【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对一个物体进行。已知的位移测量系统的工作范围取决于单一波长下的光强的绝对测量值。这类系统，特别是使用纤维光学的这种系统易受时效影响并会因一点故障而丧失可靠性。还有一种测量位移的已知方法是利用某种光学谐振结构一其谐振特性作为所述位移的一个函数而变化。然而要实现这样一种结构是相当复杂而昂贵的。本专利技术的一个目的是为提供一种用于对物体进行位移测定的设备和方法，该设备和方法减少了已知系统所涉及的各种问题和不足。根据本专利技术的第一个方面，所提供的对物体进行位移测定的设备包括一个光源，该光源将多色光信号沿一条通路传送到一个检测器，该检测器能检测多种不同波长的入射辐射光的强度，该设备还包括一个辐射调制装置一被机械地连到所述物体，以便同时移动，使物体的位移引起辐射调制装置在所述通路上的位移，从而去改变到达检测器的光谱组分的分布(distributed spectral content of the light)。此处和所附
【技术保护点】
用于测定一个物体位移的设备，其特征在于包括：—一个光源—沿一条通路将某种多色光（如说明书中所定义的）传给一个检测器；—一个检测器—它能检测多个不同波长的入射光的强度；—一个辐射调制装置—它被机械地连接到所述物体，以便同时运动，该 物体的位移被设置成：引起辐射调制装置在所述通路上的位移，从而改变到达检测器的光谱成分分布。
【技术特征摘要】
GB 1985-9-6 8522202;GB 1985-11-25 8528982中所用的“多色光”一词是指包含多种波长的电磁辐射一它既可以是可见的、也可为不可见的电磁辐射或包括可见和不可见两种电磁辐射。多色的光源可产生(例如)一种白光信号;借助于辐射调制装置使物体的位移引起该白光信号的“(颜)色调制”，然后分析这“(颜)色调制”的光谱成分，从而确定引起该光谱的物体的位移。在某些实施例中，检测器的“色彩分辨力”上流(upstream)可借助传统装置来实现-诸如一块棱镜或衍射光栅;然后实际的检测可通过诸如电荷-耦合阵列等传统装置或通过对光敏元件进行扫描来完成。必要时，检测器的输出电信号可借助微处理机技术加以处理。信号分析的最简单形式就是采取对两种独立的光波长的强度之比进行监测。另一种可能形式即是可对到达检测器的光的实际颜色进行量化。涉及采用一台微处理器的图形分辨程序的更复杂的分析方法可用于多参数(multiparameter)或多倍精度(multiprecision)测量。光从光源到辐射调制装置和从辐射调制装置到检测器最好通过两根光纤来传输，这两根光纤纵向地被隔开一个间隙，而辐射调制装置可在最后的间隙中移动。在最简单的情况下，辐射调制装置可包括一个滤光条(filter strip)，该滤光条将发送的各个波长的强度衰减至不同的程度。将物体的运动安排成滤光器的移动，以改变滤光器阻截由光源传播的光信号的范围。滤光器最好构成能耐受高温和/或有腐蚀物质的恶劣环境。这样一种滤光器的一个实例包括涂敷一层高温陶瓷釉面作为光激活媒质的玻璃。这种器件不用专用设备，易于制造，可安排成易于获得一种理想的光谱性能的变化，这类器件价廉而又不易受时效影响(同传统地用于科研目的的精密滤光器相比较，它们具有所需的确定带宽是精确而又昂贵的)，从而改变白光的光谱成分，即对某些波长的光信号的衰减比对其余波长的衰减要大得多。通过测量光谱成分，则滤光器相对于载有光信号的光纤的位移(因而也是对应于物体的位移)可通过校正来确定。由于某些波长(通常在红外线区内，是不受滤光器影响的，所以可利用这些波长的光去访问系统的状态。通过适当选择要监测的波长即可获得位移的粗、细分辨度。通过采用两个互相垂直移动并具有不同光谱响应的滤光器，可用同一个检测系统同时地监测位移的两个参数而不用附加光纤。这可利用合适的软件控制而用作获得位移传感器温度补偿的一种手段。虽然采用提供“宽带滤光器调制”(“broad band filter modulation”)的滤光器适用于许多应用场所，但在位于两根光纤之间间隙的滤光器的行程开端存在一个不灵敏区。还有在诸如延长的长度定标之类的其它用途中，在位移量程的灵敏度不足部分则是不合格的。为了克服这些问题，该简单的滤光条可用一个着色的透明球来代替。这能起到双重作用既能用来调制光谱成分(如在滤光条的情况一样)，同时又能提供聚焦作用。可将这种聚焦作用设置成提高由球面发送的波长的光强而降低滤光后波长的光强。这能导致一个更大的随位移而变的相对光强的线性变化，从而在不损害灵敏度的情况下增大了范围。为测定多个方向上的位移，可采用多个这样的着色球-它还可用于测定所经距离大于单个球的大小的位移。称之为“红宝石球”的就是这类着色球的一个实例。这些彩球易于获得、易于精确地加工成所需尺寸而且价格低廉。现仅以举例方式对本发明的具体的实施例参照附图加以描述，附图中图1是根据本发明第一实施例的一个装置的示意图;图2a至2e是图1中沿箭头Ⅱ-Ⅱ方向上的视图;图3是图1和图2所示滤光器不同位移时的光强对波长的曲线图;图4是由图3得到的光强之比对位移的关系曲线图;图5是根据本发明第二实施例的一个装置的示意图;图6是图5所示滤光器在各种位移时的光强对波长的关系曲线图;图7是由图6所得到的光强对位移的关系曲线图;图8是根据本发明第三实施例的调制装置的示意图;图9是沿图8中箭头Ⅺ-Ⅺ方向的视图;图10、11和12是相应于本发明第四、第五和第六实施例的调制装置的示意图;图13是根据本发明第七实施例的一个调制敏感装置的一个概略的断面图;图14至17是说明调制敏感装置的另一实施例的示意图;图18是一个传统的三维颜色空间(colour-space)图;图19是所谓C.I.E.色度图;图20表示形成函数xλ，yλ和zλ的三个接收元件的响应特性;图21说明按常规呈现在色度图(图19)上的颜色变化情况;图22用图说明了该色度图上的两个位移的测量;图23说明怎样能把第四种颜色提供在色度图上;图24说明用于根据本发明一个系统中的颜色检测器的一个实施例的结构;图25是色度图的一个简化方案;图26说明供本发明之用的一个颜色检测器第二实施例的结构;图27和28是用来说明图26的颜色检测器工作情况的图;和图29是说明供根据本发明一个系统所用的颜色检测器的另一实施例的图。首先参见图1，图中概略地示出一个宽带电磁辐射源10，一块凹面镜12-将组合的多色光(其可包括可见和/或不可见辐射)投射到第一光纤14的一端。邻近第一光纤14的另一端是一个取蓝滤光器形式的辐射调制元件16。该滤光器属低光质(low optical quality)并因带有一层陶瓷釉而显色，因此是价廉而能经受住长期持久的腐蚀和炎热环境条件。该滤光器被附装到一个物体(图中未示)，而物体的位移是待测的，(正如以后要说明的)。光在穿过滤光器之后，进入第二光纤18，继而到达折射装置20，装置20包括多个棱镜而将(投射)光分为其组分。每个组分的光强是借助一传统检测器22而测得的，检测器22例如是通过电缆24连接到一台微处理机(图中未示)的一个电荷耦合器件阵列，所述微处理机对所接收到的光进行不同波长的光强计算。蓝色滤光器16是由于与其连在一起的物体的运动而被带动，正如图2a至2e中所概略表示的。在图2a中，滤光器未横截通过光纤14、18之间的光路。而图2b，2c和2d中的滤光器以不同的量，部分地横截该光路，在图2e中，通过光纤14、18之间的光全部通过滤光器16。图3所示的是对滤光器的不同位置x而言，所发送光的光强(Ⅰ)对光的波长(λ)的关系曲线。图中表示了对应于图2a至2e的各位置x1至x5，x1对应于图2a中滤光器16的位移，而x5对应于图2e中滤光器16的位移。从这条曲线和利用已知的位移值便可组成一条标定曲线，4条这样的(标定)曲线示于图4中。图4表示了两种波长的光强之比对位移的关系曲线。所选的两种波长是用B/A，C/B，D/C和E/D来表示的，其中B/A是指波长分别为B和A时的光强之比，对C/B，D/C和E/D也一样。A对E的波长可在图3中确定。因此，一旦已完成光强的标定，则为计算滤光器16的位移，只需要测量发射光在两种不同波长时的光强，通过计算它们之比和将此比值同标定值比较便可得到位移值。近似的工作范围示于图4中。不难看出选择不同波长则会导致装置的不同灵敏度。例如采用波长C和B时，装置给出比较粗略的灵敏度，而在位移轴上的7至8范围内，波长D和C则给出一个精确的灵敏度。仍参见图4，由上述可知，我们能利用比值C/B作为粗略灵敏度测定;利用近似垂直的D/C曲线段作为精确灵敏度测定;利用近乎水平的B/A比作为“系统状态”监视;而利用比值E/D可作为交叉校验信号。不难理解可以不用作出标定曲线，而将校准测量值馈入一台微处理机或计算机，则计算机可通过将接收到的两种波长信号光强同标定情况下的波长光强进行比较来计算滤光器的连续的位移。也不难理解进行测量时可在不同的位移量程内，使用不同的波长。本发明的第二实施例概略地示于图5中。该设备与图1所示设备的不同点在于用红宝石球16′替换了构成调制元件的蓝色滤光器16。采用类似于第一实施例的方法，借助在某些波长范围内吸收最佳的方法引起调制，该装置利用已知的位移对不同波长进行标定。对位移的各种已知值下作出了光强对波长的曲线(示于图6中)并从这些曲线画出了两种波长的光强之比对位移的标定曲线(图7)。如同第一实施例一样，波长标记为A、B、C、D、E(不一定同第一实施例相同)，在图7中，标记B/A，C/A和D/A和D/E的含义同第一实施例中的一样。由图6可见球面的滤光作用使波长A的强度减弱而球面的聚焦作用又使波长B的光强增强。这两个因素的结合就使比值ⅠA/ⅠB(其中Ⅰ为光强)随位移的变化更线性化，这一结果可从图7看出，该图中比值B/A，C/A和D/A都比图4中的曲线情况更线性得多。比值D/E再次提供了一个“系统状态监测”信号。如同第一实施例，不需实际地作出标定曲线，而是可将标定信息馈入一台微处理机或微型计算机，从而由得到的两个不同波长的光强比，可得到位移的计算值。为提供同时监测两个或三个位移的可能性，采用两或三个不同的显色球可能更可取。由于人们所要求的只是光强的比值而不是光强的本身值，显然，这是可能的。本发明的第三实施例示于图8和9中，该设备除采用两个颜色不同并彼此接触的球36、38外，与图5中所用的设备相同。由于这两个球具有不同的光谱特性，故两球沿两个方向的位移可通过检测各种波长的光强，计算相应的比值并将所得到的值同每个球的标定值进行比较而确定。最好所检测的波长是其中一个球能透射而另一个球不能透射的波长，因为由此得到的测量结果就不需要对由另一球透射的辐射量校准。如前所述，光强的测量、其比值的计算和计算两个方向上的位移可通过一台微处理器或计算机来完成。如前所述，对每个球的校准也可用计算机来实现。如果想检测三个或三个以上方向的运动，则要采用如方向数相同数目的球。例如若要求测三个方向，则要用具有不同光谱性能的三个球。以上所述的变化示于图11中。所用的设备除用7个球16′替代了图5中的球16′外，实际上与图5设备相同，这里的七个球在一个物体上排列成一个圆圈，而该物体围绕穿过该圆圆心的一根轴旋转。此处标记A、B、C和D为四个不同类型的球，其每一个球相对于光强比的各种角位移已被标定。由于这些球的不同的光谱特性和彼止相对的排列次序，使得测定角位移和检测物体的旋转两个目的成为可能。本发明的第四实施例示于图10中。该设备除了用多个红宝石球28替代了图5中红宝石球外，大致与图5所示设备相似，多个球28被固定地插入在一根标尺上的水平槽30内而维持在一根直线上。图10中还示出了第一光纤14和第二光纤18。使用时，标尺是可沿着箭头32所示方向，即沿着槽30的轴向而移动的。辐射源和红宝石球与图5实施例中所用的源和球一样，同时标定也和图5实施例所得到的标定相同并将被用在此后的讨论中。球沿箭头32方向的运动引起了被检测波长的光强的变化从而导致光强比的变化，同时利用对一个红宝石球所获得的标定(见图7)，即可通过(例如)一台微处理机或计算机来计算这种运动和运动的方向。由于图示的安排，使具有一个长测距标尺(约为数米)成为可能，而这种标尺还很精确(优于20微米)。这可通过测量一个适当光强比下的标尺的粗略移动和用不同光强比去测量很小的位移一例如对相应于位移路经末端的最后一个球的测量。例如参见图7，可知每个球的光强比/位移曲线是对称的，因此可检测每个球的通道，并累计每个球通道直到产生所有位移的计算值。精度(精确的灵敏度)测量只需对最后一个球进行。红宝石球定标的另一优点在于仅用一个单色光源和两根光纤即可测量到位移和运动方向两个参数。粗测位移的一个可供选择的方法是备有不同颜色的球34，球34使不同波长的传输能用沿槽固定间隔的红宝石球逐一透射替代的方法来实现。不同波长的检测则由已通过的不同颜色球的数目来表示，由于这些球的直径有精确的尺寸，故能粗略估算位移值。一旦粗测已经发生，则就可进行如前所述的精测。注意不同颜色的球34也必须被标定以使可用多个波长的光强比去测量小距离。上述测量可借助于微处理机而自动地完成。微处理机可被用来累计已被检测的不同色球的数目并计算相应位移。然后，粗测位移可被储存，继而利用如前所述的光强比进行的精确位移测量结果来校准该粗略位移。本发明的一个用途概略地示于图12，该图所示的一个电压测量装置包括一个半金属膜片40和与其隔开的一块导电板42。当在膜片和导电板两端加上一个电位差时，使膜片朝着板42变形。连到膜片的红宝石球44随膜片移动，同时利用图5的设备(图中未示)，可得到该膜片的位移，因为该位移与所加电压成比例，而所加电压可通过标定而得出。图13示出了一种压力传感器形式的又一应用。橡皮膜片48把传感器盒50分成基准压力部分52(其经由通道54与基准压力相通)，以及一个压力部分56，(要测量压力的液体被引入其内)。一个红宝石球58固定于橡皮膜片上，并能在入口光纤14′和出口光纤18′之间移动，每根光纤被安置在一根保护套管60中。该设备的其余部分与图5中的相应部分相同。当部分56中的压力变化时，膜片和红宝石球就移动。通过测量不同波长光强的比率，以及通过对测量的压力进行校正，来获得红宝石球的位移。在另一个实施例中，辐射调制装置可以是诸如光纤这样的圆柱元件。象上面谈到的红宝石球一样，圆柱形元件的弯曲面提供一种聚焦作用，以增加装置的线性和/或灵敏度。调制元件特别有效的形式是一种带有着色颜料的透明圆柱形元件62，颜料的密度/厚度随元件的长度而变。在一种方案中(见图14)，滤色区64和透明区66之间的变化出现在斜边68这个明显的界限上。在另一种方案中(见图15)，没有变化的边界，着色端69a和透明端69b之间，滤色颜料的密度是扩散地减少到零的。要注意的是，圆柱形调制元件可以以两种方式使用一在横向方式中，其作用类似球形元件，或反过来，在纵向方式中，(作平行于圆柱长度方向的移动)，当采用某种分级技术时(如图14或图15)能增加范围，并能保持聚焦作用。图16示出了图1和5装置的另一种改型，其中用锥形结构的调制元件70代替了平板或球形的调制元件。使用锥体可以根据其位置来变化滤色材料的厚度。和前面一样，利用其弯曲面来提供聚焦作用。图17示出了一个使用图14调制元件的小型压力传感器的实际例子。在本例中，多色光束不是直接在光纤导管14a，18a的末端之间通过，而是通过使用两块倾斜的镜面72a，72b作180°的弯折，以使光束能从装置相同的末端进入和离开。圆柱形调制元件62一具有由倾斜界面68分开的有色区64和透明区66，被可滑动地安装在本体76上的圆形引导孔74中，以便插入在倾斜镜子72a，72b之间反射的光束中。调制元件的另一端穿过本体76上的一个内部凹口80与膜片78连接，这是用作测量压力时的要点，调制元件62对应的位移是由检测系统提供对压力的测量而测得的。...
【专利技术属性】
技术研发人员：戈登里斯琼斯，詹姆斯洛多维科莫鲁齐，阿卡纳普拉加达约拉亚纳普拉萨德，
申请(专利权)人：利物浦大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]
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