fā)送到計(jì)算裝置，例如發(fā)送到個(gè)人電腦(典型通過(guò)DAQ卡)以進(jìn)行信號(hào)的精確和根據(jù)相位變化信息對(duì)機(jī)械作用的振幅進(jìn)行恢復(fù)。
因?yàn)橄辔坏淖兓才cω成比例，因此十分之一微米量級(jí)的位移的分辨率需要使用在GHz范圍內(nèi)的頻率，而十分之一毫米的分辨率可使用幾MHz的頻率。
盡管前述所有優(yōu)勢(shì)，圖1和圖2所描述的光傳感器和測(cè)量設(shè)備也具有缺點(diǎn)。尤其，圖1和圖2的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的第一個(gè)缺點(diǎn)是光傳感器和測(cè)量設(shè)備的靈敏度都取決于在沒(méi)有機(jī)械作用作用到傳感器上時(shí)的δ值，即取決于進(jìn)入測(cè)量裝置7的信號(hào)d和e之間的相位差。這可以從圖4清楚的看出，圖4中描述了圖3中離開(kāi)測(cè)量裝置7(尤其低通濾波器10)的信號(hào)f與進(jìn)入測(cè)量裝置7(尤其混頻器9)的信號(hào)d和e之間相位差δ的變化之間的關(guān)系。事實(shí)上，從圖4可清楚看出，因?yàn)樾盘?hào)f和δ之間的關(guān)系可以用余弦表示，如果在沒(méi)有任何機(jī)械作用的情況下δ值近似為0，則傳感器的“工作點(diǎn)”位于圖4所描述的較小的靈敏度的區(qū)域內(nèi)，所以δ在±30°的范圍內(nèi)的變化造成輸出信號(hào)f微小變化，所以難于鑒別和/或恢復(fù)δ的這些變化起因于的機(jī)械作用。相反，如果在沒(méi)有機(jī)械作用作用在傳感器上時(shí)兩個(gè)信號(hào)d和e之間的相移基本等于90°，則傳感器“工作點(diǎn)”將位于圖4所描述的更大的靈敏度的區(qū)域內(nèi)，以便甚至由于作用在傳感器上的較小的相關(guān)作用導(dǎo)致的微小變化也將導(dǎo)致輸出f的相關(guān)變化，從而使所述δ的變化能夠被檢測(cè)并且相應(yīng)的傳感段5′的長(zhǎng)度變化或甚至機(jī)械作用都能夠被恢復(fù)。
下面，參照?qǐng)D5描述適用于使傳感器的“工作點(diǎn)”集中在近似90°的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的進(jìn)一步的實(shí)施例的例子。這里，照常地，關(guān)于前述附圖已經(jīng)描述的相同的特征或組成部分使用相同的參考編號(hào)表示。
圖5的光傳感器和測(cè)量設(shè)備另外包括移相器11。尤其，在圖5所示的例子中，所述移相器11加入到參考路徑4；但是，根據(jù)情況，所述移相器11也可以加入到傳感光學(xué)路徑5中。移相器11的目的是在沒(méi)有任何機(jī)械作用作用在傳感器(傳感段5′)上時(shí)調(diào)整傳感電信號(hào)d和參考電信號(hào)e之間的相位差δ，以便維持所述相位差δ近似等于90°。這樣，從圖4中可清楚看出，傳感器的工作點(diǎn)保持在最大靈敏度的區(qū)域內(nèi)，即集中在近似90°的區(qū)域內(nèi)。圖5所描述的簡(jiǎn)化的方案使根據(jù)本發(fā)明的傳感器和測(cè)量設(shè)備的靈敏度得到顯著的改進(jìn)，所以即使更小的如牽引或壓縮的相關(guān)機(jī)械作用或引起的小位移能夠被檢測(cè)和測(cè)量。
參照?qǐng)D1至圖5描述的本發(fā)明的實(shí)施例的進(jìn)一步的缺點(diǎn)是從等式(5)可清楚看出，低通帶通濾波器10的輸出不僅取決于兩個(gè)信號(hào)d和e之間的相位差還取決于這兩個(gè)信號(hào)的振幅。這暗示著進(jìn)入相位計(jì)7的接收功率(兩個(gè)信號(hào)d和e的功率或其中一個(gè)的功率)中的任何變化將不能與相關(guān)的路徑長(zhǎng)度的變化區(qū)別開(kāi)。其中，該接收功率不是由于作用在傳感器上的機(jī)械作用而是由于例如光學(xué)路徑中的光衰減的變化或是參考路徑4中的電衰減的變化造成。換句話說(shuō)，不可能鑒別出離開(kāi)測(cè)量裝置7的輸出f的變化確實(shí)是因?yàn)樾盘?hào)d和e之間的相位差的變化(由作用在傳感器上的機(jī)械作用造成)還是存在其他的使兩個(gè)信號(hào)d和e或其中一個(gè)的輸入功率產(chǎn)生變化的原因。因此，下面參照?qǐng)D6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明且適用于克服或至少使上述進(jìn)一步的缺點(diǎn)最小化的光傳感器和測(cè)量設(shè)備的進(jìn)一步的實(shí)施例，這里，照常地，關(guān)于前述附圖已經(jīng)描述的相同的特征或組成部分使用相同的參考編號(hào)表示。
在圖6中，參考編號(hào)可14表示適用于使離開(kāi)功率分配器2的參考信號(hào)c移相90°的移相器。但是，圖6的實(shí)施例和圖1、圖2及圖5的實(shí)施例之間最重要的區(qū)別在于在圖6的實(shí)施例中，使用了兩個(gè)如圖3中描述的類(lèi)型的測(cè)量裝置7′和7″。尤其，測(cè)量裝置7′包括第一混頻器9和第一低通帶通濾波器10；混頻器9適用于收集兩信號(hào)d和e并發(fā)出相應(yīng)信號(hào)g。低通帶通濾波器10收集該信號(hào)g并接著發(fā)出相應(yīng)信號(hào)f。第二測(cè)量裝置7″包括適用于收集傳感信號(hào)d和離開(kāi)移相器14的參考信號(hào)h的第二混頻器12，該參考信號(hào)h即為移相90°的參考信號(hào)c。離開(kāi)第二混頻器12的信號(hào)i進(jìn)入第二低通帶通濾波器13，該第二低通帶通濾波器13發(fā)出信號(hào)I。
圖6所描述的實(shí)施例的工作原理可以概述如下。
假設(shè)移相器14處于理想情況，離開(kāi)所述移相器14的參考信號(hào)h可以描述為
h(t)＝E sin(ωt+θ)(6)這樣，混頻器12的輸出信號(hào)i可以描述為i(t)＝D cos(ωt+φ)·E sin(ωt+θ)＝1/2·D·E·[sin(2ωt+φ+θ)-sin(φ-θ)] (7)理想低通帶通濾波器13的輸出信號(hào)I可以描述為I＝1/2·D·E·|sin(φ-θ)|＝ksin(δ)(8)因此，當(dāng)兩個(gè)測(cè)量裝置7′和7″中的一個(gè)的靈敏度處于最小時(shí)，另一個(gè)則處于最大，反之亦然。換句話說(shuō)，兩個(gè)測(cè)量裝置7′和7″中的至少一個(gè)的“工作點(diǎn)”總是保持在圖4所描述的最大靈敏度的區(qū)域內(nèi)，即集中于約90°的區(qū)域內(nèi)。另外，也可以使用輸出f和I以避免測(cè)量與接收功率的相關(guān)性，因?yàn)楣β士梢员还烙?jì)為f2+l2=D·E·cos2δ+sin2δ=D·E---(8′)]]>但是，關(guān)于圖1、圖2、圖5和圖6所描述的實(shí)施例，還存在進(jìn)一步的缺點(diǎn)，即該缺點(diǎn)涉及到測(cè)量裝置7、7′和7″的輸出(尤其是低通帶通濾波器10和13的輸出)是DC值，意味著該輸出對(duì)引入到構(gòu)成光傳感器和測(cè)量設(shè)備的各階段的偏移量敏感。因此，對(duì)圖1、圖2、圖5和圖6所描述的實(shí)施例，可能會(huì)難以鑒別輸出信號(hào)f和I中的一個(gè)的變化是由于進(jìn)入信號(hào)d和e之間或進(jìn)入信號(hào)d和h之間的相位差變化，所述相位差由于作用在傳感器上的機(jī)械作用造成；或者輸出信號(hào)f和I中的一個(gè)中檢測(cè)到的變化是由于信號(hào)d和e之間或信號(hào)d和h之間的相位差變化，然而所述相位差不是由于任何作用在傳感器上的機(jī)械作用造成而是由于例如，構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的階段之一引入的偏移量造成。因此，根據(jù)本發(fā)明且能夠克服該進(jìn)一步的缺點(diǎn)和其他上述缺點(diǎn)的傳感器和測(cè)量設(shè)備將在下文中參照?qǐng)D7進(jìn)行描述，這里，再一次地，關(guān)于前述附圖已經(jīng)描述的相同的特征和/或組成部分使用相同的參考編號(hào)表示。
圖7所描述的實(shí)施例與參照在前附圖描述的前述實(shí)施例的最重要的區(qū)別在于圖7的實(shí)施例還包括第二發(fā)生裝置(第二信號(hào)發(fā)生器16和第二功率分配器15)；由第二發(fā)生器16產(chǎn)生的信號(hào)a′進(jìn)入功率分配器15，從該功率分配器15中輸出兩信號(hào)m和n。信號(hào)m與傳感電信號(hào)d一起進(jìn)入第一測(cè)量裝置7′，該第一測(cè)量裝置7′包括第一混頻器9和集中于頻率f0的第一帶通濾波器17。同樣，第二信號(hào)n和參考電信號(hào)e進(jìn)入第二測(cè)量裝置7″，該第二測(cè)量裝置7″包括第二混頻器12和集中于頻率f0的第二帶通濾波器18。
圖7所描述的實(shí)施例的目的始終是傳感和/或檢測(cè)作用在傳感器上的機(jī)械作用或位移或力，通過(guò)跟隨有傳感信號(hào)d(t)和參考信號(hào)e(t)的路徑的變化；但是，在當(dāng)前情況下，跟隨有兩信號(hào)d和e的路徑的變化不被看作是所述兩信號(hào)d和e之間相移的變化而是被看作是它們之間的時(shí)延。另外，為了改進(jìn)分辨率，該時(shí)延沒(méi)有直接在兩信號(hào)d和e之間測(cè)量而是在離開(kāi)第一測(cè)量裝置7′和第二測(cè)量裝置7″的兩信號(hào)f(t)和I(t)之間測(cè)量。
第一發(fā)生裝置1(第一發(fā)生器)產(chǎn)生頻率為f1的信號(hào)a，同時(shí)第二發(fā)生裝置16(第二發(fā)生器)產(chǎn)生頻率為f2的信號(hào)a′，該頻率f2與頻率f1相差微小的量f0。第二發(fā)生器16鎖定到第一發(fā)生器1以保證頻差f0基本保持不變。因此，或者f2＝f1+f0或者f2＝f1-f0其中f0＜＜f1(10)離開(kāi)振蕩器1的信號(hào)a由功率分配器2分為兩個(gè)信號(hào)b和c，其中信號(hào)b輸入到光發(fā)射裝置3，而信號(hào)c充當(dāng)參考信號(hào)并直接連接到測(cè)量裝置7″；尤其，如圖7所描述的，參考信號(hào)e與信號(hào)n一起進(jìn)入第二混頻裝置12，即與來(lái)自第二發(fā)生器16的信號(hào)a′通過(guò)第二功率分配器15的一部分一起進(jìn)入第二混頻裝置12。同樣，離開(kāi)包括光發(fā)生裝置3、傳感段5′和電發(fā)生裝置6的光學(xué)路徑5的傳感電信號(hào)d與信號(hào)m一起進(jìn)入第一混頻裝置9，即與第二發(fā)生器16產(chǎn)生的信號(hào)a′的一部分一起進(jìn)入第一混頻裝置9。
考慮正弦RF信號(hào)，進(jìn)入混頻器9的信號(hào)可以描述為d(t)＝D cos(ω1t+φ)m(t)＝M cos(ω2t) (11)D和M為考慮沿各自路徑的衰減的常量，且φ是信號(hào)d(t)關(guān)于信號(hào)m(t)的相對(duì)相移。離開(kāi)第一混頻器9的信號(hào)g(t)進(jìn)入集中于頻率f0的帶通濾波器17。尤其，需要特別注意的是，在結(jié)合在先附圖描述的上述實(shí)施例中，使用了低通濾波器，而在當(dāng)前情況下使用了集中于頻率f0的帶通濾波器。
假設(shè)元件處于理想情況，離開(kāi)帶通濾波器17的信號(hào)f可以描述為f(t)＝F cos(ω0t+φ)(12)也就是說(shuō)，該信號(hào)與傳感信號(hào)d具有相同的相移，但是對(duì)應(yīng)于頻率f0，其頻率為ω0。
上述相同的考慮也可以應(yīng)用到參考路徑4；實(shí)際上，在這種情況下，進(jìn)入第二混頻器12的信號(hào)e和n可以描述為e(t)＝E cos(ω1t+θ)n(t)＝N cos(ω2t) (13)E和N為考慮沿路徑的衰減的常數(shù)，且θ是信號(hào)e(t)關(guān)于信號(hào)m(t)或信號(hào)n(t)的相移。
再次假設(shè)一理想情況，在集中于頻率f0的帶通濾波器18的輸出，離開(kāi)所述帶通濾波器18的信號(hào)I可以描述為I(t)＝L cos(ω0t+θ) (14)
也就是說(shuō)，該信號(hào)與參考信號(hào)e具有相同的相移，但其頻率為ω0。
從等式11、13、12、14分別可以看出，分別離開(kāi)第一帶通濾波器17和第二帶通濾波器18的信號(hào)f和I是分別與傳感信號(hào)d和參考信號(hào)e保持相同相移的正弦信號(hào)；但是它們的頻率從f1改變?yōu)閒0。因此，由于工作頻率低，故現(xiàn)在可以以良好的精確性地容易地測(cè)量相位。另外，因?yàn)樾盘?hào)f和I目前是AC信號(hào)(而在前述實(shí)施例中這些離開(kāi)測(cè)量裝置的信號(hào)是DC信號(hào))，故信號(hào)f和I不再對(duì)由于構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的各階段引入的偏移量敏感。換句話說(shuō)，圖7的實(shí)施例能夠克服圖6所描述的實(shí)施例中的缺點(diǎn)。
考慮到相位可以根據(jù)時(shí)延描述，因此相位差δ可以描述為δ=φ-θ2πf1Δt1=2πf0⇒Δt0=f1f0Δt1---(15)]]>等式(15)暗示在頻率f0的相同的相位差δ導(dǎo)致一時(shí)延，該時(shí)延對(duì)應(yīng)于f1/f0×在頻率f1的時(shí)延。換句話說(shuō)，傳感路徑5長(zhǎng)度(傳感段5′的長(zhǎng)度)的相同變化在信號(hào)f(t)上產(chǎn)生的效果要遠(yuǎn)強(qiáng)于在信號(hào)d(t)上的。例如，考慮到用于傳感路徑5和參考路徑4的標(biāo)準(zhǔn)POF，f1＝20MHz且f0＝1kHz，1cm的長(zhǎng)度變化產(chǎn)生約0.36°的相位差，對(duì)應(yīng)的時(shí)延在f1僅50ps而在f0為一微秒。
根據(jù)情況，圖7的實(shí)施例能夠被改變以改進(jìn)其可靠性和/或靈敏度。例如，可以引入第三振蕩器(圖7中未示)。所述第三振蕩器與其他兩個(gè)發(fā)生器鎖定并精確地工作在頻率f0。該第三發(fā)生器能夠被設(shè)置為產(chǎn)生用于鎖緊濾波器(lock-in filter)或其他窄帶濾波器(圖7中也未示)的信號(hào)，所述濾波器可以通過(guò)硬件形式或通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以在特殊噪聲信號(hào)情況下恢復(fù)信號(hào)f(t)和I(t)。
信號(hào)f(t)和I(t)之間相位的測(cè)量可以以多種方式進(jìn)行，因?yàn)樯婕暗男盘?hào)為低頻信號(hào)。例如，這可以依靠通過(guò)數(shù)字捕獲板(digitizingacquisition board)連接到電路的PC完成。接著可以使用用戶友好程序來(lái)控制全部測(cè)量程序并計(jì)算位移。在這種情況下，程序執(zhí)行如下描述的操作。
·捕獲信號(hào)f(t)和I(t)。
·隨機(jī)地捕獲來(lái)自第三發(fā)生器的在f0的參考信號(hào)。
·從捕獲的信號(hào)中重建理想無(wú)噪聲的信號(hào)。如果使用了第三發(fā)生器可以通過(guò)使用數(shù)字鎖定技術(shù)(即一種同步檢測(cè))或其他窄帶濾波技術(shù)來(lái)恢復(fù)信號(hào)參數(shù)，否則可以使用三參數(shù)或四參數(shù)正弦調(diào)合。
·測(cè)量重建的無(wú)噪聲信號(hào)之間的時(shí)延并相對(duì)于先前存儲(chǔ)的作為零值的測(cè)量估計(jì)傳感光纖長(zhǎng)度的變化。
全部程序被數(shù)百次的重復(fù)并且平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差被計(jì)算以向用戶給出該測(cè)量過(guò)程的置信度。
在參照?qǐng)D1至圖7所描述的所有實(shí)施例中，光傳感路徑的傳感段5′被描述為光學(xué)路徑被包括在兩鎖定裝置8之間的段。但是，據(jù)披露，在所有這些實(shí)施例中難以保證其他的傳感路徑(傳感路徑在兩鎖定裝置8外側(cè)的段)不受作用在傳感器上的機(jī)械作用的影響。在實(shí)際中，經(jīng)由除傳感段5′外的傳感路徑的段的光和/或電信號(hào)的傳輸受到作用在傳感器上的機(jī)械作用的影響和/或被該機(jī)械作用改變。換句話說(shuō)，在上述所有實(shí)施例中，傳感路徑整體長(zhǎng)度可以以某種方式影響傳感器的輸出，即使傳感段5′外側(cè)的部分保持松弛并在保護(hù)套內(nèi)。
考慮到圖8所描述的兩個(gè)波長(zhǎng)設(shè)計(jì)能夠克服不需要的影響，這里，照常地，關(guān)于前述附圖已經(jīng)描述的相同的特征或組成部分使用相同的參考編號(hào)表示。
從圖8可清楚看出，上述兩波長(zhǎng)方法應(yīng)用到與圖2所描述的實(shí)施例相似的實(shí)施例；但是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)兩波長(zhǎng)方法可以應(yīng)用到上述包括圖7所描述的實(shí)施例在內(nèi)的任一實(shí)施例是顯而易見(jiàn)的。
圖8的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例最重要的區(qū)別在于在圖8的實(shí)施例中，使用第一和第二光發(fā)射裝置3a和3b，以及第一和第二光接收裝置6a和6b；另外，使用第一和第二波長(zhǎng)不敏感功率分配器19和19′以及第一和第二波長(zhǎng)敏感功率分配器20和20′。另外，在圖8的實(shí)施例中，測(cè)量裝置21適用于處理由兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的光傳感信號(hào)G和R引生的兩個(gè)傳感電信號(hào)d′和d″。尤其，在圖8中，這兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的信號(hào)表示為G(綠)和R(紅)；但是，根據(jù)情況可使用任何其他波長(zhǎng)。
在圖8的實(shí)施例中，由發(fā)生裝置1產(chǎn)生的信號(hào)a被功率分配器2分成傳感信號(hào)b和參考信號(hào)c。該參考信號(hào)c通過(guò)參考路徑4直接進(jìn)入相位處理單元21；尤其，該參考信號(hào)c作為參考信號(hào)e被相位處理單元21接收。傳感信號(hào)b被分別輸送到適用于將信號(hào)b轉(zhuǎn)換具有預(yù)定波長(zhǎng)的第一光信號(hào)(R信號(hào))和具有第二預(yù)定波長(zhǎng)的第二傳感光信號(hào)(G信號(hào))的第一和第二光發(fā)射裝置3a和3b。該紅和綠光信號(hào)R和G通過(guò)第一合并器19(即用做合并器的波長(zhǎng)不敏感功率分配器)一同注入傳感部分5；接著，在第一鎖定裝置8前，第一波長(zhǎng)敏感分配器20漏掉紅色信號(hào)R，該紅色信號(hào)R立即通過(guò)另一功率合并器19′與經(jīng)過(guò)該傳感段5′的綠色信號(hào)R重新結(jié)合。另外，進(jìn)一步的波長(zhǎng)敏感分配器20′將兩紅色和綠色信號(hào)R和G多路分離并將它們分別發(fā)送到兩光接收裝置6a和6b；得到的離開(kāi)光接收裝置6a和6b的電信號(hào)d′和d″接著進(jìn)入相位處理單元21。通過(guò)比較來(lái)自紅色和綠色光信號(hào)R和G的電信號(hào)d′和d″的相移變化，因此可以補(bǔ)償不需要的形變，僅測(cè)量由兩鎖定裝置8界定的傳感區(qū)域內(nèi)的位移。尤其，如果一方面參考信號(hào)e和第一傳感信號(hào)d′之間的相移變化并且另一方面參考信號(hào)e和第二傳感信號(hào)d″之間的相移變化被測(cè)量，則可以獲得相移δ變化出自影響而非作用在傳感段5′上的機(jī)械作用的指示，所以該機(jī)械作用能夠被精確檢測(cè)和測(cè)量。
另外，也不但能夠恢復(fù)傳感段5′長(zhǎng)度Ls的變化還能夠恢復(fù)其絕對(duì)值而不需在先校準(zhǔn)；尤其，通過(guò)結(jié)合兩波長(zhǎng)技術(shù)和可變頻率發(fā)生器(或兩頻率發(fā)生器)，既在低至在光纖長(zhǎng)度上不產(chǎn)生模糊的頻率上進(jìn)行測(cè)量又在高至可得到預(yù)期的分辨率的頻率上進(jìn)行測(cè)量是可能的。圖8所示的方案的變化可以實(shí)現(xiàn)為僅需要一個(gè)信號(hào)接收裝置。在這種情況下，離開(kāi)合并器19′的兩R和G信號(hào)被直接發(fā)送到接收裝置6a。接著在以適當(dāng)速率選擇性地將兩個(gè)源3a和3b切換為開(kāi)和關(guān)時(shí)，可以完成兩波長(zhǎng)之間的分離。這樣輸出信號(hào)d′選擇性地代表與R和與G信號(hào)關(guān)聯(lián)的讀出信號(hào)，所以利用相同的前述程序能夠完成對(duì)不需要的形變的補(bǔ)償或?qū)^對(duì)距離的測(cè)量。
上述結(jié)合圖1至圖8描述的所有實(shí)施例都允許檢測(cè)和/或測(cè)量作用在傳感器上的機(jī)械作用；如果設(shè)置多個(gè)傳感器，則能夠得到同時(shí)檢測(cè)多個(gè)機(jī)械作用、位移和壓力等的測(cè)量設(shè)備。下面將結(jié)合圖9對(duì)這樣的測(cè)量設(shè)備的例子進(jìn)行描述，這里，再次，關(guān)于前述附圖已經(jīng)描述的相同的特征或組成部分使用相同的參考編號(hào)表示。
在圖9的實(shí)施例中，使用了多條如圖1所描述的光傳感路徑；但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是圖9中描述的方案也可以通過(guò)實(shí)施圖2至圖8中任意一幅所描述的光學(xué)路徑而實(shí)現(xiàn)。
從圖9可清楚看出，由發(fā)生裝置1產(chǎn)生的電信號(hào)a被功率分配器2分成多個(gè)電信號(hào)b1-bn和惟一一個(gè)參考信號(hào)c。該參考信號(hào)c進(jìn)入?yún)⒖悸窂?并在其端被測(cè)量裝置7作為參考電信號(hào)e收集。傳感電信號(hào)b1至bn由光發(fā)射裝置31至3n轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多個(gè)傳感光信號(hào)b′1至b′n，所述傳感光信號(hào)b′1至b′n依次進(jìn)入到多個(gè)傳感段5′1至5′n。一旦所述光信號(hào)b1至bn穿過(guò)傳感段5′1至5′n并最終被作用在所述傳感段上的機(jī)械作用改變后，其被相應(yīng)的多個(gè)光接收裝置61至6n轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電傳感信號(hào)d1至dn。傳感信號(hào)d1至dn和參考信號(hào)e被測(cè)量裝置7(例如包括多個(gè)如圖3所示的混頻器和低通濾波器)收集，從而發(fā)出多個(gè)輸出信號(hào)f1至fn。因此，所述信號(hào)被捕獲板30收集并被發(fā)送到諸如個(gè)人電腦的計(jì)算單元31。
據(jù)披露，當(dāng)圖9所描述的測(cè)量設(shè)備用于檢測(cè)作用在如建筑物等的不同區(qū)域上的機(jī)械作用時(shí)，其具有特別的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，利用圖9的測(cè)量設(shè)備，各傳感路徑51至5n可以對(duì)應(yīng)于要檢測(cè)的各關(guān)鍵區(qū)域來(lái)設(shè)置，從而允許檢測(cè)和/或辨別作用在多個(gè)分離的區(qū)域上的機(jī)械作用。
概括地說(shuō)，從上述公開(kāi)內(nèi)容可以看出，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備允許克服或至少最小化影響現(xiàn)有技術(shù)中已知的傳感器的缺點(diǎn)；尤其，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備允許可靠地檢測(cè)諸如牽引和/或壓縮的機(jī)械作用，以及壓力、位移和震動(dòng)等。另外，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備允許既檢測(cè)作用于或出現(xiàn)在單一區(qū)域上或內(nèi)的機(jī)械作用、壓力和位移等，又檢測(cè)作用于或出現(xiàn)在相應(yīng)多個(gè)區(qū)域上或內(nèi)的多個(gè)機(jī)械作用、壓力和位移等。
根據(jù)本發(fā)明的光傳感器和測(cè)量設(shè)備能夠應(yīng)用到結(jié)構(gòu)尤其是復(fù)合結(jié)構(gòu)的損傷檢查。例如，它們能夠被應(yīng)用于建設(shè)工作的檢查和應(yīng)變的測(cè)量。結(jié)構(gòu)損傷和/或結(jié)構(gòu)中位移的檢查可以通過(guò)在要檢查的結(jié)構(gòu)中插入一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光傳感器來(lái)完成，例如，通過(guò)將傳感光學(xué)路徑固定到要檢查的區(qū)域同時(shí)使參考路徑不暴露于任何機(jī)械作用。尤其，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器被披露對(duì)用來(lái)改進(jìn)墻壁結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性的鐵梁的形變發(fā)展的測(cè)量是有用的(特別在古建筑物中或地震后)。對(duì)滑坡發(fā)展的測(cè)量也是可能的，例如通過(guò)在地下的桿之間安裝傳感器。另外，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器通過(guò)將傳感光學(xué)路徑合并到結(jié)構(gòu)中能夠測(cè)量合成材料中的形變。同樣，在不良環(huán)境(高度易燃、易爆或電磁噪聲環(huán)境)下對(duì)距離和位移的測(cè)量以及在生物工程學(xué)中對(duì)力的測(cè)量也是可能的。
通過(guò)低噪聲多通道放大器將傳感器連接到配備有數(shù)字卡(DAQ)的PC能夠得到根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的有用的實(shí)施；當(dāng)然，該P(yáng)C能夠同時(shí)控制多個(gè)傳感器，所以設(shè)計(jì)復(fù)雜但相當(dāng)?shù)土膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是可能的。另外，利用適合的軟件，通過(guò)使用諸如TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制該傳感器也是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的光傳感器具有相當(dāng)廣泛的工作范圍(從10μm到幾厘米)同時(shí)保持良好的分辨率的特點(diǎn)。另外，不需要光學(xué)路徑(光纖)的阻斷物，致使更好地與灰塵、雨水等隔離，使這些傳感器尤其適于戶外應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器已經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)POF進(jìn)行測(cè)試，該P(yáng)OF的目的在于保持盡可能低的成本?？紤]到典型可用的LED的調(diào)制帶寬，使用了商業(yè)信號(hào)發(fā)生器和頻率f1，f1對(duì)應(yīng)20MHz，f2＝f1+1kHz。但是，也可以實(shí)施其他基于DDS芯片和微控制器的方案。
最后應(yīng)該注意的是，在根據(jù)本發(fā)明的光傳感器中，根據(jù)情況既可實(shí)施玻璃光纖又可實(shí)施聚合物光纖。尤其，如果分辨率要求是毫米量級(jí)且工作溫度允許，則聚合物光纖可用于傳感路徑。這暗示著除了與所有類(lèi)型的光纖共有的優(yōu)點(diǎn)之外，還在源、檢測(cè)器和連接器方面具有低成本，所述共有的優(yōu)點(diǎn)諸如重量輕、侵入力最小、抗電磁干擾以及不會(huì)燃燒或爆炸。后兩個(gè)性質(zhì)是尤其使人感興趣的，因?yàn)檫@使得傳感器能夠在不利環(huán)境下使用，所述不利環(huán)境諸如電磁噪聲的工業(yè)廠房?jī)?nèi)、高度易燃材料的存儲(chǔ)區(qū)域中、在雷暴期間暴露于靜電放電的結(jié)構(gòu)中以及通常紀(jì)念碑或藝術(shù)品的監(jiān)視。沒(méi)有電流流經(jīng)傳感器使得該傳感器對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用也是理想的，避免了觸電死亡的風(fēng)險(xiǎn)。另外，相對(duì)于基于商業(yè)硅酸鹽光纖的結(jié)構(gòu)，聚合物光纖的更高可變形性允許要測(cè)量的位移更長(zhǎng)。
也必須注意到，根據(jù)本發(fā)明的光傳感器的工作原理是基于電信號(hào)的相對(duì)相移而非光信號(hào)的干涉。
盡管本發(fā)明結(jié)合了具體實(shí)施例進(jìn)行描述，但是應(yīng)理解本發(fā)明不限于上述具體實(shí)施例，對(duì)上述實(shí)施例可進(jìn)行各種修改而不背離本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種光傳感器，適用于檢測(cè)作用在所述傳感器上的外部機(jī)械作用，所述傳感器包括至少一條傳感光學(xué)路徑(5)，適用于傳輸至少一個(gè)傳感光信號(hào)(b′)并發(fā)出至少一個(gè)傳感輸出電信號(hào)(d)；至少一條參考路徑(4)，適用于發(fā)出至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)；所述至少一條光學(xué)路徑(5)的至少一段(5′)，適合于暴露于外部機(jī)械作用下，以便通過(guò)所述傳感光學(xué)路徑的所述傳感光信號(hào)(b′)的傳輸能夠被改變，導(dǎo)致在所述傳感電信號(hào)(d)和所述參考電信號(hào)(e)之間產(chǎn)生相移，所述光傳感器的特征在于，所述至少一條參考路徑(4)包括移相裝置(11)，適用于在沒(méi)有任何機(jī)械作用施加在所述至少一條傳感光學(xué)路徑(5)上時(shí)使所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)之間的相移保持在一恒定值。
2.如權(quán)利要求1所述的光傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括適用于收集所述至少一個(gè)電參考信號(hào)(e)并發(fā)出進(jìn)一步的電參考信號(hào)(h)的裝置(14)，所述信號(hào)(h)相對(duì)于所述信號(hào)(e)在相位上移動(dòng)了接近90°。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光傳感器，其特征在于，所述光傳感器進(jìn)一步包括發(fā)生裝置(16)，該發(fā)生裝置(16)適用于產(chǎn)生至少一個(gè)頻率為f2的額外電信號(hào)(a′)，所述頻率f2與所述至少一個(gè)參考輸出電信號(hào)(e)的頻率f1稍有不同。
4.如權(quán)利要求3所述的光傳感器，其特征在于，所述光傳感器進(jìn)一步包括分配裝置(15)，適用于接收所述至少一個(gè)額外的電信號(hào)(a′)并將所述至少一個(gè)額外的電信號(hào)(a′)分成兩個(gè)電信號(hào)(m)和(n)。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述光學(xué)路徑適用于傳輸至少兩個(gè)具有相應(yīng)不同波長(zhǎng)的光傳感信號(hào)(G)和(R)，所述兩個(gè)傳感光信號(hào)(G)和(R)中僅一個(gè)信號(hào)(G)進(jìn)入所述至少一傳感段(5′)，所述光學(xué)路徑進(jìn)一步包括適用于接收所述至少兩個(gè)傳感光信號(hào)(G)和(R)并將所述至少兩個(gè)傳感光信號(hào)(G)和(R)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)相應(yīng)的輸出傳感電信號(hào)(d″)和(d′)的裝置。
6.如權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條光學(xué)路徑(5)的所述至少一段(5′)具有預(yù)定的長(zhǎng)度(Ls)，適用于根據(jù)作用在所述至少一段(5′)上的機(jī)械作用而改變。
7.如權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述光學(xué)路徑(5)包括光接收裝置(6)，適用于接收所述至少一個(gè)傳感光信號(hào)(b′)并將所述至少一個(gè)光信號(hào)(b′)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)。
8.如權(quán)利要求7所述的光傳感器，其特征在于，所述光接收裝置(6)包括光電二極管。
9.如權(quán)利要求7所述的光傳感器，其特征在于，所述光接收裝置(6)包括光電晶體管等。
10.如權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條光學(xué)路徑(5)包括光發(fā)射裝置(3)，適用于接收至少一個(gè)輸入傳感電信號(hào)(b)并將所述至少一個(gè)輸入傳感電信號(hào)(b)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)傳感光信號(hào)(b′)。
11.如權(quán)利要求10所述的光傳感器，其特征在于，所述光發(fā)射裝置(3)包括LED。
12.如權(quán)利要求10所述的光傳感器，其特征在于，所述光發(fā)射裝置包括激光二極管。
13.如權(quán)利要求1至12中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條光學(xué)路徑(5)的至少所述一段(5′)包括光纖。
14.如權(quán)利要求13所述的光傳感器，其特征在于，所述光纖是聚合物光纖POF。
15.如權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條參考路徑(4)包括銅線。
16.如權(quán)利要求1至15中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條參考路徑(4)包括同軸電纜。
17.如權(quán)利要求1至16中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條參考路徑(4)包括適用于傳輸至少一個(gè)參考光信號(hào)的參考光學(xué)路徑，和適用于接收所述至少一個(gè)光參考信號(hào)并將所述至少一個(gè)光參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)的光接收裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條參考路徑包括光發(fā)射裝置，適用于接收至少一個(gè)電參考信號(hào)(c)并將所述至少一個(gè)電參考信號(hào)(c)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)參考光信號(hào)。
19.如權(quán)利要求17或18所述的光傳感器，其特征在于，所述參考光學(xué)路徑包括光纖。
20.如權(quán)利要求1至19中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述至少一條傳感光學(xué)路徑(5)的所述至少一段(5′)包括至少兩條彼此平行設(shè)置且通過(guò)曲線段連接的直線段。
21.如權(quán)利要求1至20中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，其特征在于，所述光傳感器包括多條傳感光學(xué)路徑(51-5n)，各傳感光學(xué)路徑適用于傳輸至少一個(gè)相應(yīng)的傳感光信號(hào)(b′1-b′n)并發(fā)出至少一個(gè)相應(yīng)的傳感輸出電信號(hào)(d1-dn)，各傳感光學(xué)路徑包括適用于暴露在外部機(jī)械作用下的至少一段(5′1-5′n)，并且所述光傳感器包括適用于發(fā)出至少一個(gè)電信號(hào)(e)的一條參考路徑(4)。
22.一種用于測(cè)量和/或檢測(cè)機(jī)械作用的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，該測(cè)量設(shè)備包括至少一個(gè)如權(quán)利要求1至21中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，以及適用于測(cè)量所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)之間的相移的測(cè)量裝置(7)。
23.如權(quán)利要求22所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述測(cè)量裝置(7)適用于收集所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)和所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)并且發(fā)出輸出電信號(hào)(f)，以便所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)和所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)之間的相移能夠根據(jù)所述輸出電信號(hào)(f)的振幅而被測(cè)量。
24.如權(quán)利要求22或23所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，該測(cè)量設(shè)備包括第一測(cè)量裝置(7′)和第二測(cè)量裝置(7″)，所述第一測(cè)量裝置適用于收集所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)并發(fā)出第一輸出電信號(hào)(f)，所述第二測(cè)量裝置(7″)適用于收集所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和相對(duì)于所述參考電信號(hào)(e)在相位上移動(dòng)90°的參考電信號(hào)(h)并發(fā)出第二輸出電信號(hào)(I)，以便所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)和所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)之間的相移能夠根據(jù)所述輸出電信號(hào)(f)和(I)的全部或其一的振幅而被測(cè)量。
25.如權(quán)利要求22或23所述的測(cè)量設(shè)備，當(dāng)引用在前權(quán)利要求4中的光傳感器時(shí)，其特征在于，該測(cè)量設(shè)備包括第一測(cè)量裝置(7′)和第二測(cè)量裝置(7″)，所述第一測(cè)量裝置適用于收集所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)和所述電信號(hào)(m)并發(fā)出第一電信號(hào)(f)，所述第二測(cè)量裝置(7″)適用于收集所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)和所述電信號(hào)(n)并發(fā)出第二電信號(hào)(I)，以便所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)和所述至少一個(gè)傳感電信號(hào)(d)之間的相移能夠根據(jù)所述電信號(hào)(f)和(I)的全部或其一的時(shí)延而被測(cè)量。
26.如權(quán)利要求22至24中任意一項(xiàng)所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述測(cè)量裝置(7)、(7′)和(7″)分別包括混頻裝置(9)和(12)，分別適用于將所述電信號(hào)(d，e)和(d，h)混頻，并分別發(fā)出電信號(hào)(g)和(i)，并且所述測(cè)量裝置(7)、(7′)和(7″)分別包括低通濾波器(10)和(13)，所述低通濾波器分別適用于接收所述電信號(hào)(g)和(i)，并分別發(fā)出電信號(hào)(f)和(I)。
27.如權(quán)利要求25所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述測(cè)量裝置(7′)和(7″)分別包括混頻裝置(9)和(12)，分別適用于將電信號(hào)(d)和(m)以及(n)和(e)混頻，并分別發(fā)出電信號(hào)(g)和(i)，并且所述測(cè)量裝置(7′)和(7″)分別包括低通濾波器(10)和(13)，所述低通濾波器(10)和(13)分別集中在預(yù)定的頻率并適用于接收所述輸出電信號(hào)(g)和(i)，并分別發(fā)出電信號(hào)(f)和(I)。
28.如權(quán)利要求22至27中任意一項(xiàng)所述的測(cè)量設(shè)備，當(dāng)引用在前權(quán)利要求5中的光傳感器時(shí)，其特征在于，該測(cè)量設(shè)備包括適用于測(cè)量所述至少一個(gè)參考電信號(hào)(e)與所述傳感電信號(hào)(d″)和(d′)之間的相位差的測(cè)量裝置(21)。
29.如權(quán)利要求22至28中任意一項(xiàng)所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述測(cè)量設(shè)備包括適用于計(jì)算離開(kāi)所述測(cè)量裝置(7、7′、7″)的信號(hào)(f、I)的計(jì)算裝置。
30.如權(quán)利要求29所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述計(jì)算裝置包括適用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的裝置(30)。
31.如權(quán)利要求30所述的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述計(jì)算裝置進(jìn)一步包括連接到所述裝置(30)的個(gè)人電腦(31)。
32.一種用于測(cè)量機(jī)械作用的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟設(shè)置如權(quán)利要求1至21中任意一項(xiàng)所述的光傳感器，以便所述至少一條光學(xué)路徑(5)的至少一段(5′)暴露于所述機(jī)械作用下；使至少一個(gè)傳感光信號(hào)(b′)進(jìn)入所述至少一條傳感光學(xué)路徑(5)的所述至少一段(5′)并將所述光信號(hào)(b′)轉(zhuǎn)換為輸出傳感電信號(hào)(d)；促使所述至少一條參考路徑(4)發(fā)出所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)；移動(dòng)所述至少一個(gè)輸出電信號(hào)(e)的相位，以便在沒(méi)有任何作用施加在所述至少一條傳感光學(xué)路徑(5)上時(shí)將所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)之間的相移保持在一恒定值；測(cè)量所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)之間的相移。
33.如權(quán)利要求32所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括將所述至少一條光學(xué)路徑(5)的所述至少一段(5′)的相對(duì)端固定到固定裝置(8)，以便作用在所述段(5′)上的所述機(jī)械作用導(dǎo)致所述段的長(zhǎng)度Ls改變，從而在所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)之間產(chǎn)生相移。
34.如權(quán)利要求32或33所述的測(cè)量方法，其特征在于，促使所述至少一條參考路徑(4)發(fā)出所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)包括使至少一個(gè)電信號(hào)(c)進(jìn)入所述至少一條參考路徑(5)。
35.如權(quán)利要求32或33所述的測(cè)量方法，其特征在于，促使所述至少一條參考路徑(4)發(fā)出所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)包括使至少一個(gè)參考光信號(hào)進(jìn)入所述至少一條參考路徑(5)并將所述至少一個(gè)參考光信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)。
36.如權(quán)利要求32至35中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括收集所述兩個(gè)信號(hào)(d)和(e)，將所述兩信號(hào)(d)和(e)混頻以得到信號(hào)(g)，通過(guò)低通帶通濾波器(10)對(duì)信號(hào)(g)進(jìn)行濾波以及收集離開(kāi)所述低通帶通濾波器(10)的信號(hào)(f)。
37.如權(quán)利要求32至3 5中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括收集所述兩信號(hào)(d)和(e)，通過(guò)第一混頻裝置(9)將所述兩信號(hào)(d)和(e)混頻以得到信號(hào)(g)，通過(guò)第一低通帶通濾波器(10)對(duì)信號(hào)(g)進(jìn)行濾波，移動(dòng)恒定值的所述輸出電參考信號(hào)(e)的相位以便獲得第二輸出電參考信號(hào)(h)，收集所述兩信號(hào)(d)和(h)，通過(guò)第二混頻裝置(12)將所述兩信號(hào)(d)和(h)混頻以得到信號(hào)(i)，通過(guò)第二低通帶通濾波器(13)對(duì)信號(hào)(i)進(jìn)行濾波，收集分別離開(kāi)所述第一低通帶通濾波器(10)和所述第二低通帶通濾波器(13)的信號(hào)(f)和(I)的全部或其一。
38.如權(quán)利要求32至35中任意一項(xiàng)所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括產(chǎn)生至少一個(gè)頻率為f2的額外的電信號(hào)(a′)，所述頻率f2與所述至少一個(gè)參考輸出電信號(hào)(e)的頻率f1稍有不同，將所述至少一個(gè)額外的信號(hào)(a′)分成兩個(gè)電信號(hào)(m)和(n)，收集所述兩信號(hào)(d)和(m)，通過(guò)第一混頻裝置(9)將所述兩信號(hào)(d)和(m)混頻以得到信號(hào)(g)，通過(guò)集中于預(yù)定頻率的第一低通帶通濾波器(10)對(duì)信號(hào)(g)進(jìn)行濾波，收集所述兩信號(hào)(n)和(e)，通過(guò)第二混頻裝置(12)將所述兩信號(hào)(n)和(e)混頻以得到信號(hào)(i)，通過(guò)集中于預(yù)定頻率的第二低通帶通濾波器(13)對(duì)信號(hào)(i)進(jìn)行濾波，收集分別離開(kāi)所述第一低通帶通濾波器(10)和所述第二低通帶通濾波器(13)的信號(hào)(f)和(I)的全部或其一。
39.如權(quán)利要求36至38中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括計(jì)算所述兩信號(hào)(f)和(I)的全部或其一。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述方法包括將所述信號(hào)(f)和(I)的全部或其一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
41.如權(quán)利要求32至40中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括測(cè)量在沒(méi)有任何機(jī)械作用作用在所述至少一條光學(xué)傳感路徑(5)的所述至少一段(5′)上時(shí)所述輸出電傳感信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)之間的相移。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種光傳感器，適用于檢測(cè)作用在所述傳感器上的外部機(jī)械作用，該傳感器包括至少一條傳感光學(xué)路徑(5)，適用于傳輸至少一個(gè)傳感光信號(hào)(b′)并沿著至少一條參考路徑(4)發(fā)出至少一個(gè)傳感輸出電信號(hào)(d)，該至少一條參考路徑(4)適用于發(fā)出至少一個(gè)輸出電參考信號(hào)(e)。另外，所述至少一條光學(xué)路徑(5)的至少一段(5′)適用于暴露于外部機(jī)械作用下，以便通過(guò)所述傳感光學(xué)路徑的所述傳感光信號(hào)(b′)的傳輸作為所述機(jī)械作用的結(jié)果能夠被改變，從而在所述傳感電信號(hào)(d)和所述參考電信號(hào)(e)之間產(chǎn)生相移。此外，所述至少一條參考路徑(4)包括移相裝置(11)，適用于在沒(méi)有任何機(jī)械作用施加在所述至少一條傳感光學(xué)路徑(5)上時(shí)使所述至少一個(gè)輸出傳感電信號(hào)(d)和所述至少一個(gè)輸出參考電信號(hào)(e)之間的相移保持在一恒定值，致使傳感器的工作點(diǎn)保持在集中于預(yù)定相移的范圍內(nèi)，因此能夠改進(jìn)傳感器的靈敏度。
文檔編號(hào)G01L1/24GK101059333SQ200710096979
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者阿爾貝托·瓦蘭, 西爾維奧·阿布拉特, 圭多·佩羅內(nèi) 申請(qǐng)人:都靈無(wú)線基金會(huì), 瑪利奧·鮑拉高等研究院, 都靈理工大學(xué)