位移測定的裝置和方法
2023-05-17 00:39:26 1
專利名稱:位移測定的裝置和方法
本發明涉及對一個物體進行位移測定的裝置和方法。
已知的位移測量系統的工作範圍取決於單一波長下的光強的絕對測量值。這類系統，特別是使用纖維光學的這種系統易受時效影響並會因一點故障而喪失可靠性。
還有一種測量位移的已知方法是利用某種光學諧振結構一其諧振特性作為所述位移的一個函數而變化。然而要實現這樣一種結構是相當複雜而昂貴的。
本發明的一個目的是為提供一種用於對物體進行位移測定的設備和方法，該設備和方法減少了已知系統所涉及的各種問題和不足。
根據本發明的第一個方面，所提供的對物體進行位移測定的設備包括一個光源，該光源將多色光信號沿一條通路傳送到一個檢測器，該檢測器能檢測多種不同波長的入射輻射光的強度，該設備還包括一個輻射調製裝置一被機械地連到所述物體，以便同時移動，使物體的位移引起輻射調製裝置在所述通路上的位移，從而去改變到達檢測器的光譜組分的分布(distributed spectral content of the light)。
此處和所附權利要求
中所用的「多色光」一詞是指包含多種波長的電磁輻射一它既可以是可見的、也可為不可見的電磁輻射或包括可見和不可見兩種電磁輻射。
多色的光源可產生(例如)一種白光信號;藉助於輻射調製裝置使物體的位移引起該白光信號的「(顏)色調製」，然後分析這「(顏)色調製」的光譜成分，從而確定引起該光譜的物體的位移。
在某些實施例中，檢測器的「色彩分辨力」上流(upstream)可藉助傳統裝置來實現-諸如一塊稜鏡或衍射光柵;然後實際的檢測可通過諸如電荷-耦合陣列等傳統裝置或通過對光敏元件進行掃描來完成。必要時，檢測器的輸出電信號可藉助微處理機技術加以處理。
信號分析的最簡單形式就是採取對兩種獨立的光波長的強度之比進行監測。另一種可能形式即是可對到達檢測器的光的實際顏色進行量化。涉及採用一臺微處理器的圖形分辨程序的更複雜的分析方法可用於多參數(multiparameter)或多倍精度(multiprecision)測量。
光從光源到輻射調製裝置和從輻射調製裝置到檢測器最好通過兩根光纖來傳輸，這兩根光纖縱向地被隔開一個間隙，而輻射調製裝置可在最後的間隙中移動。
在最簡單的情況下，輻射調製裝置可包括一個濾光條(filter strip)，該濾光條將發送的各個波長的強度衰減至不同的程度。將物體的運動安排成濾光器的移動，以改變濾光器阻截由光源傳播的光信號的範圍。
濾光器最好構成能耐受高溫和/或有腐蝕物質的惡劣環境。
這樣一種濾光器的一個實例包括塗敷一層高溫陶瓷釉面作為光激活媒質的玻璃。這種器件不用專用設備，易於製造，可安排成易於獲得一種理想的光譜性能的變化，這類器件價廉而又不易受時效影響(同傳統地用於科研目的的精密濾光器相比較，它們具有所需的確定帶寬是精確而又昂貴的)，從而改變白光的光譜成分，即對某些波長的光信號的衰減比對其餘波長的衰減要大得多。通過測量光譜成分，則濾光器相對於載有光信號的光纖的位移(因而也是對應於物體的位移)可通過校正來確定。由於某些波長(通常在紅外線區內，是不受濾光器影響的，所以可利用這些波長的光去訪問系統的狀態。
通過適當選擇要監測的波長即可獲得位移的粗、細分辨度。
通過採用兩個互相垂直移動並具有不同光譜響應的濾光器，可用同一個檢測系統同時地監測位移的兩個參數而不用附加光纖。這可利用合適的軟體控制而用作獲得位移傳感器溫度補償的一種手段。
雖然採用提供「寬帶濾光器調製」(「broad band filter modulation」)的濾光器適用於許多應用場所，但在位於兩根光纖之間間隙的濾光器的行程開端存在一個不靈敏區。還有在諸如延長的長度定標之類的其它用途中，在位移量程的靈敏度不足部分則是不合格的。
為了克服這些問題，該簡單的濾光條可用一個著色的透明球來代替。這能起到雙重作用既能用來調製光譜成分(如在濾光條的情況一樣)，同時又能提供聚焦作用。可將這種聚焦作用設置成提高由球面發送的波長的光強而降低濾光後波長的光強。這能導致一個更大的隨位移而變的相對光強的線性變化，從而在不損害靈敏度的情況下增大了範圍。
為測定多個方向上的位移，可採用多個這樣的著色球-它還可用於測定所經距離大於單個球的大小的位移。
稱之為「紅寶石球」的就是這類著色球的一個實例。這些彩球易於獲得、易於精確地加工成所需尺寸而且價格低廉。
現僅以舉例方式對本發明的具體的實施例參照附圖加以描述，附圖中圖1是根據本發明第一實施例的一個裝置的示意圖;
圖2a至2e是圖1中沿箭頭Ⅱ-Ⅱ方向上的視圖;
圖3是圖1和圖2所示濾光器不同位移時的光強對波長的曲線圖;
圖4是由圖3得到的光強之比對位移的關係曲線圖;
圖5是根據本發明第二實施例的一個裝置的示意圖;
圖6是圖5所示濾光器在各種位移時的光強對波長的關係曲線圖;
圖7是由圖6所得到的光強對位移的關係曲線圖;
圖8是根據本發明第三實施例的調製裝置的示意圖;
圖9是沿圖8中箭頭Ⅺ-Ⅺ方向的視圖;
圖10、11和12是相應於本發明第四、第五和第六實施例的調製裝置的示意圖;
圖13是根據本發明第七實施例的一個調製敏感裝置的一個概略的斷面圖;
圖14至17是說明調製敏感裝置的另一實施例的示意圖;
圖18是一個傳統的三維顏色空間(colour-space)圖;
圖19是所謂C.I.E.色度圖;
圖20表示形成函數
xλ，
yλ和
zλ的三個接收元件的響應特性;
圖21說明按常規呈現在色度圖(圖19)上的顏色變化情況;
圖22用圖說明了該色度圖上的兩個位移的測量;
圖23說明怎樣能把第四種顏色提供在色度圖上;
圖24說明用於根據本發明一個系統中的顏色檢測器的一個實施例的結構;
圖25是色度圖的一個簡化方案;
圖26說明供本發明之用的一個顏色檢測器第二實施例的結構;
圖27和28是用來說明圖26的顏色檢測器工作情況的圖;和圖29是說明供根據本發明一個系統所用的顏色檢測器的另一實施例的圖。
首先參見圖1，圖中概略地示出一個寬帶電磁輻射源10，一塊凹面鏡12-將組合的多色光(其可包括可見和/或不可見輻射)投射到第一光纖14的一端。鄰近第一光纖14的另一端是一個取藍濾光器形式的輻射調製元件16。該濾光器屬低光質(low optical quality)並因帶有一層陶瓷釉而顯色，因此是價廉而能經受住長期持久的腐蝕和炎熱環境條件。該濾光器被附裝到一個物體(圖中未示)，而物體的位移是待測的，(正如以後要說明的)。
光在穿過濾光器之後，進入第二光纖18，繼而到達折射裝置20，裝置20包括多個稜鏡而將(投射)光分為其組分。每個組分的光強是藉助一傳統檢測器22而測得的，檢測器22例如是通過電纜24連接到一臺微處理機(圖中未示)的一個電荷耦合器件陣列，所述微處理機對所接收到的光進行不同波長的光強計算。
藍色濾光器16是由於與其連在一起的物體的運動而被帶動，正如圖2a至2e中所概略表示的。在圖2a中，濾光器未橫截通過光纖14、18之間的光路。而圖2b，2c和2d中的濾光器以不同的量，部分地橫截該光路，在圖2e中，通過光纖14、18之間的光全部通過濾光器16。
圖3所示的是對濾光器的不同位置x而言，所發送光的光強(Ⅰ)對光的波長(λ)的關係曲線。圖中表示了對應於圖2a至2e的各位置x1至x5，x1對應於圖2a中濾光器16的位移，而x5對應於圖2e中濾光器16的位移。從這條曲線和利用已知的位移值便可組成一條標定曲線，4條這樣的(標定)曲線示於圖4中。
圖4表示了兩種波長的光強之比對位移的關係曲線。所選的兩種波長是用B/A，C/B，D/C和E/D來表示的，其中B/A是指波長分別為B和A時的光強之比，對C/B，D/C和E/D也一樣。A對E的波長可在圖3中確定。因此，一旦已完成光強的標定，則為計算濾光器16的位移，只需要測量發射光在兩種不同波長時的光強，通過計算它們之比和將此比值同標定值比較便可得到位移值。
近似的工作範圍示於圖4中。不難看出選擇不同波長則會導致裝置的不同靈敏度。例如採用波長C和B時，裝置給出比較粗略的靈敏度，而在位移軸上的7至8範圍內，波長D和C則給出一個精確的靈敏度。
仍參見圖4，由上述可知，我們能利用比值C/B作為粗略靈敏度測定;利用近似垂直的D/C曲線段作為精確靈敏度測定;利用近乎水平的B/A比作為「系統狀態」監視;而利用比值E/D可作為交叉校驗信號。
不難理解可以不用作出標定曲線，而將校準測量值饋入一臺微處理機或計算機，則計算機可通過將接收到的兩種波長信號光強同標定情況下的波長光強進行比較來計算濾光器的連續的位移。也不難理解進行測量時可在不同的位移量程內，使用不同的波長。
本發明的第二實施例概略地示於圖5中。該設備與圖1所示設備的不同點在於用紅寶石球16′替換了構成調製元件的藍色濾光器16。採用類似於第一實施例的方法，藉助在某些波長範圍內吸收最佳的方法引起調製，該裝置利用已知的位移對不同波長進行標定。對位移的各種已知值下作出了光強對波長的曲線(示於圖6中)並從這些曲線畫出了兩種波長的光強之比對位移的標定曲線(圖7)。
如同第一實施例一樣，波長標記為A、B、C、D、E(不一定同第一實施例相同)，在圖7中，標記B/A，C/A和D/A和D/E的含義同第一實施例中的一樣。
由圖6可見球面的濾光作用使波長A的強度減弱而球面的聚焦作用又使波長B的光強增強。這兩個因素的結合就使比值ⅠA/ⅠB(其中Ⅰ為光強)隨位移的變化更線性化，這一結果可從圖7看出，該圖中比值B/A，C/A和D/A都比圖4中的曲線情況更線性得多。比值D/E再次提供了一個「系統狀態監測」信號。
如同第一實施例，不需實際地作出標定曲線，而是可將標定信息饋入一臺微處理機或微型計算機，從而由得到的兩個不同波長的光強比，可得到位移的計算值。
為提供同時監測兩個或三個位移的可能性，採用兩或三個不同的顯色球可能更可取。由於人們所要求的只是光強的比值而不是光強的本身值，顯然，這是可能的。
本發明的第三實施例示於圖8和9中，該設備除採用兩個顏色不同並彼此接觸的球36、38外，與圖5中所用的設備相同。由於這兩個球具有不同的光譜特性，故兩球沿兩個方向的位移可通過檢測各種波長的光強，計算相應的比值並將所得到的值同每個球的標定值進行比較而確定。最好所檢測的波長是其中一個球能透射而另一個球不能透射的波長，因為由此得到的測量結果就不需要對由另一球透射的輻射量校準。
如前所述，光強的測量、其比值的計算和計算兩個方向上的位移可通過一臺微處理器或計算機來完成。如前所述，對每個球的校準也可用計算機來實現。
如果想檢測三個或三個以上方向的運動，則要採用如方向數相同數目的球。例如若要求測三個方向，則要用具有不同光譜性能的三個球。
以上所述的變化示於圖11中。所用的設備除用7個球16′替代了圖5中的球16′外，實際上與圖5設備相同，這裡的七個球在一個物體上排列成一個圓圈，而該物體圍繞穿過該圓圓心的一根軸旋轉。此處標記A、B、C和D為四個不同類型的球，其每一個球相對於光強比的各種角位移已被標定。由於這些球的不同的光譜特性和彼止相對的排列次序，使得測定角位移和檢測物體的旋轉兩個目的成為可能。
本發明的第四實施例示於圖10中。該設備除了用多個紅寶石球28替代了圖5中紅寶石球外，大致與圖5所示設備相似，多個球28被固定地插入在一根標尺上的水平槽30內而維持在一根直線上。圖10中還示出了第一光纖14和第二光纖18。
使用時，標尺是可沿著箭頭32所示方向，即沿著槽30的軸向而移動的。輻射源和紅寶石球與圖5實施例中所用的源和球一樣，同時標定也和圖5實施例所得到的標定相同並將被用在此後的討論中。球沿箭頭32方向的運動引起了被檢測波長的光強的變化從而導致光強比的變化，同時利用對一個紅寶石球所獲得的標定(見圖7)，即可通過(例如)一臺微處理機或計算機來計算這種運動和運動的方向。
由於圖示的安排，使具有一個長測距標尺(約為數米)成為可能，而這種標尺還很精確(優於20微米)。這可通過測量一個適當光強比下的標尺的粗略移動和用不同光強比去測量很小的位移一例如對相應於位移路經末端的最後一個球的測量。例如參見圖7，可知每個球的光強比/位移曲線是對稱的，因此可檢測每個球的通道，並累計每個球通道直到產生所有位移的計算值。精度(精確的靈敏度)測量只需對最後一個球進行。
紅寶石球定標的另一優點在於僅用一個單色光源和兩根光纖即可測量到位移和運動方向兩個參數。
粗測位移的一個可供選擇的方法是備有不同顏色的球34，球34使不同波長的傳輸能用沿槽固定間隔的紅寶石球逐一透射替代的方法來實現。不同波長的檢測則由已通過的不同顏色球的數目來表示，由於這些球的直徑有精確的尺寸，故能粗略估算位移值。一旦粗測已經發生，則就可進行如前所述的精測。注意不同顏色的球34也必須被標定以使可用多個波長的光強比去測量小距離。
上述測量可藉助於微處理機而自動地完成。微處理機可被用來累計已被檢測的不同色球的數目並計算相應位移。然後，粗測位移可被儲存，繼而利用如前所述的光強比進行的精確位移測量結果來校準該粗略位移。
本發明的一個用途概略地示於圖12，該圖所示的一個電壓測量裝置包括一個半金屬膜片40和與其隔開的一塊導電板42。當在膜片和導電板兩端加上一個電位差時，使膜片朝著板42變形。連到膜片的紅寶石球44隨膜片移動，同時利用圖5的設備(圖中未示)，可得到該膜片的位移，因為該位移與所加電壓成比例，而所加電壓可通過標定而得出。
圖13示出了一種壓力傳感器形式的又一應用。橡皮膜片48把傳感器盒50分成基準壓力部分52(其經由通道54與基準壓力相通)，以及一個壓力部分56，(要測量壓力的液體被引入其內)。一個紅寶石球58固定於橡皮膜片上，並能在入口光纖14′和出口光纖18′之間移動，每根光纖被安置在一根保護套管60中。該設備的其餘部分與圖5中的相應部分相同。
當部分56中的壓力變化時，膜片和紅寶石球就移動。通過測量不同波長光強的比率，以及通過對測量的壓力進行校正，來獲得紅寶石球的位移。
在另一個實施例中，輻射調製裝置可以是諸如光纖這樣的圓柱元件。象上面談到的紅寶石球一樣，圓柱形元件的彎曲面提供一種聚焦作用，以增加裝置的線性和/或靈敏度。
調製元件特別有效的形式是一種帶有著色顏料的透明圓柱形元件62，顏料的密度/厚度隨元件的長度而變。在一種方案中(見圖14)，濾色區64和透明區66之間的變化出現在斜邊68這個明顯的界限上。在另一種方案中(見圖15)，沒有變化的邊界，著色端69a和透明端69b之間，濾色顏料的密度是擴散地減少到零的。
要注意的是，圓柱形調製元件可以以兩種方式使用一在橫向方式中，其作用類似球形元件，或反過來，在縱向方式中，(作平行於圓柱長度方向的移動)，當採用某種分級技術時(如圖14或圖15)能增加範圍，並能保持聚焦作用。
圖16示出了圖1和5裝置的另一種改型，其中用錐形結構的調製元件70代替了平板或球形的調製元件。使用錐體可以根據其位置來變化濾色材料的厚度。和前面一樣，利用其彎曲面來提供聚焦作用。
圖17示出了一個使用圖14調製元件的小型壓力傳感器的實際例子。在本例中，多色光束不是直接在光纖導管14a，18a的末端之間通過，而是通過使用兩塊傾斜的鏡面72a，72b作180°的彎折，以使光束能從裝置相同的末端進入和離開。圓柱形調製元件62一具有由傾斜界面68分開的有色區64和透明區66，被可滑動地安裝在本體76上的圓形引導孔74中，以便插入在傾斜鏡子72a，72b之間反射的光束中。調製元件的另一端穿過本體76上的一個內部凹口80與膜片78連接，這是用作測量壓力時的要點，調製元件62對應的位移是由檢測系統提供對壓力的測量而測得的。
在後一個實施例中，對於圖17所示組件，最好在真空下密封，以防光隙汙染。
現在回到裝置的檢測部分，上面描述的與圖3和4及圖6和7有關的檢測技術是基於對在兩個預定波長上入射的輻射光進行比較。本發明不限於僅僅參照兩個波長來實現檢測，下面要解釋和描述另一種檢測技術，在這種技術中，從調製器接收的光信號實際的顏色或主要的顏色是被量化的，而且在實際上使用了多個不同波長的入射輻射光。
為了幫助理解下面敘述的檢測器實施例的概念，首先回顧一下有關顏色測量裝置的一般概念和原理是有利的。
圖18示出了一個普通的三維色空(colous-space)圖，圖中，徑向表示色飽和度，圓周表示色調，以及軸向表示亮度。下面所描述的技術，其原理與測量色調有關，而色飽和度可以近似地由光譜功率分布(Pλ)來描述。
要定量的確定顏色，通常是用色度圖來實現的，世界普遍接受的是轉載於圖19的稱之為C.I.E.(國際照明委員會)圖。在此圖中，純色譜處在色度坐標(如下面所定義)確定的x∶y空間內的馬蹄形封閉曲線中，各種等級的色飽和度或一個佔支配地位的特定的波長，是由在這條邊界之內的位置所決定的。白色對應於坐標(0.33，0.33)的點。這樣，通過使用這張圖，任意特定的顏色均可由在兩維平面上的單個點來確定。
色度坐標(x，y)是這樣來確定的x＝ (X)/((X+Y+Z)) …方程式(1)y＝ (Y)/((X+Y+Z)) …方程式(2)這裡 X＝∫λPλ
xλdλY＝∫λPλ
yλdλZ＝∫λPλ
zλdλPλ是光譜功率分布在波長λ上的功率。
xλ，
yλ，
zλ是色匹配函數，即三個不同波長的函數對應於三個不同接收器的獨立響應。
現在參照附圖20，圖中表示提供函數
xλ，
yλ，
zλ的三個接收器所需要的響應特性曲線。可以看到各個色匹配函數間有關的重疊。三個色匹配函數可以數字形式貯存，以供微處理機輔助分析，為了提供這些色匹配函數，已經建立了適合於各種顏色的資料庫。
這樣，對任何特定「不純」顏色進行識別的常規技術需要藉助三個接收器對那種顏色進行取樣(該三個接收器具有圖20所示的響應特性)，然後使用
xλ，
yλ和
zλ的結果值來計算色度圖中對應該顏色的x和y值。
附圖21示出了如何把一種顏色的變化表示在色度圖上。圖中左邊的三張圖(圖21a，21b，21c)表示
z接收器(上面)
y接收器(中間)和
x接收器(下面)響應於第一顏色，右邊的圖(圖21d，21e，21f)表示三個接收器響應於第二顏色。第一色具有由圖21a，21b和21c中實線表示的光強/波長特性。響應曲線
zλ，
yλ和
xλ在所有圖中均由虛線表示。z(＝∫λPλ
zλdλ)的值由圖21a中實線曲線和虛線曲線重疊的面積給定。同樣，y(＝∫λPλ
yλdλ)和x(＝∫λPλ
xλdλ)的值由圖21b和圖21c中實線曲線和虛線曲線重疊的面積給出。則根據方程式(1)和(2)可計算出x和y的值，結果得到圖21g色度圖中的點A。
在圖21d，21e和21f中，第二色是由實線表示的，並由虛線表示響應曲線
zλ，
yλ和
xλ。x和y相應的值可再次用方程式(1)和(2)來計算，以確定圖21g的色度圖中的點B。
通過對光譜的某些部分加進或減去一定功率，導致顏色在色度圖中沿直線A-B變動。當顏色變化是由相關的兩部分位移引起時，諸如如上面與圖1或圖5有關的敘述，把濾色片插入在一束白色光中，則顏色沿直線A-B的變化能與所述的用於提供測量的相應位移有關。
對應於兩個不同的參數，兩個位移的測量也可以用如附圖22所說明的上述技術來實現。在該裝置中，用「白色」光源來代表零位移。「綠寶石色」和「紅寶石色」代表第一和第二單獨的位移極限，以用來監視第一和第二參數。如果「綠寶石色」位移是零，則「紅寶石色」位移與實際參數2狀態的指示成簡單的線性關係。但是，如果參數1和2二者均不為零，則觀察到的顏色可以是A(坐標xA，yA)，根據這一點，通過儲存的校正數據，參數1和2的值可單值地確定。
上述的技術也可應用於具有多個色源的系統中。正如附圖23示出的那樣，引入的第四色源(例如藍色)，把顏色範圍增加到一個新的區域，因而導致用同一個測量系統同時地檢測附加參數的可能性。但是，由於可以引入藍色，也可以不引入，點A並非總是單值地確定的。
為了克服這種多值性，不按通常彩色視圖那樣僅僅根據兩個參數(x，y)而是要把z參數也包括進去的表示法是必要的。這將能解決有關A的多值性。
上述討論的用來確定「顏色」的概略原理是可以實現的，相應的代表數值也已經確定了。現在介紹依照上述原理，用來實現「顏色」測量的幾種實用的顏色檢測器。
首先參照圖24，這裡所表示的一個顏色檢測器，其中引自(例如)上述類型的和本申請中圖1，5，8或9至17任意一個所示的光調製器件的光，通過光纖90到達該檢測器。從光纖90進入的光被加到三個顏色球91，92，93，每個球置於相應的光檢測器94，95，96(例如光敏二極體)的前面。每個色球具有不同的色傳遞特性，這些球與檢測器94，95和96的響應相結合，用來提供三種綜合的色匹配函數，正如由前面確定的一樣，x，y和z分別對應於X＝∫Pλ
xλdλY＝∫Pλ
yλdλZ＝∫Pλ
zλdλ函數x+y+z是計算得到的，由此能很容易地得到一種合適的模擬電路形式所需的函數x＝ (X)/(X+Y+Z)y＝ (Y)/(X+Y+Z)由此在色度圖上確定的點x，y，提供了一個用數字表示的入射顏色。
事實上，上述的裝置能被認為是進行三色匹配函數xλ，yλ，zλ的模擬積分運算。由於這樣的一個檢測器是測量「實際」的顏色，由於從上述類型的位移傳感器產生調製，因此，這種裝置也能被用來監視光束顏色的變化。
上述檢測器的響應時間約為幾個微秒或更短些。就硬體而言，這種裝置的製造成本非常低，而且非常小巧。所需的數學計算是極少的，微處理機是可選的，但並不是必不可少的。
值得注意的是，這種檢測器能同時處理一個以上輸入信號，即，可以測量由一個以上參數變化而引起的顏色變化。因此，這樣的一種檢測器能被用作(例如)對一個位移傳感器提供自動溫度補償(例如藉助於「白色一綠寶石色」參數對溫度敏感的性能)。
使用三個檢測元件的上述檢測器來模擬用於一般的顏色分析的三個檢測器，具有這樣的優點它不僅可以消除由於系統衰減增加而引起的光強變化，而且可鑑別由於系統老化而不是傳感器調製引起的光譜特徵的變化，而不使傳感器的調製引起相應的可識別的變化。圖25再次示出的是圖19簡化的變型曲線。線A-A對應於因調製而引起的顏色變化，而線B-B對應的是系統引起的顏色變化。在這種情況下，檢測器輸出的軌跡出現在兩個方向上。
但是，三檢測元件並不是必不可少的，正如圖26，27和28所指出的那樣，一個檢測器具有兩個光敏元件也是可能的。在圖26中，來自一根光纖100的光被加到兩個色球101，102，每個色球被置於相應的光敏元件(例如光敏二極體)103，104的前面。第一個元件103相對于波長的響應度被安排得與第二個元件104不同。根據來自兩個元件103，104的信號，入射在檢測器上的輻射光譜分布能利用色度(C.I.E.)圖上的兩個參數來計算。然後整理這些參數來確定上述物體的位移。
這點在圖27和28。圖28作為例子示出了第一和第二光敏元件103，104的響應曲線η1(λ)和η2(λ)，其信號幅度為Ⅰ(λ)。
O1＝元件103的輸出
O2＝元件104的輸出
然後運算元件105，106提供105信號輸出＝ (O1)/(O1+O2) ＝X坐標106信號輸出＝ (O2)/(O1+O2) ＝Y坐標當只用二個檢測元件時，圖27與圖25中的圖是等同的。線C-C相當於由調製引起的顏色變化，即，檢測信號中佔優勢的顏色落在這條線上，線的軌跡為x+y＝1。這樣，通過測定輸出信號沿線C-C的移動，就能測出佔優勢波長的移動，通過校正，得到所需的距離測量，該距離即調製元件，從而也是物體已移動的距離。
多檢測器系統的另一個實施例，採用對信號順序而不是平行取樣(如圖26所示)。一個實際的形式包含稱之為「色二極體」(colour diode)的元件，該二極體的輸出信號由新近開發的電子線路處理以提供非常高的靈敏度和長期的穩定性。
更進一步的可能性是使用傅立葉變換光譜儀來進行檢測和對調製元件的位移測量。這種方法示於圖29，該圖非常概略地示出了一個檢測系統，其中來自光源T的並在敏感元件S(可以包括上述任何一種調製元件)中被調製的光，通過一個幹涉儀，該幹涉儀具有一個不斷擺動的鏡面M，而且只有單獨的一個檢測器D。所產生的光譜信號被轉換成一個隨時間變化的圖象，以供連續處理和量化。
從上面的敘述中可以了解，本發明可以應用於各種各樣的場合，可以直接用於位移測量，也可以經過變換來測量其他參數，例如，可用於單純的位移或壓力，溫度，電流，電壓，流量，液體深度等等的測量。
除了已經列舉的優點之外，本發明還提供大量有吸引力的可能性。
(1)用一個公共的系統就能對諸如上面列舉的所有項目進行測量。為了改變待測參數，只需改變與傳感器接觸的膜片的特性。大量的參數能同時地被監視。
(2)對於許多系統來說，來自自然光源引起的光譜信息總是需要的，傳輸和處理系統也是已經存在的。在原理上，來自色調製器的信息是能由這些現有的系統傳輸和處理的。例如，在包括等離子體加工，燃燒(工業規模和內燃機)，和功率開關設備這樣的系統中是有吸引力的。
(3)與波長比例系統不同，色測量系統能更有效地利用輻射信號功率，因而改進了靈敏度和精度，大大地增加了光纖傳輸距離，並使包括長距離(若干公裡)的工業應用成為可能。
權利要求
1.用於測定一個物體位移的設備，其特徵在於包括-一個光源-沿一條通路將某種多色光(如說明書中所定義的)傳給一個檢測器；-一個檢測器-它能檢測多個不同波長的入射光的強度；-一個輻射調製裝置-它被機械地連接到所述物體，以便同時運動，該物體的位移被設置成引起輻射調製裝置在所述通路上的位移，從而改變到達檢測器的光譜成分分布。
2.如權利要求
1的設備，特徵在於其中的輻射調製裝置包括一個濾光器，該濾光器衰減所發送波長的光強至不同的強弱度，該濾光器被機械地連到所述物體，以使物體運動時改變濾光器的位置，從而改變該濾光器阻截由所述光源傳播的輻射信號的強弱。
3.如權利要求
2的設備，特徵在於其中的濾光器包括塗有高溫陶瓷釉層的玻璃。
4.如權利要求
2或3的設備，特徵在於其中的輻射調製裝置包括一個第二濾光器，該濾光器將發送波長的光強衰減到不同的強弱度，所述第二濾光器被安排成與所述物體有關的安裝形式以使物體的溫度變化引起第二濾光器的移動，從而改變第二濾光器阻截由所述光源傳播的輻射信號的強弱。
5.如權利要求
2的設備，特徵在於其中的濾光器是一個顯色、透明的球狀體，該濾光器不僅提供所述輻射的調製而且具有聚焦作用。
6.如權利要求
5的設備，特徵在於其中的濾光器包括多個所述的顯色透明球體，配置成一細長陣列。
7.如權利要求
6的設備，特徵在於其中所述多個球體被配置成一水平行，在該行中相鄰球體的外緣面之間均成點接合，以致所述物體的位移導致整行球體相對於所述通路的軸向位移。
8.如權利要求
6的設備，特徵在於其中的多個球體被配置成圍繞一個環路，該環路的圓心位於物體的旋轉軸上，以便檢測可旋轉物體的角位移，而且鄰接球體的外緣面之間的接合為點接合。
9.如權利要求
5的設備，特徵在於包括多個不同光譜特性的所述顯色、透明球體，這些球體宜於在所述通路內根據各個待測定位移，沿對應的不同方向而移動。
10.如權利要求
2的設備，特徵在於其中濾光器包括一個圓柱形元件，該元件對入射輻射光至少是部份透明的。
11.如權利要求
10的設備，特徵在於其圓柱形元件的顏色吸收特性是沿該元件的長度而變的。
12.如權利要求
11的設備，特徵在於其濾光器包括一個具有一顯色段和一透明段的圓柱形元件，而且在所述顯色和透明段之間的轉換清晰地出現在一條相對於該元件縱軸傾斜延伸確定的界限上。
13.如權利要求
11的設備，特徵在於其濾光器包括一個透明的圓柱形元件，該元件含有一著色顏料，該著色顏料的密度沿元件的長度方向而減少。
14.如權利要求
2的設備，特徵在於其濾光器包括一個錐形元件，該元件至少可部分透過入射的輻射光。
15.如權利要求
1至14的任一設備，特徵在於其中，光從光源到輻射調製裝置又從輻射調製裝置到檢測器的傳輸是通過各自的光纖來實現的，兩光纖的一個末端相隔一個間隙，輻射調製裝置可在此間隙內運動。
16.如權利要求
1至15的任一設備，特徵在於其檢測器適於監測當輻射調製裝置隨所述物體移動時的兩個分隔的預定波長的入射光強度之比，該檢測器可利用物體的已知位移而被予先標定，以致在所述兩個波長上測得的比值可看作物體的某個予標定位移。
17.如權利要求
1至15的任一設備，特徵在於其檢測器利用至少兩個顏色接收器適於監測來自所述輻射調製裝置、投射在其上的光的顏色，所述顏色接收器具有各自的響應特性以使接收器的輸出信號X，Y分別相當於X＝∫Pλ
xλd
和Y＝∫Pλ
yλdλ，從而使色度圖中的x和y值可通過後者信號的簡單模擬變換而計算出來，Pλ是波長λ的光譜功率分布，
xλ和
yλ是與接收器各自響應特性相對應的色匹配函數(colour matching functions)。
18.如權利要求
17的設備，特徵在於其中的顏色接收器被平行使用。
19.如權利要求
17的設備，特徵在於其顏色接收器被順序使用。
20.如權利要求
17至19的任一設備，特徵在於每個所述顏色接收器包含有不同色響應特性的各自的濾色器。
21.如權利要求
20的設備，特徵在於為確定色度圖中x和y值的裝置包括分別確定值x＝ (X)/(X+Y) 和y＝ (Y)/(X+Y) 的計算元件。
22.如權利要求
1至14的設備，特徵在於其檢測器包括一個付裡葉變換光譜儀。
23.如權利要求
22的設備，特徵在於其付裡葉變換光譜儀包括一個部分傳輸的擺動著的鏡面，該鏡面接收來自輻射調製裝置的光，還包括單個檢測器一它接收來自一對鏡面的某種光幹涉圖，這對鏡面分別位於擺動著的鏡面的前面和後面。
24.用於測定一個物體位移的方法，其特徵在於包括如下步驟-使一束多色光束(如前所定義的)射向輻射調製裝置，該調製裝置被機械連到所述物體，以使其與物體同時運動，物體的位移被安排成引起輻射調製裝置在所述光束通路中的位移，從而去改變通過所述輻射調製裝置發送的光譜成分分布;及-檢測由所述輻射調製裝置發送的多個不同波長的光強，以提供所述位移的測量。
25.如權利要求
22所述的方法，特徵在於還包括如下步驟-對由輻射調製裝置所發送的光進行兩個予定波長上的光強測量，-計算這樣兩個波長上的光強之比，-計算輻射調製器的位移，從而-將該計算比值同不同位移的所得標定結果進行比較而得到的物體的位移。
26.如權利要求
23所述方法，特徵在於其中多個光強比取決於所需的測量靈敏度而算得。
專利摘要
一用於決定物體位移的裝置包括，一將多色光沿光路傳到檢測器(22)上的光源(10)，該檢測器能檢測多種不同波長的入射輻射的密度；一與所說物體機械連接，一起位移的輻射調製裝置(16)，所說的物體的位移使得輻射調製裝置在所說的光路上的位移以改變到達檢測器的光的光譜分量分配。輻射調製裝置包括一以不同程度衰減透射雷射密度的濾波器，它與所說物體機械相接，使得物體運動能變化濾波器的遮斷從光源來的輻射信號的程度。
文檔編號G01D5/26GK86105345SQ86105345
公開日1987年10月7日 申請日期1986年9月6日
發明者戈登·裡斯·瓊斯, 詹姆斯·洛多維科·莫魯齊, 阿卡·納普拉加達·約拉亞納普拉薩德 申請人:利物浦大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan