专利名称：一种用于测力的设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及对力的测量，特别涉及对机械力的测量，例如横向力(压力)和旋转力(扭转力)。本发明详细地涉及使用光学传感器对力的测量，更详细地涉及使用包括低成本光纤和元件的光学传感器和/或感应器对力的测量。最后，本发明涉及一种用于测力的设备和系统，所述的设备和系统包括低成本光学传感器和/或感应器。
背景技术：
在过去几年间，大量研究工作致力于提供以非常可靠的方式测量和/或检测机械力的设备。承袭已发展和提出的设备和系统，基于非常复杂精密的电子组件的系统和设备已成为最大程度使用的设备和系统。这要特别归因于集成电路部分的发展和采用非常复杂功能的电路的尺寸的相应减少，所述的情况提供了微小的适用于各种用途以及非常困难条件下的电子传感器。例如，已知有尺寸控制在几个立方毫米之内的电子传感器。此外，在计算手段的领域中，特别是在适于在始终较短的时间内详尽描述非常大量数据的软件领域，最新的发展已能容许对电子传感器检测到的数据以自动及可靠的方式进行详细描述。最后，包括生产电子传感器的成本在内的电子系统的成本降低，使得所述电子传感器可用于多种用途和应用。
然而，不管上面引用了多少电子传感器提供的优势，所述的电子传感器并非没有缺点，特别是当所述的电子传感器被用来测量例如压力和扭转力的机械力时。影响电子传感器的最相关的缺点起因于，需要电流来操作电子传感器。在有力作用于电子传感器的情况下，流经该传感器的电流受到作用在其上的力的影响，所以该电流的变化可被检测到并被用于获取对作用于该传感器上的力的强度的指示。
但是，流经该电子传感器的电流也可能受到外界环境的影响，因而致使电子传感器在关键的环境中应用时可靠性降低，例如在雷暴期间暴露于静电放电下的建筑物中，或者在电磁干扰的工业建筑物中。此外，在高可燃性材料的存储区域使用电子传感器可能变得困难或有风险。最后，某些类型的电子传感器也不适合生物医学的应用，因为提高了触电致死的风险。
因此，由于上面解释的问题，期望能提供一种可解决或减少这些问题的技术。特别地期望能提供适合用于受静电放电影响的建筑物中和/或受干扰的工业建筑物中，或甚至是用于高可燃性材料的存储区域中的传感器。同样，期望能提供适用于生物医学应用的用于测量和/或检测力的传感器。此外，期望提供其特点为低成本、轻质、尺寸小且侵入性最小的传感器。最后，期望提供用于可靠地测力的传感器，其可与低成本、简单且公知的装备结合使用。
发明内容
一般而言，本发明基于的考虑在于，力，特别是例如压力或扭转力的机械力可以由直接或间接作用在所述光路上的力所引起的通过所述光路的光的变化来测量和/或检测。特别而言，本发明的工作原理是利用了在具有测试力控制的连接衰减的光路输出中检测到的光电流的变化。特别地，可观察到如果在测试力的作用下光学装置渐进地插入光路，使用所述的适合于改变通过所述光路的光信号的传送的光学装置，该传送的光信号的变化可被有效并可靠地用于获取与测试力相关的指示，例如，该力的强度和方向等等。这是特别地通过将经光路传送的光信号的变化转化为对电流或电压的测量而获得的。虽然根据本发明的检测方法在原理上可能非常普通，但是其在检测和/或测量力-特别是例如压力或扭转力的机械力-的用途上非常可靠。此外，当使用光纤来限定光路时，除了光纤通常的优势例如轻质、侵入性最小、抗电磁干扰和不可能引起火灾或爆炸外，还产生了成本方面的优势。最后，如果使用的是数值孔径高的光纤，例如标准聚合物光纤(POF)，由于相对的光纤之间可接受的间隙大，所需机械公差较低以及可能利用低成本资源和光电探测器也会产生优势。
在上述考虑的基础上，本发明第一实施例涉及一种如权利要求1所要求保护的光学传感器，即一种用于检测作用于其上的力的光学传感器，所述传感器包括适于通过其中传送光信号(4a，4b)的光路，所述光学传感器的特征在于，其包括可移动装置，适于在所述光学传感器上施加的力的作用下移动，从而随着其相对于所述光路的位置的变化改变所述经过光路的光信号的传送。
依照本发明的另一个实施例，提供了一种如权利要求3所要求保护的光学传感器，即一种适用于测量，例如压力的力的光学传感器，其中所述的光路包括连续设置并且各适于接收和发射光信号的第一和第二光纤，且所述光学装置包括滤光片，该滤光片由于作用在其上的横向力而在所述两根光纤之间往复运动，从而随着其在所述第一和第二光纤之间的位置的变化，至少部分地吸收从第一光纤射出的光信号。
依照本发明的再一个实施例，提供了一种如权利要求6所要求保护的光学传感器，即一种光学传感器，所述光路包括一根光纤，且其中所述光学装置包括设置于所述光纤一端的附近的光学镜，所述光学镜在作用于其上的力的方向上充分地往复运动，从而随着其与所述光纤的相对位置的变化，至少部分地反射从所述光纤射出的光信号。依照本发明的又一个实施例，提供了一种如权利要求7所要求保护的光学传感器，即一种光学传感器，其中所述的光路包括至少三根连续设置并且各适于接收和发射光信号的光纤，且其中所述的光学装置包括至少两个滤光片，各滤光片由于作用在其上的力而在所述两根连续的光纤之间往复运动，从而随着其在所述两根连续的光纤之间的位置的变化，至少部分地吸收经过两根连续光纤传送的光信号。
依照本发明的另一个实施例，提供了一种如权利要求10所要求保护的光学传感器，即一种光学传感器，其中所述的光路包括至少三根连续设置并且各适于接收和发射光信号的光纤，且其中所述的光学装置包括至少两个滤光片，各滤光片由于作用在其上的力而在所述两根连续的光纤之间往复运动，从而随着其在所述两根连续的光纤之间的位置的变化，至少部分地吸收经过两根连续光纤传送的光信号。
依照本发明进一步的实施例，提供了一种如权利要求12所要求保护的光学传感器，即一种光学传感器，其中所述光路包括两根连续的光纤，并且其中所述的光学装置包括分别安置在两根光纤之间并稳固地固定于所述光纤相对的末端部分的两个滤光片，所述两个滤光片的至少一个由于作用在所述传感器上的力而适合于旋转，从而随着所述两个滤光片的相互位置的变化而改变所述通过光路的光信号的传送。
依照另一个如权利要求18所要求保护的实施例，本发明的光学传感器包括弹性装置以施加对抗作用在传感器上的力的反作用力。
还提供一种如权利要求20所要求保护的测量设备，即一种包括本发明的光学传感器的测量设备。
最后，还提供一种包括装备有本发明的光学传感器的测量设备的测量系统，用于测量例如压力或扭转力的力。
此外，本发明附加的实施例由所附的权利要求所限定。
本发明进一步的优点、目标以及特征还有实施例都由所附的权利要求所限定，并将通过下述结合附图的详细说明变得更为清楚，其中相同的标记表明同样的相应部分。附图中图1a和1b为依照本发明第一实施例的光学传感器的工作原理；图1c为图1a和1b的光学传感器被容纳进适于提供反作用力以对抗作用在该光学传感器上的力的弹性套的示意图；图2a、2b和2c为适用于本发明的光学传感器中的可能的光学元件的示意图；图3为使用图1a和1b的传感器的测量设备的电气布局设计示意图；图3a和3b为分别适于同本发明的光学传感器结合使用的发射和接收设备的相应示意图；图4为依照本发明第二实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图5为使用了图4中的光学传感器的测量设备的电气布局设计的示意图；
图6a和6b为使用了本发明的光学传感器的相应测量系统的电气布局设计的示意图；图7a为依照本发明进一步的实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图7b为依照本发明另一个实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图8a为使用了图7a中的光学传感器的测量设备的电气布局设计的示意图；图8b为使用了图7b中的光学传感器的测量设备的电气布局设计的示意图；图9a和9b为依照本发明进一步的实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图9c和9d为依照本发明又一个实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图10a和10b为依照本发明再进一步的实施例的光学传感器的工作原理的示意图；图11涉及通过依照如图11a和11b所图示的本发明一个实施例的所述光学传感器所传送的电信号的图表；图12为使用图9a、9b、10a和10b的光学传感器的测量设备的电气布局设计的示意图。
具体实施例方式
虽然本发明是参考了如下列详细说明以及附图中所说明的实施例而得到描述的，但是应理解的是，下列详细说明以及附图并不用于将本发明限制为所公开的特定的说明性的实施例，而是所描述的说明性的实施例仅例示了本发明的多个方面，本发明的范围是由所附的权利要求所限定的。
可了解到当本发明用于检测和/测量例如压力和扭转力的横向力和转动力时具有独特的优点。因此，下面举出例子，其中依照本发明的光学传感器的相应的实施例被用于检测和/或测量压力和扭转力。然而，要注意到依照本发明的对该光学传感器的使用并不限制于对压力和扭转力的检测和/或测量；相反，依照本发明的光学传感器也可以用作对作用于其上的不同的力进行测量和/检测的用途。所以，本发明对于所有这些力的测量也是可用的，且下面所说明的横向力(压力)和/或转动力(扭转力)可代表作用在该传感器上的任何力。
下面将参照图1a和图1b对本发明的光学传感器的第一实施例进行说明。
在图1a和1b中，标记1表示某类适于检测和/测量横向力(压力)的光学传感器；特别地，图1a和1b的光学传感器包括两根连续设置从而限定了适于传送光信号(光)的光路的光纤2a和2b。光纤2a和2b如此设置使得在第一光纤2a和第二光纤2b之间形成一道间隙；第一光纤2a和第二光纤2b都适于接收和发射光信号。该光学传感器1进一步包括光学装置3，其适于在光纤2a和2b之间的间隙中沿着图1b中箭头5的方向往复运动。此外，在图1a和1b中，标记4a和4b分别表示进入光纤2a的光信号和从光纤2b中射出的光信号。光学装置3可以包括任何适于对经由光纤2a和2b定义的光路传送的光信号构成障碍或干扰，从而改变经由该光路进行的光信号的传送的装置。例如，该光学装置3可以包括完全不透明的或者具有渐变吸收剖面的滤光片，从而至少部分地吸收沿着光路的光信号。
图1a和1b所图示的光学传感器1的工作原理是基于光学装置3逐渐插入两根相对光纤2a和2b之间。如果没有应用任何力(见图1a)，两根光纤2a和2b之间不会有障碍并且进入光纤2a的光信号4a耦合进入输出光纤2b；这意味着，除了经间隙的衍射引起的确定损失的情况以外，射出光纤2b的光信号强度4b的基本上与进入光纤2a的光信号强度4a相应。如果有应用力，例如图1b中图示的横向力3F，则该光学装置3被逐渐地插入所述两根相对的光纤2a和2b之间(见图1b)，从而构成了改变经由所述光路的光信号的传送的障碍；换言之，射出光纤2b的光信号强度4b相应于进入光纤2a的光信号强度被成比例地减少了，或者说是随着所述光学装置3在两根光纤2a和2b之间的位置的变化而改变；随后，两个光信号4b和4a之间的差(例如，涉及两个信号的强度的差)可根据作用在所述光学装置3上的力3F的大小而产生。例如，可通过使用合适的弹性装置对所述光学装置3的运动进行阻碍而做到这一点；下面将会参照图1c对合适的弹性装置进行说明。当然，该弹性装置必须具有可根据要被监视的力的范围进行选择的适当的弹性常数。
在图1a和1b图示的实施例中，所述两根光纤2a和2b被稳固地固定并且只有所述光学装置3(所述的滤光片)可在应用力的作用下移动。然而，在与图1a和1b所图示的相反的情况下的实施例也是可行的。例如，将所述光学装置3进行稳固地固定，同时将所述的力作用在光纤2a和2b两者或其中之一上的实施例也是可行的。
此外，为了减少机械组件的主要外观，可以用合适的透镜系统对光信号进行放大然后进行再聚焦；适用于该用途的透镜系统对于本领域技术人员来说是公知的，因而不再作过多描述。
如上所述，所述滤光片3可以完全不透明或者具有渐变吸收剖面以便更精确地控制读取分辨率。具有渐变吸收剖面的滤光片的例子图示在图2a至2c中；特别地，图2a中用添加到滤光片3的横截面上的参考坐标系X、Y图示了该滤光片的吸收剖面。在图2a中，Y轴与沿着光路的光信号的传播方向平行；X轴与Y轴垂直并位于该图的平面上；Z轴与X轴和Y轴都垂直。该滤光片3的吸收剖面是该滤光片3的两个相对的边缘的吸收率最大，到该滤光片3中部逐渐减到最小；假设该吸收率沿着Z轴保持恒定。从图2b和2c中可以直观地看出使用如图2a所图示的具有渐变吸收剖面的滤光片较为方便的原因；在图2b和2c中，图示了图2a中装配件的横截面，该图示截面所处平面垂直于图2a中的平面并位于该滤光片3和左边的光纤2a之间的空间中。如图2b所示，当该滤光片被插入两根光纤2a和2b之间的空气间隙(由于作用在其上的力的缘故)达到深度d时，预定的部分(图2b中的虚线部分)就被滤光片3遮住了；相应地，在使用完全不透明的滤光片的情况下，经该光路传送的光信号相应的部分就被滤光片3吸收。但是，在图2c中的滤光片3位移达到深度2d的情况下(两倍于图2b中的距离)，光纤2a的横截表面的部分被滤光片3(图2c的虚线部分)遮住或掩盖，其中所述部分多于图2b中虚线部分的两倍。因此，被滤光片3吸收的光信号部分就多于图2b的位移d情况下的两倍。如果假设位移d和2d分别对应于作用在滤光片3上的两个力F和2F，可意识到在使用完全不透明的滤光片的情况下，光信号的吸收率与作用在滤光片-也即传感器1-上相应的力之间的关系是非线性的。相反，如果使用具有如图3中所图示类型吸收率的滤光片，则可在被吸收的光功率和作用在所述传感器上的力之间建立直接的正比例(线性关系)，这是由于滤光片变化的吸收率可用于补偿两种情况下光纤2b被滤光片遮住的部分之间的差异。
下面，参照图1c，公开一种适于同图1a和1b中的装配件结合使用、用作阻碍滤光片3的动作的弹性装置的例子。在图1c中，光纤2a和2b以及滤光片3都被容纳进弹性套1s中；例如，弹性套1s可以用如塑料、树脂等弹性材料制作。在图1c的例子中，滤光片3被稳定地固定在弹性套1s上；由于弹性套1s的弹性特性，该弹性套1s可施加对抗作用在传感器上的力3F的反作用力。此外，弹性套1s具有适当的弹性常数，所以可以在套的位移(以及，相反，滤光片3的)和作用在传感器上的力3F之间建立关系。因为，如上所释，在滤光片3的位移和被滤光片3吸收的光信号(或者射出光路的光信号)之间也存在关系，可清楚地看到在被滤光片吸收的光信号(或者射出光路的光信号)和作用在传感器上的力3F之间也可建立关系。最后，弹性套1s和光纤2a和2b之间的空间可以根据情况用填充物进行填充。当然，还可提供被技术人员所公知的其他的弹性装置而不会背离本发明的范围。例如，可在滤光片3下面放置弹性线圈；由于可使用公知的弹性装置，所述弹性装置在本申请中就不再详述。
下面参照图3对利用本发明的工作原理的测量设备的电气布局设计的例子进行说明；在图3中，使用相同的标记表示前面各图中已经说明过的部件。
在图3中，标记6a和6b分别表示光信号发射设备和光信号接收设备。设备6a产生和/或发射光信号，该光信号进入光纤2a并被沿着由光纤2a和2b定义的光路进行传送，最终该光信号被滤光片3部分或全部吸收。从光纤2b的相对的末端射出的最后的光信号被接收设备6b接收。例如，发射设备6a可包括与LED光源连接的电流或电压发生器；同样，接收设备6b可包括由光电二极管和后置的低噪声放大器构成的增强的光电探测器。但是，可采用任何方案用作产生进入光路的光信号以及用作接收射出光路的光信号。对于要使用的本发明，电流或电压信号被转换为进入传感器的光信号、以及射出该传感器被转换为电流或电压信号都只是基本的，因此为了检测施加在传感器上的力要对最后得到的电流和/电压信号进行详细描述。
下面，参照图3a和3b分别对适于同本发明的光学传感器结合使用的发射设备和接收设备的例子进行说明。
图3a中所图示的发射设备6a包括电源7a、可变电阻7b和发光LED7c；这样，流经电路进入LED7c的电流被转换为适于进入如图3所示的光学传感器的光信号。同样，如图3所示的接收设备6b包括电源7a、电阻7b和用于将入射的光信号转换为电流信号的光电二极管7d；最后得到的电流可依靠测量设备7e测出。但是，需要注意的是分别图示在图3a和图3b中的发射设备和接收设备6a和6b仅代表两个适于同依照本发明的传感器结合使用的可行的例子。当然，可使用本领域中公知的替换的或不同的方案而不用背离本发明的范围；例如，根据情况的不同，所述光信号可被转换为电压信号并且可用电压测量设备7e测量输出的电压信号。
参照图1a和1b说明的光学传感器要求两根光纤(一根用于输入光信号，一根用于输出光信号)连续设置并与在两者之间的所述光学装置(滤光片)一起进入测试的感应区域；但是，根据情况，非常期望能进一步减少该光学传感器的最终尺寸和/或尺度；特殊地，这可以通过使用下文中参照图4所说明的合适的光学装置而获得。
在图4所图示的实施例中，光学传感器1包括唯一的光纤2a和在光纤2a附近沿着箭头5表示的方向往复运动的光学装置3r。如果使用例如光反射装置(镜子)的合适的光学装置3r，进入唯一的光纤2a的光信号4a也可以至少部分地被同样的光纤2a捕获和/或接收。事实上可清楚地看到，如果将镜子带入靠近光纤2a的一个末端处，且所述镜子3r适于在作用于其上的力3F的作用下沿着箭头5的方向往复运动，一旦所述光学镜在作用于其上的力3f的作用下移动以至于至少部分地遮住和/或掩盖了光纤2a的横断面，则进入光纤2a并由所述光纤2a传送的光信号将至少部分被光学镜3r反射；特殊地，被镜子3r反射因而再次进入光纤2a的部分光信号将取决于被镜子照亮的光纤2a的横断面部分。这样，与图1a和1b所示的传感器相类似，在被镜子3r反射并射出光路的光信号4b和作用在光学镜3r上的力(或其强度)3F之间可建立起关系。然而，由于这种情况下，光路是由唯一的光纤2a限定的，所以图4所示的方案可容许传感器最终的尺寸和尺度减少。与图2a至2c所示的方案相类似，图4所示的传感器1的光学镜3r可以是全反射滤光片，也可以是具有渐变反射剖面的滤光片，例如图2a所示的反射侧剖。还要注意的是，对于图4所示的传感器，类似于图1c所示的弹性套可用于容纳光纤2a和光学镜3r的用途从而提供所需的弹性力以对抗施加的力3F。
下面参照图5对使用了图4中的光学传感器的测量设备的可行的电气布局设计进行说明。
如图5所示的测量装置本质上类似于已经参照图3说明过的电气设备；特别地，在图3和5中，相应的部分使用同样的标记表示。图3和图5所示的测量设备之间最重要的区别是图5的电路包括适于将入射的光信号从被光学镜3r反射的光信号中分离出来的耦合器8；因而从图5中可以清楚地看到，所述发射设备6a产生和/或发射光信号，该信号随后进入由光纤2a定义的光路；在与光学镜3r相互作用(反射)以后，最后的光信号反向进入光纤2a最终被接收设备6b接收。由设备6b生成的最后的电流和/或电压信号可用于检测施加在传感器上的力。在图5所示的布局设计中，可使用图3a和3b分别所图示类型的发射和接收设备；但是，如上所述，也可使用替换的或不同的方案而不用背离本发明的范围。
图1a、1b和4(下文中也被指为分别基于传送和反射的传感器)中的光学传感器可能仅用于基本的局部读取，即，用于检测作用在很小区域或单个点上的力。但是，由于使用标准现成电子的和本质上廉价的光电元件(例如LED和光电二极管)的可能性导致的传感器的低制造成本也容许其提供多光纤传感器以测量在预定数目的点上的力的分布；特别地，这也可以简单地通过多次重复上文中分别参照图1a、1b和4所说明的两个传感器的其中之一或两者、以及相应的用于产生和检测光信号的电气和/或电子的装备而完成。下面参照图6a对使用依照本发明的多个传感器的多光纤传感器的例子进行说明。
在图6a中，标记6a表示适于发射光信号的相应的发射设备；例如，发射设备6a可以是参照图3a所说明的类型。标记1表示光学传感器；这些光学传感器可以是参照图1a和1b所说明的类型，也可以是参照图4所说明的类型。标记6b表示接收设备，例如参照图3b所说明的类型的接收设备。此外，标记9表示电压或电流放大器，同时标记10表示适于将电流和/或电压信号转换为数字信号的设备(例如DAQ数据采集电路板)。最后，标记11表示适于详细描述数字数据的计算单元。由发射设备6a发射的光信号进入光学传感器1，并且在施加在传感器上的力改变以后被接收设备6b接收。最后输出的电流和/或电压信号由放大器9采集，适当地放大为预定的值以及进行滤波。放大的信号随后由设备10转换为数字信号并传送到计算单元(例如PC)。这样，多个传感器可以同步受控，所以有可能设计出复杂的传感器网络。此外，该程序可以估算测量结果，绘制力随着时间变化的曲线以及如果读数超过预定阀值的话就发出警告。此外，由于使用了合适的软件，使用标准协议，例如TCP/IP协议，通过网络控制所述传感器也是很简单的。
下面参照图6b对使用了依照本发明的光学传感器的多光纤检测和/测量设备的另一个可能的例子进行说明，图6b中已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示。
在图6b中，使用了多个与电源7a和电阻7b相连接的LED7c。因此，可以清楚地看到，LED7c结合电压源7a和电阻7b定义了如图3a所图示类型的多路发射设备。在操作中，由LED7c发射的光信号进入相应的光学传感器1，并在施加在该传感器上的力的作用下改变后，由n个二极管7d采集并转换为电流或电压信号。射出二极管7d的最后的电流和/或电压信号随后被放大器9放大并滤波，然后被送到转换装置10并在其中被转换为数字信号最后被送到计算单元11并在其中被合适地详细描述。图6b和图6a中构造的最重要的差别在于，LED7c中的一个(图6b情况下的LED/n)直接与相应的二极管7d相连接；该方案特别适于补偿光源波动的检测和/或测量，从而提高检测和/或测量设备的分辨率。特别地，这是因为LED/n发射的光信号不会被任何传感器影响或改变而是直接传送到相应的二极管7d；该LED/n和相应的二极管与测量设备的其它路一样经历了同样的波动，因此可被作为参考点。该方案已被证明可给出相当精确的结果而不需要额外的昂贵的光学元件；但是，根据不同的情况，为了监控的目的，使用额外的耦合器将来自光源的光减少少量比例可以得到更精确的结果。还可以将测量设备的另一路专门用于由低成本的商用集成电子温度传感器(例如Analogue Devices公司的TMP35)获取环境温度用以补偿温度的影响，其中假设多个传感器大致在同一温度。更精确的对于不仅包括温度影响而且包括湿度、多余的应力、老化等等的补偿可以通过将参考LED与其光电二极管通过与监控光纤并行运行的连续的参考光纤相连接而获得。
当被监控的点和被检测到作用在其上的相应的作用力变得多了以后，可能就难以将所有的传感器封装进同一个测量设备里。在这种情况下，有可能减少光学传感器的数目并使用同样的传感器检测作用在相应多个点上的多个力；下面将参照图7a对依照本发明的可检测多个力的光学传感器的例子进行说明，其中已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示。
图7a中所图示的光学传感器1包括三根连续设置从而限定了光路的光纤2a、2b和2ab。此外，标记4ar和4ag表示两个进入光路的光信号；最后，标记3r和3g表示适于分别在作用于其上的力3F的作用下在光纤2a和2b之间以及光纤2a和2ab之间往复运动的光学装置。该光学装置(例如滤光片)3r和3g可沿着箭头5所表示的方向作往复运动。为了用图7a所图示的传感器对力3F进行检测，将两种不同波长的光信号比如红光和绿光发射入光纤2a。在这个实施例中，滤光片3r和3g为分别以红光波长和绿光波长为中心的带通滤光片。当力3F作用在第一光学镜3r(代表第一个感应点)上时，以红光波长为中心的滤光片3r的逐渐插入渐渐地减少了绿光波长信号的传送，而不影响红光波长信号(或者至少影响不大)。反过来，在力3F的作用下，滤光片3g的逐渐插入渐渐地减少了红光波长信号的传送，而不会明显地影响绿光波长信号。因此，由于施加在滤光片上的力的作用，射出最末一根光纤2ab的光信号的强度分别随着滤光片3r和3g假设的位置的变化而不同于进入光纤2a的光信号4ar和4ag的强度。因此，类似于图1a、1b和4所示的例子，在射出的信号和作用在所述传感器上的力之间可建立起关系。当然，上述参照图7a的方案原则上可应用于任意数目的感应点或者每个光学传感器上的作用力。
下面将参照图8a对使用上述参照图7a的光学传感器的测量装置的可能的实施例进行说明，其中已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示。因此，图8a中的标记6a和6b分别表示发射和接收设备，本质上与参照图3a和3b所描述的设备是同一类型；此外，标记2a、2b和2ab表示图7a中的光纤，同时标记3r和3g表示滤光片。图8a的测量设备和如图3的测量设备之间最重要的不同是发射设备6a适于发射预定波长的光信号，特别是图8a图示实施例的红光和绿光。从两个红光和绿光发射设备6a发射出的光信号进入光纤2a′和2a″，并随后使用3dB的Y形连接(或耦合器)合并，从而获得一种粗波分复用(C-WDM)。然后，经传感器1传送的信号在最终被滤光片3r和3g改变后，被3dB的分离器(或耦合器)多路输出并经光纤2b′和2b″分别传送至相应的分别以绿光波长和红光波长为中心的带通滤光片9r和9g。这样，接收设备6b仅对特定的波长感应。
下面参照图7b对依照本发明另一实施例的可检测或测量作用在相应的多个感应点上的多个力的光学传感器进行说明；特别地，对可检测或测量作用在相应的两个感应点上的两个力的光学传感器进行说明。
图7b所示的光学传感器本质上与上述参照图7a的光学传感器相类似；图7b和7a的传感器之间最相关的不同在于，图7b的传感器中，用于改变经传感器的光路传送的光信号的可移动光学装置是至少部分地反射相应预定波长的光信号的装置；这就是为什么下文中提到图7b的作为基于反射的光学传感器的原因。在图7b中，标记2a和2b表示相应的光纤，其连续设置并在中间留有间隙以定义光路；此外，标记3r和3g表示第一和第二光反射装置，例如光学镜。第一光学镜3r适于在施加在其上的第一作用力3F的作用下沿着位于第一光纤2a和第二光纤2b间的间隙中的箭头5表示的方向往复运动；同样，光学镜3g适于在施加在其上的力3F的作用下沿着位于接近第二光纤2b(相对于两根光纤之间间隙的那个末端)的一个末端的箭头5作往复运动。标记4ar和4ag表示进入由两根光纤2a和2b定义的光路的两个相应不同波长的光信号，如红光和绿光。例如，光信号4ar和4ag可以由相应的参照图3a所说明类型的发射设备发射和/产生。两个光学镜3r和3g各自适于至少部分地反射特定波长的光信号；在所述实施例中，第一光学镜3r适于反射红光信号，而不会影响不同波长的信号，同时第二光学镜3g适于至少部分地反射绿光信号，也不会影响不同波长的信号。这意味着除红光波长外的光信号的传送不会被光学镜3r改变而该信号会被传送到光路。当红光和绿光两个光信号4ar和4ag如图7b所示进入光学传感器1，由作用在其上的力3F引起的滤光片3r的逐渐插入渐渐地增加了红光信号4ar的反射而不影响绿光信号4ag。因此，在被镜子3r反射的红光信号部分和作用在所述镜子3r上的力3F之间可建立起关系。另一方面，当力3F作用在第二镜子3g上时(第二感应点)，滤光片3g的逐渐插入渐渐地增加了绿光信号4ag的反射而不会影响到红光信号4ar。因此可以在被镜子3g反射的绿光信号部分和作用在所述镜子3g上的力3F之间建立起关系。因此结果通过适当地选择进入传感器的这两个光信号的波长以及镜子的反射特性，就可以实现可检测多个力的传感器；特殊地，在这个方面，需要注意的是，即使上文参照图7b说明了这样的可测量两个力的传感器的例子，上述传感器也可以用于测量两个以上的力。
利用和/或使用图7b的光学传感器的测量设备的电气布局设计与上述参照图8a说明的电气布局设计相类似；下文将参照图8b对这样的测量设备进行说明，其中已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示。
在图8b的布局设计中，由发射设备6a(例如参照图3a所示类型的发射设备)发射和/或产生的光信号(在这个特定例中为红光和绿光信号)分别进入光纤2a′和2a″，并由Y形连接(或者耦合器)汇合；结合的信号随后经由耦合器8进入光学传感器1(光纤2a)。在由滤光片3r和3g两者之一反射后，红光和绿光信号被带到耦合器8较低的一支(光纤2b′)并经光纤2b′和2b″和两个分别以红光和绿光波长为中心的带通滤光片9g和9r分离到两个相应的接收设备6b。在接收设备6b中，接收的光信号被转换为电流或电压信号；这一端的接收设备6b可以是参照图3b所示的类型。使用分别以红光波长和绿光波长为中心的带通滤光片9g和9r使得各接收设备6b仅对特定的波长感应；因此，接收设备6b其中之一检测作用于光学镜其中之一(传感器两个感应点之一)上的力的变化同时第二接收设备6b检测作用于另一光学镜(传感器的另一个感应点)上的力的变化。依靠所使用波长之间的间距，可使用宽带耦合器8以提高图8b所示测量设备的性能；但是，其他的使用窄带耦合器的变化也是可行的。
下面参照图9a对依照本发明的可检测和/或测量转动力(扭转力)的光学传感器的进一步实施例进行说明。
在图9a中，已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示；因此，在图9a中，标记2a和2b表示连续设置并在中间留有间隙以定义光路的两根光纤。此外，标记4a表示进入光路的光信号，同时标记4b表示射出该光路的光信号。最后，标记3h1和3h2表示相应的适于因作用在图9a的传感器1上的力3T而被移动的可移动光学装置。在图9a所示的例子中，光学装置3h1和3h2包括两个滤光片，分别稳固地固定在光纤2a和2b的两个相对的末端部分，分别地面对两根光纤之间的间隙；这样，当转动力3T作用在传感器上，两个滤光片3h1和3h2的其中之一或者两者沿着它们的轴被转动，它们的轴本质上平行于经光路的光信号4a的传送方向。滤光片3h1和3h2被设计为具有其表面一半不透明一半透明(清晰的)。在作用在传感器上的力3T的作用下，两根光纤2a或2b的其中之一或者两个滤光片3h1或3h2的其中之一被转动，由于因两个滤光片3h1和3h2的重叠引起的清晰区域的不同，所以射出光路(该传感器)的光信号4b相对于进入该传感器的光信号4a而改变。因此，假设该两个滤光片3h1和3h2具有理想的状态(该清晰区域对光信号没有衰减，该不透明区域可100％地衰减光信号)，则可在射出传感器的光信号4b的强度和作用于其上的力3T之间建立起关系；特别地，做到这点可通过使用适于阻碍滤光片3h1和3h2或者光纤2a和2b的旋转的弹性装置，所述弹性装置具有根据要监控的转动力的程度选定的合适的弹性常量。例如，所述弹性装置可包括如图1c所示的弹性套1s，所述弹性套1s容纳和/或包括光学传感器1。总之，上述参照图9a的光学传感器的工作原理为，随着两个滤光片3h1和3h2的重叠部分的变化，经光路传送的光信号4a被衰减；由于，相反地，两个滤光片3h1和3h2的重叠有赖于作用在传感器上的转动力3T，所以结果就是在射出该传感器的光信号的强度和作用在该传感器上的力之间建立起了关系，因而使得该传感器适用于测量和/检测转动力，例如扭转力。也可以使用合适的透镜系统与图9a所示的该传感器结合使用以便放大所述光信号并随后对其再聚焦，以减少该机械组件的主要外观。此外，可使用合适的机械系统(例如使用悬臂)以提高对于细微旋转的敏感度。
在图9b中，图示了两个滤光片3h1和3h2的重叠在某些转动情况下的例子。特别地，图9b中最左边的例子对应于没有力作用在传感器上的情况，因此导致两个滤光片的清晰部分和不透明部分完美地排列。从而相应的信号衰减为入射信号4a的50％。当力3T作用在该传感器上，所述两个滤光片的清晰部分和不透明部分就产生错位，相应地引起不透明的部分增加，如图9b中从左边数第二个图到最右边的图所示。从而该光信号的衰减也增加了，使得射出传感器的信号减少，直到在两个滤光片相互旋转的角度达到180°的情况下该信号完全被吸收(图9b中未图示)。
下面参照图9c和9d对依照本发明的适用作倾斜仪的光学传感器进行说明，即，用于测量由作用在该传感器上的转动力引起的倾斜；同样，在图9c和9d中，已参照前面的图说明过的部分用同样的标记来表示。
在图9c和9d中，标记3h表示适于在定义了光路的两根连续的光纤2a和2b之间的间隙中移动的不透明滤光片。滤光片3h如钟摆般固定在固定点3p上。在没有力作用在传感器的情况下，该滤光片与光路对准，因此进入光路的光信号4a完全衰减(假设滤光片3h具有理想状态)；相反，在力5t作用于该传感器上的情况下，该滤光片3h变得与光路之间错位，如图9d所示，因此使得至少光信号4a的一部分经该光路进行传送。因此，可以在射出光路(传感器)的光信号4b和该传感器的倾斜之间建立起关系。
上述参照图9a和9b的光学传感器可检测至多到180°的旋转，因为其没有考虑旋转指向，换言之，它不能分辨顺时针和逆时针的旋转。这个限制可通过将上述参照图9a和9b说明的光学传感器与那些类似于上述参照图7a和7b说明的光学传感器所使用的带通滤光片(彩色滤光片)结合来克服。下面参照图10a和10b对适用于图9a的光学传感器的，用于使所述传感器可以检测高达360°的旋转的带通滤光片进行说明。
在图10a所示的情况下，该滤光片要比图9a所示的那些滤光片稍微复杂一些。特别地，滤光片3h1具有半清晰和半不透明的表面(图10a的左边部分)，同时另一滤光片3h2其表面具有50％的清晰，其表面的25％可允许第一种波长的光信号的传送，即所述红光，其表面的另外25％可允许第二种波长的光信号的传送，即所述绿光。该滤光片3h2图示于图10a的右边，其中带点部分对应于可通过红光的25％的表面，同时虚线部分对应于可通过绿光的25％的表面。假设图10a中的该两个滤光片3h1和3h2具有理想的状态(即，清晰区域引入零衰减，不透明区域引入100％衰减，红色和绿色部分分别不会衰减红光波长和绿光波长)，装备上图10a所示的两个滤光片3h1和3h2的如图9a所示类型的光学传感器的功能，参照图10b可以得到更容易地理解，其中图示了假设没有任何力作用在该传感器上时的逆时针旋转，两个滤光片3h1和3h2的清晰部分相重叠。
在作用在该传感器上的转动力引起的逆时针转动中，经光路的红光信号和绿光信号传送中的变化如下(a)零转动(图10b中最左边的情况)红光信号和绿光信号没有衰减，输出功率最大；(b)90°之内的转动(图10b中左数第二幅图)红光信号没有衰减，增加了绿光信号的衰减，即，红光的功率还是最大，绿光的功率向其最小值减少；(c)刚好90°的转动(图10b中左数第三幅图)红光信号没有衰减，绿光信号衰减最大，即，红光功率依然是最大值，绿光功率处于最小值；(d)180°之内的转动(图10b中左数第四幅图)红光信号的衰减增加，对绿光信号的衰减最大，即，红光功率向其最小值减少，绿光功率依然处于最小值；(e)刚好180°的转动(图10b中左数第五幅图)红光信号的衰减最大，绿光信号的衰减也最大，即，红光的功率达到最小，绿光的功率还是最小；(f)270°之内的转动(图10b中左数第六幅图)红光信号的衰减最大，绿光信号的衰减减小，即，红光功率依然最小，绿光功率增加；
(g)在270°和360°之间的转动(图10b中未图示)红光信号的衰减减少，对绿光信号的衰减最大，即，红光功率提高，绿光功率处于最小值。
因此，从上面导出的结果可知，从该传感器的输出处测得的红光和绿光的功率直接取决于固定在光纤2b上的红光/绿光滤光片3h2与固定在光纤2a(见图9a)上的滤光片3h1的清晰的半面的重叠部分。该传感器输出处红光和绿光功率水平随着旋转角度的变化的示例如图11所示。
此外，对于顺时针旋转，绿光和红光功率倒转它们的状态，所以很清楚用于判断功率变化的历程的合适的软件能够识别转动方向进而识别总体的转动。因此，由于强度一方面和作用在该传感器上的力的转动方向之间可建立起关系，另一方面和两个滤光片的重叠之间可建立起关系，结果该强度和作用在该传感器上的力的转动方向可以从传感器输出处的红光和绿光的功率水平以及它们的行为开始检测和/或测量。
下面参照图12对使用了参照图9a、9b、10a和10b的光学传感器的测量设备的例子进行说明，其中已经参照前面的图说明过的部分用同样的标记表示。
在图12的例子中，由发射设备6a发射的光信号和进入相应的光纤2a′和2a″的光信号用3dB的Y形连接(或耦合器)合并后获得一种粗波分复用(C-WDM)。然后，该光信号进入光路(光纤2a)，并被传送到两个红光和绿光滤光片3h1和3h2并经由光纤2b射出光路。最后输出的信号被3dB的分离器(耦合器)分为多路并经光纤2b′和2b″传送到两个分别以绿光波长和红光波长为中心的带通滤光片9r和9g。该信号随后被接收设备6b接收到，在其中它们被转换为电流或电压信号。通过使用带通滤光片9r和9g，各个接收设备6b仅对特定波长敏感；例如，接收设备6b之一(图12中的上面一个)检测作用在滤光片3h1上的力，同时第二个接收设备6b(图12中的下面一个)检测作用在滤光片3h2上的力。
总而言之，从上文可总结出依照本发明的光学传感器可以克服或者至少将现有技术中影响传感器的缺点最小化；特别地，依照本发明的光学传感器可以可靠地检测横向力(压力)和转动力(扭转力)。此外，本发明的光学传感器可以检测和/或测量作用在单个点上的力以及作用在相应多个点上的多个力。
此外，本发明的光学传感器特别适用于重要环境下的应用例如电磁噪声的工业建筑物下、高可燃材料的存储区域和在雷暴中暴露在静电放电下的建筑物中。没有电流通过传感器使得它们在生物医学应用上也是理想的，避免了电击致死的风险。
通过使用例如可利用相对光纤之间可接受度大的间隙和对机械公差要求较低的标准树脂光纤(POF)的高数值孔径的光纤已经获得了非常优异的效果。此外，使用POF意味着，除了所有类型的光纤的通常的优势如轻质、侵入性最小、抗电磁干扰以及不可能引起火灾或爆炸外，在各种源、检测器和耦合器方面的成本非常低。
但是，为了利用或实现依照本发明的光学传感器，也可以使用不同的光纤。
虽然本发明是参照特定的实施例进行说明的，但是必须了解到本发明并不限于所说明的特定的实施例，而是也包括了对所说明的实施例的可能不同的改变而不背离由所附的权利要求所限定的本发明的范围。
例如，根据情况的不同，可以通过使用公知的同步技术加强所有上述实施例的抗噪声性能，该技术基于对光源6a的调制，随后接收端仅对与调制信号同步的信号成分进行选择性地放大调制。其实施可使用多种手段，使用专门的电路或者用于描述所需要数据的适当的软件都可以。
权利要求
1.一种用于检测施加于其上的力的光学传感器(1)，所述传感器(1)包括适于通过其中传送光信号(4a，4b)的光路，所述光学传感器的特征在于，其包括可移动装置，适于在所述光学传感器上施加的力(3F，3T)的作用下移动从而随着其相对于所述光路的位置的变化改变所述经过光路的光信号的传送。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述光路包括至少一根光纤(2a，2b)，且其中所述的适于在所述力(3F，3T)的作用下移动的装置包括光学装置。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述的光路包括连续设置并且各适于接收和发射光信号(4a，4b)的第一和第二光纤(2a，2b)，且所述光学装置包括滤光片(3)，该滤光片由于作用在其上的横向力(3F)而在所述两根光纤之间往复运动，从而随着其在所述第一和第二光纤之间的位置的变化，至少部分地吸收从第一光纤(2a)射出的光信号。
4.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，所述滤光片(3)是完全不透明的。
5.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，所述滤光片(3)具有渐变吸收剖面。
6.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述光路包括一根光纤(2a)，且其中所述光学装置包括设置于所述光纤(2a)一端的附近的光学镜(3r)，所述光学镜在作用于其上的力(3F)的方向上充分地往复运动，从而随着其相对于所述光纤(2a)位置的变化，至少部分地反射从所述光纤(2a)射出的光信号。
7.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述的光路包括至少三根连续设置并且各适于接收和发射光信号的光纤(2a，2b，2ab)，且其中所述的光学装置包括至少两个滤光片(3r，3g)，各滤光片由于作用在其上的力(3F)而在所述两根连续的光纤之间往复运动，从而随着其在所述两根连续的光纤之间的位置的变化，至少部分地吸收通过两根连续的光纤传送的光信号。
8.如权利要求7所述的光学传感器，其特征在于，所述至少两个滤光片中的至少一个是适于至少部分地吸收预定波长的光信号的滤光片。
9.如权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，所述的两个滤光片都是适于至少部分地吸收预定波长的光信号的滤光片。
10.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述的光路包括至少两根连续设置并且各适于接收和发射光信号的光纤(2a，2b)，且其中所述的光学装置包括至少第一和第二光学镜(3r，3g)，所述第一和第二光学镜(3r，3g)随着作用在其上的力(3F)的变化而分别地在所述两根连续的光纤(2a，2b)之间和所述第二光纤(2b)一端的附近往复运动，从而随着它们的相对于所述光纤(2a，2b)的位置的变化，至少部分地反射经过所述光路传送的光信号。
11.如权利要求10所述的光学传感器，其特征在于，所述第一和第二光学镜中至少一个是适于至少部分地反射预定波长的光信号的镜子。
12.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述光路包括两根连续的光纤(2a，2b)，并且其中所述的光学装置包括分别安置在两根光纤之间并稳固地固定于所述光纤相对的末端部分的两个滤光片(3h1，3h2)，所述两个滤光片的至少一个由于作用在所述传感器上的力(3T)而适合于旋转，从而随着所述两个滤光片的相互位置的变化改变通过所述光路的光信号的传送。
13.如权利要求12所述的光学传感器，其特征在于，所述至少两个滤光片中至少一个具有不透明的部分并且其余部分是透明的。
14.如权利要求13所述的光学传感器，其特征在于，所述至少两个滤光片都具有不透明的部分和透明的部分。
15.如权利要求13和14中任意一项所述的光学传感器，其特征在于，不透明的部分大约对应为50％。
16.如权利要求15所述的光学传感器，其特征在于，所述至少两个滤光片的其中之一的不透明部分包括至少两个适于吸收预定波长的光信号的子部分。
17.如权利要求16所述的光学传感器，其特征在于，所述至少两个子部分各自对应为25％。
18.如权利要求1到17中任意一项所述的光学传感器，其特征在于，其进一步包括与所述可移动装置连接的弹性装置，以使得所述可移动装置施加可对抗所述的力(3F，3T)的反作用力。
19.如权利要求18所述的光学传感器，其特征在于，所述弹性装置包括至少容纳所述光路和所述可移动装置的弹性套(1s)。
20.一种用于测量和/或检测力的测量设备，其特征在于，其包括至少一个如权利要求1到17中任意一项所述的光学传感器。
21.如权利要求20所述的测量设备，其特征在于，其包括至少一个光信号发射设备(6a)和一个光信号接收设备(6b)，分别用于将光信号引入所述光路以及接收从所述光路射出的光信号，所述接收设备进一步适于将光信号转换为电信号。
22.如权利要求21所述的测量设备，其特征在于，所述的至少一个发射设备(6a)包括至少一个LED(7c)，并且其中所述的至少一个接收设备(6b)包括至少一个二极管(7d)。
23.一种用于测力的测量系统，其特征在于，其包括至少一个如权利要求21至22中任意一项所述的测量设备。
24.如权利要求23所述的测量系统，其特征在于，其包括用于计算射出所述接收设备(6b)的电信号的计算装置。
25.如权利要求23和24中任意一项所述的测量系统，其特征在于，其包括多个测量设备和适于产生阈值信号的阈值设备。
全文摘要
本发明提供了一种用于检测作用于其上的，例如旋转力和横向力的力的光学传感器，其中，为了检测所述的力，光信号(4a，4b)通过由光纤(2a，2b)定义的光路被传送。此外，提供了光学装置(3)，其用于在施加于其上的力的作用下改变通过光路的光信号的传送。由此得到的射出该传感器的光信号随后用于检测作用于该传感器上的力。
文档编号G01L11/00GK1904572SQ20061010396
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者西尔维奥·阿布拉特, 圭多·佩罗内 申请人:都灵无线基金会