位移测定的装置和方法

专利名称:位移测定的装置和方法
本发明涉及对一个物体进行位移测定的装置和方法。
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。
本发明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。
根据本发明的第一个方面，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)。
此处和所附权利要求
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。
在后一个实施例中，对于图17所示组件，最好在真空下密封，以防光隙污染。
现在回到装置的检测部分，上面描述的与图3和4及图6和7有关的检测技术是基于对在两个预定波长上入射的辐射光进行比较。本发明不限于仅仅参照两个波长来实现检测，下面要解释和描述另一种检测技术，在这种技术中，从调制器接收的光信号实际的颜色或主要的颜色是被量化的，而且在实际上使用了多个不同波长的入射辐射光。
为了帮助理解下面叙述的检测器实施例的概念，首先回顾一下有关颜色测量装置的一般概念和原理是有利的。
图18示出了一个普通的三维色空(colous-space)图，图中，径向表示色饱和度，圆周表示色调，以及轴向表示亮度。下面所描述的技术，其原理与测量色调有关，而色饱和度可以近似地由光谱功率分布(Pλ)来描述。
要定量的确定颜色，通常是用色度图来实现的，世界普遍接受的是转载于图19的称之为C.I.E.(国际照明委员会)图。在此图中，纯色谱处在色度坐标(如下面所定义)确定的x∶y空间内的马蹄形封闭曲线中，各种等级的色饱和度或一个占支配地位的特定的波长，是由在这条边界之内的位置所决定的。白色对应于坐标(0.33，0.33)的点。这样，通过使用这张图，任意特定的颜色均可由在两维平面上的单个点来确定。
色度坐标(x，y)是这样来确定的x＝ (X)/((X+Y+Z)) …方程式(1)y＝ (Y)/((X+Y+Z)) …方程式(2)这里 X＝∫λPλ
xλdλY＝∫λPλ
yλdλZ＝∫λPλ
zλdλPλ是光谱功率分布在波长λ上的功率。
xλ，
yλ，
zλ是色匹配函数，即三个不同波长的函数对应于三个不同接收器的独立响应。
现在参照附图20，图中表示提供函数
xλ，
yλ，
zλ的三个接收器所需要的响应特性曲线。可以看到各个色匹配函数间有关的重叠。三个色匹配函数可以数字形式贮存，以供微处理机辅助分析，为了提供这些色匹配函数，已经建立了适合于各种颜色的数据库。
这样，对任何特定“不纯”颜色进行识别的常规技术需要借助三个接收器对那种颜色进行取样(该三个接收器具有图20所示的响应特性)，然后使用
xλ，
yλ和
zλ的结果值来计算色度图中对应该颜色的x和y值。
附图21示出了如何把一种颜色的变化表示在色度图上。图中左边的三张图(图21a，21b，21c)表示
z接收器(上面)
y接收器(中间)和
x接收器(下面)响应于第一颜色，右边的图(图21d，21e，21f)表示三个接收器响应于第二颜色。第一色具有由图21a，21b和21c中实线表示的光强/波长特性。响应曲线
zλ，
yλ和
xλ在所有图中均由虚线表示。z(＝∫λPλ
zλdλ)的值由图21a中实线曲线和虚线曲线重叠的面积给定。同样，y(＝∫λPλ
yλdλ)和x(＝∫λPλ
xλdλ)的值由图21b和图21c中实线曲线和虚线曲线重叠的面积给出。则根据方程式(1)和(2)可计算出x和y的值，结果得到图21g色度图中的点A。
在图21d，21e和21f中，第二色是由实线表示的，并由虚线表示响应曲线
zλ，
yλ和
xλ。x和y相应的值可再次用方程式(1)和(2)来计算，以确定图21g的色度图中的点B。
通过对光谱的某些部分加进或减去一定功率，导致颜色在色度图中沿直线A-B变动。当颜色变化是由相关的两部分位移引起时，诸如如上面与图1或图5有关的叙述，把滤色片插入在一束白色光中，则颜色沿直线A-B的变化能与所述的用于提供测量的相应位移有关。
对应于两个不同的参数，两个位移的测量也可以用如附图22所说明的上述技术来实现。在该装置中，用“白色”光源来代表零位移。“绿宝石色”和“红宝石色”代表第一和第二单独的位移极限，以用来监视第一和第二参数。如果“绿宝石色”位移是零，则“红宝石色”位移与实际参数2状态的指示成简单的线性关系。但是，如果参数1和2二者均不为零，则观察到的颜色可以是A(坐标xA，yA)，根据这一点，通过储存的校正数据，参数1和2的值可单值地确定。
上述的技术也可应用于具有多个色源的系统中。正如附图23示出的那样，引入的第四色源(例如蓝色)，把颜色范围增加到一个新的区域，因而导致用同一个测量系统同时地检测附加参数的可能性。但是，由于可以引入蓝色，也可以不引入，点A并非总是单值地确定的。
为了克服这种多值性，不按通常彩色视图那样仅仅根据两个参数(x，y)而是要把z参数也包括进去的表示法是必要的。这将能解决有关A的多值性。
上述讨论的用来确定“颜色”的概略原理是可以实现的，相应的代表数值也已经确定了。现在介绍依照上述原理，用来实现“颜色”测量的几种实用的颜色检测器。
首先参照图24，这里所表示的一个颜色检测器，其中引自(例如)上述类型的和本申请中图1，5，8或9至17任意一个所示的光调制器件的光，通过光纤90到达该检测器。从光纤90进入的光被加到三个颜色球91，92，93，每个球置于相应的光检测器94，95，96(例如光敏二极管)的前面。每个色球具有不同的色传递特性，这些球与检测器94，95和96的响应相结合，用来提供三种综合的色匹配函数，正如由前面确定的一样，x，y和z分别对应于X＝∫Pλ
xλdλY＝∫Pλ
yλdλZ＝∫Pλ
zλdλ函数x+y+z是计算得到的，由此能很容易地得到一种合适的模拟电路形式所需的函数x＝ (X)/(X+Y+Z)y＝ (Y)/(X+Y+Z)由此在色度图上确定的点x，y，提供了一个用数字表示的入射颜色。
事实上，上述的装置能被认为是进行三色匹配函数xλ，yλ，zλ的模拟积分运算。由于这样的一个检测器是测量“实际”的颜色，由于从上述类型的位移传感器产生调制，因此，这种装置也能被用来监视光束颜色的变化。
上述检测器的响应时间约为几个微秒或更短些。就硬件而言，这种装置的制造成本非常低，而且非常小巧。所需的数学计算是极少的，微处理机是可选的，但并不是必不可少的。
值得注意的是，这种检测器能同时处理一个以上输入信号，即，可以测量由一个以上参数变化而引起的颜色变化。因此，这样的一种检测器能被用作(例如)对一个位移传感器提供自动温度补偿(例如借助于“白色一绿宝石色”参数对温度敏感的性能)。
使用三个检测元件的上述检测器来模拟用于一般的颜色分析的三个检测器，具有这样的优点它不仅可以消除由于系统衰减增加而引起的光强变化，而且可鉴别由于系统老化而不是传感器调制引起的光谱特征的变化，而不使传感器的调制引起相应的可识别的变化。图25再次示出的是图19简化的变型曲线。线A-A对应于因调制而引起的颜色变化，而线B-B对应的是系统引起的颜色变化。在这种情况下，检测器输出的轨迹出现在两个方向上。
但是，三检测元件并不是必不可少的，正如图26，27和28所指出的那样，一个检测器具有两个光敏元件也是可能的。在图26中，来自一根光纤100的光被加到两个色球101，102，每个色球被置于相应的光敏元件(例如光敏二极管)103，104的前面。第一个元件103相对于波长的响应度被安排得与第二个元件104不同。根据来自两个元件103，104的信号，入射在检测器上的辐射光谱分布能利用色度(C.I.E.)图上的两个参数来计算。然后整理这些参数来确定上述物体的位移。
这点在图27和28。图28作为例子示出了第一和第二光敏元件103，104的响应曲线η1(λ)和η2(λ)，其信号幅度为Ⅰ(λ)。
O1＝元件103的输出
O2＝元件104的输出
然后运算元件105，106提供105信号输出＝ (O1)/(O1+O2) ＝X坐标106信号输出＝ (O2)/(O1+O2) ＝Y坐标当只用二个检测元件时，图27与图25中的图是等同的。线C-C相当于由调制引起的颜色变化，即，检测信号中占优势的颜色落在这条线上，线的轨迹为x+y＝1。这样，通过测定输出信号沿线C-C的移动，就能测出占优势波长的移动，通过校正，得到所需的距离测量，该距离即调制元件，从而也是物体已移动的距离。
多检测器系统的另一个实施例，采用对信号顺序而不是平行取样(如图26所示)。一个实际的形式包含称之为“色二极管”(colour diode)的元件，该二极管的输出信号由新近开发的电子线路处理以提供非常高的灵敏度和长期的稳定性。
更进一步的可能性是使用傅里叶变换光谱仪来进行检测和对调制元件的位移测量。这种方法示于图29，该图非常概略地示出了一个检测系统，其中来自光源T的并在敏感元件S(可以包括上述任何一种调制元件)中被调制的光，通过一个干涉仪，该干涉仪具有一个不断摆动的镜面M，而且只有单独的一个检测器D。所产生的光谱信号被转换成一个随时间变化的图象，以供连续处理和量化。
从上面的叙述中可以了解，本发明可以应用于各种各样的场合，可以直接用于位移测量，也可以经过变换来测量其他参数，例如，可用于单纯的位移或压力，温度，电流，电压，流量，液体深度等等的测量。
除了已经列举的优点之外，本发明还提供大量有吸引力的可能性。
(1)用一个公共的系统就能对诸如上面列举的所有项目进行测量。为了改变待测参数，只需改变与传感器接触的膜片的特性。大量的参数能同时地被监视。
(2)对于许多系统来说，来自自然光源引起的光谱信息总是需要的，传输和处理系统也是已经存在的。在原理上，来自色调制器的信息是能由这些现有的系统传输和处理的。例如，在包括等离子体加工，燃烧(工业规模和内燃机)，和功率开关设备这样的系统中是有吸引力的。
(3)与波长比例系统不同，色测量系统能更有效地利用辐射信号功率，因而改进了灵敏度和精度，大大地增加了光纤传输距离，并使包括长距离(若干公里)的工业应用成为可能。
权利要求
1.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。
2.如权利要求
1的设备，特征在于其中的辐射调制装置包括一个滤光器，该滤光器衰减所发送波长的光强至不同的强弱度，该滤光器被机械地连到所述物体，以使物体运动时改变滤光器的位置，从而改变该滤光器阻截由所述光源传播的辐射信号的强弱。
3.如权利要求
2的设备，特征在于其中的滤光器包括涂有高温陶瓷釉层的玻璃。
4.如权利要求
2或3的设备，特征在于其中的辐射调制装置包括一个第二滤光器，该滤光器将发送波长的光强衰减到不同的强弱度，所述第二滤光器被安排成与所述物体有关的安装形式以使物体的温度变化引起第二滤光器的移动，从而改变第二滤光器阻截由所述光源传播的辐射信号的强弱。
5.如权利要求
2的设备，特征在于其中的滤光器是一个显色、透明的球状体，该滤光器不仅提供所述辐射的调制而且具有聚焦作用。
6.如权利要求
5的设备，特征在于其中的滤光器包括多个所述的显色透明球体，配置成一细长阵列。
7.如权利要求
6的设备，特征在于其中所述多个球体被配置成一水平行，在该行中相邻球体的外缘面之间均成点接合，以致所述物体的位移导致整行球体相对于所述通路的轴向位移。
8.如权利要求
6的设备，特征在于其中的多个球体被配置成围绕一个环路，该环路的圆心位于物体的旋转轴上，以便检测可旋转物体的角位移，而且邻接球体的外缘面之间的接合为点接合。
9.如权利要求
5的设备，特征在于包括多个不同光谱特性的所述显色、透明球体，这些球体宜于在所述通路内根据各个待测定位移，沿对应的不同方向而移动。
10.如权利要求
2的设备，特征在于其中滤光器包括一个圆柱形元件，该元件对入射辐射光至少是部份透明的。
11.如权利要求
10的设备，特征在于其圆柱形元件的颜色吸收特性是沿该元件的长度而变的。
12.如权利要求
11的设备，特征在于其滤光器包括一个具有一显色段和一透明段的圆柱形元件，而且在所述显色和透明段之间的转换清晰地出现在一条相对于该元件纵轴倾斜延伸确定的界限上。
13.如权利要求
11的设备，特征在于其滤光器包括一个透明的圆柱形元件，该元件含有一着色颜料，该着色颜料的密度沿元件的长度方向而减少。
14.如权利要求
2的设备，特征在于其滤光器包括一个锥形元件，该元件至少可部分透过入射的辐射光。
15.如权利要求
1至14的任一设备，特征在于其中，光从光源到辐射调制装置又从辐射调制装置到检测器的传输是通过各自的光纤来实现的，两光纤的一个末端相隔一个间隙，辐射调制装置可在此间隙内运动。
16.如权利要求
1至15的任一设备，特征在于其检测器适于监测当辐射调制装置随所述物体移动时的两个分隔的预定波长的入射光强度之比，该检测器可利用物体的已知位移而被予先标定，以致在所述两个波长上测得的比值可看作物体的某个予标定位移。
17.如权利要求
1至15的任一设备，特征在于其检测器利用至少两个颜色接收器适于监测来自所述辐射调制装置、投射在其上的光的颜色，所述颜色接收器具有各自的响应特性以使接收器的输出信号X，Y分别相当于X＝∫Pλ
xλd
和Y＝∫Pλ
yλdλ，从而使色度图中的x和y值可通过后者信号的简单模拟变换而计算出来，Pλ是波长λ的光谱功率分布，
xλ和
yλ是与接收器各自响应特性相对应的色匹配函数(colour matching functions)。
18.如权利要求
17的设备，特征在于其中的颜色接收器被平行使用。
19.如权利要求
17的设备，特征在于其颜色接收器被顺序使用。
20.如权利要求
17至19的任一设备，特征在于每个所述颜色接收器包含有不同色响应特性的各自的滤色器。
21.如权利要求
20的设备，特征在于为确定色度图中x和y值的装置包括分别确定值x＝ (X)/(X+Y) 和y＝ (Y)/(X+Y) 的计算元件。
22.如权利要求
1至14的设备，特征在于其检测器包括一个付里叶变换光谱仪。
23.如权利要求
22的设备，特征在于其付里叶变换光谱仪包括一个部分传输的摆动着的镜面，该镜面接收来自辐射调制装置的光，还包括单个检测器一它接收来自一对镜面的某种光干涉图，这对镜面分别位于摆动着的镜面的前面和后面。
24.用于测定一个物体位移的方法，其特征在于包括如下步骤-使一束多色光束(如前所定义的)射向辐射调制装置，该调制装置被机械连到所述物体，以使其与物体同时运动，物体的位移被安排成引起辐射调制装置在所述光束通路中的位移，从而去改变通过所述辐射调制装置发送的光谱成分分布;及-检测由所述辐射调制装置发送的多个不同波长的光强，以提供所述位移的测量。
25.如权利要求
22所述的方法，特征在于还包括如下步骤-对由辐射调制装置所发送的光进行两个予定波长上的光强测量，-计算这样两个波长上的光强之比，-计算辐射调制器的位移，从而-将该计算比值同不同位移的所得标定结果进行比较而得到的物体的位移。
26.如权利要求
23所述方法，特征在于其中多个光强比取决于所需的测量灵敏度而算得。
专利摘要
一用于决定物体位移的装置包括，一将多色光沿光路传到检测器(22)上的光源(10)，该检测器能检测多种不同波长的入射辐射的密度；一与所说物体机械连接，一起位移的辐射调制装置(16)，所说的物体的位移使得辐射调制装置在所说的光路上的位移以改变到达检测器的光的光谱分量分配。辐射调制装置包括一以不同程度衰减透射激光密度的滤波器，它与所说物体机械相接，使得物体运动能变化滤波器的遮断从光源来的辐射信号的程度。
文档编号G01D5/26GK86105345SQ86105345
公开日1987年10月7日 申请日期1986年9月6日
发明者戈登·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 申请人:利物浦大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan