CN1589396A - 物理量测定方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
向根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器输入由光源发出的光,响应该输入而输出的产生了光路差的光输入根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的另一传感器,响应该输入而输出的产生了光路差的光分成2束,生成干涉条纹。由于存在有在最初的传感器中接受光路长度的变化而输入次级的传感器并在其中不接受光路长度的变化而传送的光和在最初的传感器中不接受光路长度的变化而输入次级的传感器并在其中接受光路长度的变化而传送的光,导致在与测定对象的物理量的差分值对应的位置生成具有条纹的干涉条纹,因而通过检出该位置可测定物理量的差分值。
Description
技术领域
本发明涉及在不受周围环境等影响下可正确测定在相互远离的位置产生的压力等物理量的差分值的物理量测定方法及其装置。
背景技术
在控制炼油厂等的工厂时,要求测定在相互远离的位置存在的处理流体的压力的差分值。
以前,这样的场合,在2处的测定位置的分别设置压力计,将该2台的压力计的测定值(电气信号)传送到运算电路进行差分处理,从而测定2处的测定位置产生的压力的差分值。
另外,设置测定压力的差分值的差压计,使用导入处理流体的导压管,从2处的测定位置分别向差压计导入处理流体,从而测定2处的测定位置产生的压力的差分值。
采用这样的导压管的方法中,有导压管阻塞而无法测定、以及导压管破损导致处理流体向外部流出的问题。
因而,也可取代导压管,采用封入硅油等的封入液的远程密封装置,从2处的测定位置分别向差压计传送处理流体的压力,从而测定2处的测定位置产生的压力的差分值。
但是,若采用在2处的测定位置分别设置压力计,并在运算电路差分处理该2台压力计的测定值的方法,则必须设置2台昂贵的压力计,有成本高的问题。
另一方面,若采用使用导压管并从2处的测定位置分别向差压计导入处理流体的方法,则有导压管阻塞而无法测定、以及导压管破损导致处理流体向外部流出的问题。
另一方面,若采用使用远程密封装置并从2处的测定位置分别向差压计传送处理流体的压力的方法,则虽然没有导压管阻塞和处理流体向外部流出的危险性,但是由于2根远程密封装置在不同环境下配置,因而受温度等的影响,有测定精度低下的问题。而且,该方法中,有远程密封装置破损时封入液向外部泄漏的问题。
在这样的背景技术下,本发明的目的是提供不受周围环境影响下可实现正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值的新物理量测定技术的结构。
而且,本发明的目的是提供在该测定时不受非测定对象的物理量影响,可实现正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值的新物理量测定技术的结构。
发明的公开
本发明的物理量测定装置包括:(a)通过反射构造、根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器,(b)与最前级的传感器对应设置、向该传感器传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器以外的各传感器对应设置,以经由与前级的传感器对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光传送到成对的传感器的光纤,(d)以经由与最后级的传感器对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)从由检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
另外,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过透射构造、根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器,(b)与最前级的传感器对应设置,向该传感器传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器以外的各传感器对应设置并与前级的传感器串联,将由该传感器产生了光路差的光作为输入,并将该光向成对的传感器传送的光纤,(d)以由最后级的传感器产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)从由检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
通过以上的构成,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管和远程密封装置等,使用光干涉测定该差分值,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值。
另一方面,通过该构成执行物理量的差分值的测定时,当有必要在不受非测定对象的物理量影响下实现该测定的场合,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过反射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和通过反射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合所构成的多个传感器对,(b)与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置,以经由与前级的传感器对对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光向成对的传感器对传送的光纤,(d)以经由与最后级的传感器对对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)在不受非测定对象的物理量的影响下,从检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
另外,当有必要在不受非测定对象的物理量影响下实现物理量的差分值的测定的场合,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过透射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和通过透射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合所构成的多个传感器对,(b)与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置并与前级的传感器对串联,以由该传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器对的光纤,(d)以由最后级的传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)在不受非测定对象的物理量的影响下,从检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
通过以上的构成,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管和远程密封装置等,使用光干涉测定该差分值,同时,此时以抵消非测定对象的物理量的影响的形态来测定物理量的差分值,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值,同时在不受非测定对象的物理量影响下可正确进行测定。
图面的简单说明
第1图是第1实施例的本发明的一个构成例。
第2图是光的传送模式的说明图。
第3图是光的传送模式的说明图。
第4图是光的传送模式的说明图。
第5图是光的传送模式的说明图。
第6图是光的传送模式的说明图。
第7图是扬氏干涉计的说明图。
第8图是干涉条纹的强度的模型公式。
第9图是干涉条纹生成的仿真结果的说明图。
第10图是运算装置的执行处理的说明图。
第11图是运算装置的执行处理的说明图。
第12图是干涉条纹的移动的说明图。
第13图是具备法布里-珀罗构造的传感器的说明图。
第14图是具备法布里-珀罗构造的传感器的光量损失的仿真结果的说明图。
第15图是具备法布里-珀罗构造的传感器的光量损失的仿真结果的说明图。
第16图是具备法布里-珀罗构造的传感器的光量损失的仿真结果的说明图。
第17图是干涉条纹生成的仿真结果的说明图。
第18图是干涉条纹生成的仿真结果的说明图。
第19图是光源相干的仿真结果的说明图。
第20图是光源相干的仿真结果的说明图。
第21图是光源相干的仿真结果的说明图。
第22图是光源相干的仿真结果的说明图。
第23图是光源构成的一个构成例。
第24图是传感器构成的一个构成例。
第25图是扬氏干涉计的构成方法的说明图。
第26图是扬氏干涉计的构成方法的说明图。
第27图是扬氏干涉计的构成方法的说明图。
第28图是LG(Lummer-Gehrcke)干涉计的构成方法的说明图。
第29图是LG干涉计的构成方法的说明图。
第30图是LG干涉计的构成方法的说明图。
第31图是LG干涉计的构成方法的说明图。
第32图是干涉条纹生成的仿真结果的说明图。
第33图是扩大测定范围的构成的构成例。
第34图是实现集成化的构成的一个构成例。
第35图是实现集成化的构成的一个构成例。
第36图是实现集成化的构成的一个构成例。
第37图是可多点测定的构成的一个构成例。
第38图是多点测定方法的说明图。
第39图是干涉条纹生成的仿真结果的说明图。
第40图是高分子聚合体的特性的说明图。
第41图是向输入光提供光路差的透射型的传感器的说明图。
第42图是采用透射型传感器时的一个构成例。
第43图是采用透射型传感器时的一个构成例。
第44图是采用透射型传感器时的一个构成例。
第45图是第2实施例的本发明的一个构成例。
第46图是光的传送模式的说明图。
第47图是光的传送模式的说明图。
第48图是光的传送模式的说明图。
第49图是光的传送模式的说明图。
第50图是光的传送模式的说明图。
第51图是干涉条纹的强度的模型公式。
第52图是运算装置的执行处理的说明图。
第53图是运算装置的执行处理的说明图。
第54图是干涉条纹的移动的说明图。
第55图是具备法布里-珀罗构造的传感器的说明图。
第56图是光源构成的一个构成例。
第57图是传感器对的其它构成例。
第58图是可多点测定的构成的一个构成例。
第59图是多点测定方法的说明图。
第60图是采用透射型传感器时的一个构成例。
发明的最佳实施例
首先说明第1及第2实施例的概要,接着详细说明第1及第2实施例。
[1]第1实施例的概要
[1-A]采用反射构造的传感器的构成
根据第1实施例,当采用反射构造的传感器时,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过反射构造、根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器,(b)与最前级的传感器对应设置、向该传感器传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器以外的各传感器对应设置,以经由与前级的传感器对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光传送到成对的传感器的光纤,(d)以经由与最后级的传感器对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)从由检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
[1-B]采用透射构造的传感器的构成
根据第1实施例,当采用透射构造的传感器时,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过透射构造、根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器,(b)与最前级的传感器对应设置,向该传感器传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器以外的各传感器对应设置并与前级的传感器串联,将由该传感器产生了光路差的光作为输入,并将该光向成对的传感器传送的光纤,(d)以由最后级的传感器产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)从由检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
[1-C]第1实施例的物理量差分值的测定原理
这样构成的第1实施例中设置至少2个传感器,根据测定对象的物理量使输入光产生光路差n×L(n是折射率,L是长度)等。
如果以最前级的传感器具有光路差na×La的产生机能、次级的传感器具有光路差nb×Lb的产生机能的情况为例来说明,若经由与最前级的传感器对应设置的光纤向该最前级的传感器输入由光源发出的光,则通过该最前级的传感器的光路差na×La的产生机能(若用反射构造的传感器来说明)产生光路长度不变化的光和光路长度变化na×La的光。
该2束光经由与次级的传感器对应设置的光纤输入次级的传感器,通过该次级的传感器的光路差nb×Lb的产生机能(若用反射构造的传感器来说明)产生以该输入光为起点的光路长度不变化的光和光路长度变化nb×Lb的光。
然后,通过存在有在最前级的传感器中接受na×La的光路长度的变化后输入次级的传感器并在其中不接受nb×Lb的光路长度的变化而传送的光和在最前级的传感器中不接受na×La的光路长度的变化而输入次级的传感器并在其中接受nb×Lb的光路长度的变化而传送的光,产生具有(na×La-nb×Lb)因子的相位差,从而,在传感器上生成与光路差(na×La-nb×Lb)相应的干涉条纹。
由于与该光路差(na×La-nb×Lb)相应的干涉条纹的条纹位置与测定对象的物理量的差分值对应,因而,例如从无该差分值的场合的干涉条纹的位置检出移动量,根据该检出的移动量来计算测定对象的物理量的差分值。
这样,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管或远程密封装置等,利用光干涉来测定该差分值,从而可以在不受周围环境影响的情况下正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值。
即,由于光纤中传送的全部的光波接受相同的相位变动,导致干扰引起的干涉互相抵消,因而可以在不受周围环境影响的情况下正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值。
[2]第2实施例的概要
[2-A]采用反射构造的传感器的构成
根据第2实施例,当采用反射构造的传感器时,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过反射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和通过反射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合所构成的多个传感器对,(b)与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置,以经由与前级的传感器对对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光向成对的传感器对传送的光纤,(d)以经由与最后级的传感器对对应设置的光纤逆向传送的产生了光路差的光作为输入,并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由从光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)在不受非测定对象的物理量的影响下,从检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
[2-B]采用透射构造的传感器的构成
根据第2实施例,当采用透射构造的传感器时,本发明的物理量测定装置包括:(a)通过透射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和通过透射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合所构成的多个传感器对,(b)与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤,(c)与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置并与前级的传感器对串联,以由该传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器对的光纤,(d)以由最后级的传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件,(e)检测由光学部件出射的分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件,(f)在不受非测定对象的物理量的影响下,从检测部件检测的干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
[2-C]第2实施例的物理量差分值的测定原理
这样构成的第2实施例中,准备至少2个传感器对,由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合构成。
若以最前级的传感器对的一个传感器具有光路差n1×L1(n1是折射率,L1是长度)的产生机能,次级的传感器对中对应的一个传感器具有光路差n2×L2(n2是折射率,L2是长度)的产生机能为例来说明,则经由与最前级的传感器对对应设置的光纤,当向该最前级的传感器输入由光源发出的光时,通过该最前级的传感器的光路差n1×L1的产生机能(若用反射构造的传感器进行说明)产生光路长度不变化的光和光路长度变化n1×L1的光。
该2束光经由与次级的传感器对对应设置的光纤,输入该次级的传感器,通过该次级的传感器的光路差n2×L2的产生机能(若用反射构造的传感器进行说明)产生以该输入光为起点的光路长度不变化的光和光路长度变化n2×L2的光。
从而,由于存在有在最前级的传感器中接受n1×L1的光路长度的变化而输入次级的传感器并在其中不接受n2×L2的光路长度的变化而传送的光和在最前级的传感器中不接受n1×L1的光路长度的变化而输入次级的传感器并在其中接受n2×L2的光路长度的变化而传送的光,因而产生具有(n1×L1-n2×L2)因子的相位差,从而,在传感器上生成与光路差(n1×L1-n2×L2)相应的干涉条纹。
该光路差(n1×L1-n2×L2)相应的干涉条纹的条纹位置,当采用根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器时,成为与测定对象的物理量的差分值和非测定对象的物理量的差分值对应,另一方面,当采用根据非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器时,成为与非测定对象的物理量的差分值对应。
从而,若以测定对象的物理量是压力、非测定对象的物理量是温度的情况进行说明,则前者的干涉条纹的位置D12a和后者的干涉条纹的位置D12b表示为
D12a=D12a(P,T)
D12b=D12b(T)
其中,P=P1-P2 P1:最前级的传感器位置产生的压力
P2:次级的传感器位置产生的压力
T=T1-T2 T1:最前级的传感器位置中的温度
T2:次级的传感器位置中的温度
从而,若差压和温度差变化,则传感器对内的一个传感器生成的干涉条纹位置D12a改变
ΔD12a=C12a (P)×ΔP+C12a (T)×ΔT
这里,C12a (P)表示与差压相关的感度,作为温度差一定的条件下求出的单位差压量的干涉条纹的移动量,可预先通过实验求出。另外,C12a (T)表示与温度差相关的感度,作为差压一定的条件下求出的单位温度差的干涉条纹的移动量,可预先通过实验求出。
另一方面,若温度差变化,则传感器对内的另一个传感器生成的干涉条纹位置D12b改变
ΔD12b=C12b (T)×ΔT
这里,C12b (T)表示与温度差相关的感度,作为差压一定的条件下求出的单位温度差的干涉条纹的移动量,可预先通过实验求出。
从而,本发明中,首先,最初求出只对传感器对内的温度作出反应的传感器生成的干涉条纹位置D12b的移动量,将其除以预先求出的感度C12b (T)来求出温度差ΔT。
接着,求出对传感器对内的压力及温度的两方作出反应的传感器生成的干涉条纹位置D12a的移动量,将该求出的移动量ΔD12a和先前求出的温度差ΔT和预先求出某感度C12a (P)、C12a (T)代入从
ΔD12a=C12a (P)×ΔP+C12a (T)×ΔT
导出的
ΔP=(ΔD12a-C12a (T)×ΔT)/C12a (P)
来测定差压ΔP。
这样,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管和远程密封装置等,使用光干涉测定该差分值,同时,此时以抵消非测定对象的物理量的影响的形态来测定物理量的差分值,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值,同时在不受非测定对象的物理量影响下可正确进行测定。
即,光纤中传送的全部的光波接受相同的相位变动,从而干扰引起的干涉相互抵消,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值,同时,以抵消非测定对象的物理量的影响的形态来测定物理量的差分值,因而在不受非测定对象的物理量影响下可正确进行测定。
[3]第1实施例的详细内容
以在相互远离的测定点产生的压力的差分值的测定为具体例,详细说明本发明第1实施例。
第1图图示第1实施例的本发明的一个构成例。
该第1图所示本发明的构成例中,使用在第1测定点设置、根据第1测定点产生的压力使输入光产生光路差的第1传感器1000a和在第2测定点设置、根据第2测定点产生的压力使输入光产生光路差的第2传感器1000b,实现对第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值的测定。
第1传感器1000a包括:在光阑等的受压部件上设置的全反射镜1001a;与全反射镜1001a对向设置、反射输入光的一部分同时透射剩余的另一部分的半透射镜1002a;使透射半透射镜1002a的光平行化并向全反射镜1001a照射的透镜1003a。
若半透射镜1002a和全反射镜1001a之间的距离用La表示,半透射镜1002a和全反射镜1001a之间的物质的折射率用na表示,则该第1传感器1000a对于输入光,在用半透射镜1002a反射的场合和用全反射镜1001a反射的场合,产生2naLa光路差。
另一方面,第2传感器1000b具有与第1传感器1000a相同的构造,包括:在光阑等的受压部件上设置的全反射镜1001b;与全反射镜1001b对向设置、反射输入光的一部分同时透射剩余的另一部分的半透射镜1002b;使透射半透射镜1002b的光平行化并向全反射镜1001b照射的透镜1003b。
若半透射镜1002b和全反射镜1001b之间的距离用Lb表示,半透射镜1002b和全反射镜1001b之间的物质的折射率用nb表示,则该第2传感器1000b对于输入光,在用半透射镜1002b反射的场合和用全反射镜1001b反射的场合,产生2nbLb光路差。
以下,为了便于说明,假定「na=nb」,同时假定采用在第1测定点和第2测定点之间无压力差的场合使「La=Lb」的第1传感器1000a及第2传感器1000b。
这样构成时,在第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间无压力差的场合,「La=Lb」成立,由于半透射镜1002a和全反射镜1001a之间的物质和半透射镜1002b和全反射镜1001b之间的物质相同,「na=nb」成立,从而第1传感器1000a产生的光路差2naLa和第2传感器1000b产生的光路差2nbLb成为一致。
相对地,第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间有压力差时,该2个光路差不同。
第1图所示本发明的构成例通过检出该2个光路差的不同来实现对第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值的测定,除了具备第1传感器1000a及第2传感器1000b,还包括:光源1、光纤2、光纤3a、光分支结合器4a、光纤5、光纤3b、光分支结合器4b、光纤6、光分支结合器7、光纤8a、光纤8b、线段图象传感器9、运算装置10。
该光源1由发出低相干性光的LED等所谓白色光源构成。光纤2是取出光源1发出的光的单模光纤。光纤3a与第1传感器1000a对应设置,是将光纤2取出的光传送到第1传感器1000a的单模光纤。
光分支结合器4a将光纤2和光纤3a结合,同时将经由光纤3a逆向传送的光分支。光纤5是取出光分支结合器4a分支的光的单模光纤。光纤3b与第2传感器1000b对应设置,是将光纤5取出的光传送到第2传感器1000b的单模光纤。
光分支结合器4b将光纤5和光纤3b结合,同时将经由光纤3b逆向传送的光分支。光纤6是取出光分支结合器4b分支的光的单模光纤。光分支结合器7将光纤6取出的光分成2束。
光纤8a是取出光分支结合器7分支的另一束光的单模光纤。光纤8b是取出由光分支结合器7分支的另一束光的单模光纤。线段图象传感器9检出从光纤8a及光纤8b出射的光生成的干涉条纹。运算装置10从由线段图象传感器9检出的干涉条纹的条纹位置,计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差。
另外,如后述,对于光纤3a、3b,不限于单模,也可以采用多模,对应地,对于光纤2、5、6、8a、8b,也不限于单模,可以采用多模。
这样构成的本发明中存在4种光的传送模式,即,如第2图(a)所示,由全反射镜1001a反射后由全反射镜1001b反射而传送的光的传送模式,如第2图(b)所示,由半透射镜1002a反射后由半透射镜1002b反射而传送的光的传送模式,如第2图(c)所示,由半透射镜1002a反射后由全反射镜1001b反射而传送的光的传送模式,如第2图(d)所示,由全反射镜1001a反射后由半透射镜1002b反射而传送的光的传送模式。
这里,为了便于说明,称第2图(a)所示传送模式为第1传送模式,第2图(b)所示传送模式为第2传送模式,第2图(c)所示传送模式为第3传送模式,第2图(d)所示传送模式为第4传送模式。
从而,作为向线段图象传感器9出射的光的相位差,存在4种相位差:
(I)如第3图所示,第1传送模式和第2传送模式的组合产生的相位差=k×2(naLa+nbLb)
(II)如第4图所示,由第2传送模式和第4传送模式的组合(图中的(a))及第1传送模式和第3传送模式的组合(图中的(b))产生的相位差=k×2naLa
(III)如第5图所示,由第2传送模式和第3传送模式的组合(图中的(a))及第1传送模式和第4传送模式的组合(图中的(b))产生的相位差=k×2nbLb
(IV)如第6图所示,由第3传送模式和第4传送模式的组合产生的相位差=k×2(naLa-nbLb)。
另一方面,在光纤8a出射并到达线段图象传感器9上的任意点(z,0)的光和光纤8b出射的光之间,存在根据第7图所示式(扬氏干涉计的公式)计算出的光路差Δ。
这里,″h″表示线段图象传感器9和光纤8a、8b的末端之间的距离,″2a″表示光纤8a、8b的末端之间的距离。
从而,若光源1发出的光的相干长度用lc表示,则在
lc≥Δ-2(naLa+nbLb)
lc≥Δ-2(naLa-nbLb)
lc≥Δ-2naLa
lc≥Δ-2nbLb
lc≥Δ+2(naLa+nbLb)
lc≥Δ+2(naLa-nbLb)
lc≥Δ+2naLa
lc≥Δ+2nbLb
的条件成立时,在
Δ=2(naLa+nbLb)
Δ=2(naLa-nbLb)
Δ=2naLa
Δ=2nbLb
的场所,线段图象传感器9上生成的干涉条纹表现为高干涉强度。
该线段图象传感器9上生成的干涉条纹的强度,若假定为具有高斯分布的光束强度的光束,则可根据第8图所示模型公式进行仿真。
第9图图示该仿真的一例。
这里,第9图所示仿真是通过令第7图中所示h为100mm,第7图中所示a为10mm,na为空气的折射率1,nb为空气的折射率1,仿真(1)La=150μm、Lb=150μm时生成的干涉条纹、(2)La=150μm、Lb=200μm时生成的干涉条纹以及(3)La=150μm,Lb=250μm时生成的干涉条纹来进行的。
图中所示(i)是中央部的固定位置出现的中央干涉条纹,(ii)是基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹,(iii)是基于2naLa光路差因子的干涉条纹,(iv)是基于2nbLb光路差因子的干涉条纹,(v)是基于2(naLa+nbLb)光路差因子的干涉条纹。
从该仿真可明白,干涉条纹左右对称地出现,配合Lb的增大,相互向逆方向移动。
2(naLa-nbLb)光路差因子表示放置第1传感器1000a的第1测定点产生的压力和放置第2传感器1000b的第2测定点产生的压力的差压,从而,通过检出基于该2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动量,可计算该差压。
运算装置10执行计算该差压的处理,第10图及第11图用流程图形式图示该处理内容。
运算装置10执行实际的测定前,通过执行第10图所示流程图的处理,执行计算实际的测定所必要的运算参数并保存到存储器的处理。
即,运算装置10在进入实际的测定前,如第10图所示流程图所示,首先,最初在步骤10确定作为测定的基准的差压条件,将其在存储器中保存。
接着,在步骤11,在该确定的基准的差压条件下,实际检出基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的位置,将其作为干涉条纹位置的初始值在存储器中保存。
此时干涉条纹位置的检出,例如,采用线段图象传感器9输出的象素值的微分值,通过检出中央干涉条纹之后出现的微分极大值的位置来进行。另外,为了提高分辨力,最好检出左右对称位置的条纹。
这里,基准的差压条件为零差压时,由于中央干涉条纹成为干涉条纹位置的初始值,可省略该步骤11的处理。
接着,在步骤12,在确定的基准的差压条件下的附近,通过实际改变差压,求出基于此时的2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹位置的移动量,求出差压变化对应的干涉条纹的移动量的变化率,并保存在存储器。
另一方面,运算装置10执行实际的测定时,通过第11图所示流程图的处理来测定差压。
即,运算装置10进入实际的测定后,如第11图所示流程图所示,首先,最初在步骤20检出基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的位置。
此时的干涉条纹位置的检出,例如,采用线段图象传感器9输出的象素值的微分值,通过检出中央干涉条纹之后出现的微分极大值的位置来进行。另外,为了提高分辨力,最好检出左右对称位置的条纹。
接着,在步骤21,通过计算该检出的干涉条纹位置和存储器保存的干涉条纹位置的初始值的差分值,计算从干涉条纹位置的初始值开始的移动量。
接着,在步骤22,通过将该计算的移动量除以存储器保存的差压变化对应的干涉条纹位置的移动量的变化率,计算从存储器保存的基准的差压条件开始的差压的变位。
接着,在步骤23,通过相加该计算的差压的变位和存储器保存的基准的差压条件来计算现在的差压,将其作为测定结果输出。
这样,运算装置10执行检出基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动量并由此计算差压并输出的处理。
以上说明的构成例中,第1测定点和第2测定点之间无压力差时,假定采用使「naLa=nbLb」的第1传感器1000a及第2传感器1000b。
该场合,从第9图的仿真结果可明白,基于表示第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的差压的2(nbLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹,以基于扬氏干涉计的中央干涉条纹的位置为起点,随着该差压的绝对值的大小变大,以离开中央干涉条纹的形态移动。
本发明,不限于采用这样的构成的第1传感器1000a及第2传感器1000b,也可以采用第1测定点和第2测定点之间无压力差时使「naLa≠nbLb」的第1传感器1000a及第2传感器1000b,该场合成为可测定负压。
即,第1测定点和第2测定点之间无压力差时,当采用使「naLa≠nbLb」的第1传感器1000a及第2传感器1000b时,由于基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹以中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,根据该2(naLa-nbLb)具有的符号所指定的方向移动,因而,即使第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差为逆转的负压,也可以进行测定。
例如,若假定「na=nb」及「La>Lb」进行说明,则如第12图(a)所示,若以0点表示中央干涉条纹的位置,则以M点所示的中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,″La-Lb″的值增大的场合,向箭头A所示方向移动,″La-Lb″的值减少的场合,向箭头B所示方向移动,因而,即使是第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差为逆转的负压,也可以进行测定。
若假定「na=nb」及「Lb>La」进行说明,则如第12图(b)所示,若以0点表示中央干涉条纹的位置,则以M点所示中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,″Lb-La″的值增大的场合,向箭头A所示方向移动,″Lb-La″的值减少的场合,向箭头B所示方向移动,因而,即使是第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差为逆转的负压,也可以进行测定。
如上述,由于运算装置10采用设定基准的差压条件,检出该基准的差压条件下的干涉条纹的初始值,并检出从其开始的变位来测定压力的差分值的方法,因而,即使是表现出第12图所示动作的干涉条纹的移动,也可以通过检出该移动来测定压力的差压值。
另外,以上说明的构成例中,假定采用单模光纤3a、3b,但是也可采用多模光纤。
多模光纤的纤芯直径由于比单模光纤的纤芯直径大,因而,若光纤3a、3b采用多模,则可获得从具有法布里-珀罗构造的第1传感器1000a返回的光高效地返回光纤3a的纤芯,同时从具有法布里-珀罗构造的第2传感器1000b返回的光高效地返回光纤3b的纤芯的优点。
即,第13图所示,具有法布里-珀罗构造的第1传感器1000a和第2传感器1000b返回的光的一部分返回光纤3a和光纤3b的覆盖层,若光纤3a和光纤3b的纤芯直径大,则返回该覆盖层的光的比例变小,从而,可获得从第1传感器1000a和第2传感器1000b返回的光高效地返回光纤3a和光纤3b的纤芯的优点。
这里,第13图中,600是光纤的纤芯,601是光纤的覆盖层,602是随外力603而变动的反射镜,604是从纤芯600出射的光,605是反射镜602反射的光。
另一方面,从第8图所示干涉条纹强度的模型公式可明白,线段图象传感器9上生成的干涉条纹根据具有由相干长度lc规定的衰减系数的γ(A)衰减项,成为具有由相干长度lc规定的宽度。
从而,基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹若不偏离基于扬氏干涉计的中央干涉条纹所具有的宽度,则无法检出基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动。
这样,有必要增加La和Lb的长度,此时,为了使光高效地返回光纤3a和光纤3b的纤芯,也有必要增加光纤3a和光纤3b的纤芯直径。
这样,光纤3a、3b若采用多模,则可获得从第1传感器1000a返回的光高效地返回光纤3a的纤芯,同时从第2传感器1000b返回的光高效地返回光纤3b的纤芯的优点,从而,可增加La及Lb的长度,因此获得可正确测定基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动的优点。
接着,说明对基于第1传感器1000a和第2传感器1000b的间隙长度L(La,Lb)的光量损失进行的仿真的结果。
该仿真使用安装有求解麦克斯韦的电磁波方程式的光束传播法(Beam Propagation Method)的市售的软件包,并令光纤的外径为100μm,光纤的纤芯的折射率为1.45,光纤的覆盖层的折射率为1.447,光的波长为0.84μm,间隙长度L间的媒体为空气层,光纤的纤芯直径Φ为10/20/40/60μm,第1传感器1000a和第2传感器1000b的间隙长度L为0.5/1/2.5/5/10/25/50/100μm来进行。
第14图至第16图图示该仿真的结果。这里,第15图表示第14图的仿真结果的一部分扩大图,第16图表示第15图的仿真结果的一部分扩大图。
第14图至第16图中,横轴表示间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ),纵轴表示在光纤中1mm逆向传播的场所中由反射光量对入射光量的比所定义的光量损失(%)。
从第15图的仿真结果可明白,以0.1%的光量损失为标准的场合,当纤芯直径Φ为10μm时,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.5,间隙长度L的上限值大约为5μm。
另外,纤芯直径Φ为20μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.8,间隙长度L的上限值大约为16μm。
另外,纤芯直径Φ为40μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.2,间隙长度L的上限值大约为48μm。
另外,纤芯直径Φ为60μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.5,间隙长度L的上限值大约为90μm。
从第16图的仿真结果可明白,以0.01%的光量损失为标准时,纤芯直径Φ为10μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.2,间隙长度L的上限值大约为2μm。
另外,纤芯直径Φ为20μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.2,间隙长度L的上限值大约为4μm。
另外,纤芯直径Φ为40μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.4,间隙长度L的上限值大约为16μm。
另外,纤芯直径Φ为60μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.5,间隙长度L的上限值大约为30μm。
这样,从光量损失的观点看,当提供光纤3a和光纤3b的纤芯直径时,第1传感器1000a和第2传感器1000b的间隙长度L存在上限值。
例如,采用使纤芯直径Φ为12.5μm的市售的单模光纤的场合,若光量损失抑制到0.1%,则必须令间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.6,间隙长度L为7.5μm以下。另外,采用使纤芯直径Φ为50μm的市售的多模光纤的场合,若光量损失抑制到0.1%,则必须令间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.35,间隙长度L为67μm以下。
但是,容许光量损失增加的场合,当然也可以增大该上限值。
另外,该条件到底是假定具备法布里-珀罗构造的第1传感器1000a和第2传感器1000b而得出的,当受压部具备由光波导管构成的其它构造时,当然不限于这样的上限值。
如上述,其优点在于,若第1传感器1000a和第2传感器1000b的间隙长度L(La,Lb)增大,则基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度显著偏离,从而可正确检出该干涉条纹的移动。
例如,第17图(a)所示仿真结果是假定为单模光纤并令「La=6μm,Lb=5μm」,根据第8图所示模型公式执行的仿真结果,但是该场合,由于La、Lb小,因而基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹进入基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度,实质上不能检出该干涉条纹的移动。
相对地,第17图(b)所示仿真结果是假定多模光纤并令「La=60μm,Lb=35μm」,根据第8图所示模型公式执行的仿真结果,但是该场合,由于La、Lb增大,因而基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度偏离,从而可检出该干涉条纹的移动。
这里,第17图(a)(b)所示仿真结果是假定h=100mm,a=1.0mm,中心波长λ0=850nm,发光频带半值宽度Δλ=22nm,相干长度lc(0.44×λ0 2/Δλ)=14μm,传感器元件长度=8mm而进行的。
另外,图中所示相干长度lc不是要与传感器元件长度进行对比,只是表示由相干长度lc规定的干涉条纹具有的宽度。
虽然从该仿真结果得出不能使用单模光纤的结论,但这是不真实的。
例如,第18图所示仿真结果是假定为单模光纤并令「La=20μm,Lb=7μm」,根据第8图所示模型公式而进行的仿真结果,但是该场合,由于基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度偏离,可检出该干涉条纹的移动。
这里,该第18图的仿真结果除了La、Lb以外的条件,与第17图(a)(b)所示仿真结果相同。
从该第18图的仿真结果可明白,光纤不一定要采用多模,也可采用单模。
接着,详细说明构成第1图所示本发明的各构成要素。
(A)光源1的构成
光源1是发低相干光的白色光源。若采用高相干光,则中央干涉条纹很难衰减,从而该宽度变大,从而,不可能正确检出基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的位置。
第19图至第22图图示为了对其检证而执行的仿真的结果。
这里,该仿真是令第7图中所示h为100mm,第7图中所示a为10mm,nb为空气的折射率1,nb为空气的折射率1,光源1的发光波长为850nm,La=50μm,Lb=150μm、200μm、250μm,通过仿真(1)光源1的发光频带半值宽度为0.44nm时生成的干涉条纹,(2)光源1的发光频带半值宽度为2.2nm时生成的干涉条纹,(3)光源1的发光频带半值宽度为22nm时生成的干涉条纹,以及(4)光源1的发光频带半值宽度44nm时生成干涉条纹来进行的。
第19图所示仿真结果是光源1的发光频带半值宽度为0.44nm时生成的干涉条纹,第20图所示仿真结果是光源1的发光频带半值宽度为2.2nm时生成的干涉条纹,第21图所示仿真结果是光源1的发光频带半值宽度为22nm时生成的干涉条纹,第22图所示仿真结果是光源1的发光频带半值宽度为44nm时生成的干涉条纹。
这里,从发光波长λ。和发光频带半值宽度Δλ,光源1的相干长度lc可通过
lc=0.44×(λ0 2/Δλ)
求出,因而第19图所示仿真结果的相干长度lc为722μm,第20图所示仿真结果的相干长度lc为144μm,第21图所示仿真结果的相干长度lc为14μm,第22图所示仿真结果的相干长度lc为7μm。
通过该仿真结果,若准备发出发光频带半值宽度为22nm程度的低相干光的光源1,则可检证出可检出基于2(nbLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的位置。
即,相干长度lc若变大,则具有由相干长度lc规定的宽度的中央干涉条纹的宽度变大,从而基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹进入中央干涉条纹的内部,变得不可能检出该干涉条纹的位置,因此必须采用发出低相干光的光源1。
为了实现这样的低相干的发光,如第23图所示,也可采用准备发光波长不同的多个光源1,将该光向光分支结合器4a传送的构成。
(B)第1传感器1000a/第2传感器1000b的构成
作为第1传感器1000a,除了采用单一构成的传感器,如第24图所示,也可采用设置具有相同构造的多个传感器并用光纤并联而构成的部件。这里,图中所示11a是光分支结合器,设置成到并联构成的各传感器的距离相等。
第1传感器1000a是检出第1测定点产生的压力的传感器,若采用这样的多个并联的构成,则各个传感器对输入光产生相同的2naLa光路差,从而可计算光学平均值,可高精度检出第1测定点产生的压力。
另外,作为第2传感器1000b,除了采用单一构成的传感器,如第24图所示,也可采用设置具有相同构造的多个传感器并用光纤并联而构成的部件。这里,图中所示11b是光分支结合器,设置成到并联构成的各传感器的距离相等。
第2传感器1000b是检出第2测定点产生的压力的传感器,若采用这样的多个并联的构成,则各个传感器对输入光产生相同的2nbLb光路差,从而可计算光学平均值,可高精度检出第2测定点产生的压力。
(C)扬氏干涉计的构成
第1图所示构成例中,使用光分支结合器7将从第2传感器1000b逆向传送的光分支到光纤8a和光纤8b,从而构成扬氏干涉计。
作为干涉计的构成方法,不限于这样的构成方法,可以采用如第25图~第27图所示扬氏干涉计和第28图~第31图所示LG干涉计等的各种构成方法。
第25图所示扬氏干涉计的构成方法中,取代经由光分支结合器7与光纤6连接的光纤8a、8b,而在光纤6的前面设置具有2个狭缝或针孔的遮光板12,构成扬氏干涉计。
另外,第26图所示扬氏干涉计的构成方法中,取代单模光纤8a、8b而与双模光纤13连接,构成扬氏干涉计。
这里,第26图中所示14是与光纤6和光纤13连接的连接器,15a、15b是将双模光纤13出射的光向线段图象传感器9照射的全反射镜。
另外,第27图所示扬氏干涉计的构成方法中,采用第26图的构成方法时,还采用具备使从双模光纤13出射的光直线偏光的偏光器16的构成。设置偏光器16是为了通过提高偏光度使干涉性良好。
另外,第28图所示LG干涉计的构成方法中,取代光纤8a、8b而设置圆锥状的玻璃体17和使从光纤6出射的光平行并入射玻璃体17的底面部的透镜18,从而构成LG干涉计。该构成方法中,生成具有2维扩展的干涉条纹。
LG干涉计这样构成,使得通过该构成,由透镜18平行化的光在玻璃体17具备的锥部17a间反复多重反射,此时,该一部分通过玻璃体17而产生光路差Δ。
这里,玻璃体17具备的锥部17a也形成部分反射镜。另外,玻璃体17和线段图象传感器9之间也设置有使通过玻璃体17的光平行化的透镜。
另外,第29图所示LG干涉计的构成方法中,取代采用第28图的构成方法的圆锥状的玻璃体17而采用2张贴合的具有锥部19a的平面形状的玻璃板19a、19b的构成,从而构成LG干涉计。
这里,LG干涉计这样构成,使得玻璃板19a和玻璃板19b之间形成全反射镜19β,通过该构成,在该全反射镜19β和锥部19a之间进行反复多重反射,此时,该一部分光通过玻璃板19a、19b,从而产生光路差Δ。
另外,第30图所示LG干涉计的构成方法中,取代光纤8a、8b而设置在下面形成全反射镜20α的平面玻璃板20和使光纤6出射的光平行并向平面玻璃板20入射的透镜21,从而构成LG干涉计。
LG干涉计这样构成,使得通过该构成,由透镜21平行化的光在平面玻璃板20的上面和下面之间反复多重反射,此时,该一部分光通过平面玻璃板20而产生光路差Δ。
另外,第31图所示LG干涉计的构成方法中,通过采用在第30图的构成方法中采用的平面玻璃板20上载置的又1个平面玻璃板22,构成LG干涉计。
这里,LG干涉计这样构成,使得平面玻璃板20和其上载置的平面玻璃板22之间形成部分反射镜20β,通过该构成产生光路差Δ。
另外,构成第30图和第31图的LG干涉计时,为了积极地形成光路差,最好采用具有锥部的平面玻璃板20和平面玻璃板22。
(D)实现测定范围的扩大的扬氏干涉计的构成
第1图所示构成例中,使用光分支结合器7,使从第2传感器1000b逆向传送的光分支到光纤8a和光纤8b,构成扬氏干涉计。
该场合,通过光纤8a、8b的末端之间的距离(第7图中所示2a)使干涉条纹的位置变化。
第32图(a)图示令a=20mm、其它条件与第9图所示仿真相同而进行的仿真的结果,第32(b)图示令a=10mm而进行的第9图所示仿真的结果。
从该仿真结果可明白,若光纤8a、8b的末端之间的距离小,则干涉条纹位置的展开的宽度变大。
从而可明白,测定的压力差大时,光纤8a、8b的末端之间的距离最好设置成大。因为该距离若设置小,则测定的压力差大时,偏离出线段图象传感器9的象素范围。另一方面,测定的压力差小时,光纤8a、8b的末端之间的距离最好设置小。因为该距离若小,则分辨力提高。
因而,如第33图所示,最好通过以光纤8a为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,以及以光纤8b为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,并使光出射到线段图象传感器9的最终级的光纤的出射间隔互不相同而形成的结构,实现测定范围的扩大。
这里,线段图象传感器9可由一个构成,也可由多个构成。
采用该构成时,运算装置10,例如,最初在最大差压测定范围测定差压,接着,根据该测定的差压,在进入线段图象传感器9的象素范围的差压测定范围内,选择分辨力最高的差压测定范围,进行差压再测定,从而,测定最终的差压。
(E)实现装置的小型化的构成
为了实现安装了第1图所示构成例的装置的小型化,如第34图和第35图所示,最好将光纤2/光分支结合器4a/光纤5/光分支结合器4b/光纤6/光分支结合器7/光纤8a/光纤8b在一个平台上集成。
而且,在采用实现第33图所示测定范围的扩大的构成时,如第36图所示,也最好在1个平台上集成。
这里,第34图至第36图中,700表示与第1传感器1000a和第2传感器1000b相当的第1传感器头,800表示与第1传感器1000a和第2传感器1000b相当的第2传感器头。
采用该集成化构成时,第1传感器1000a连接的光纤3a和第2传感器1000b连接的光纤3b最好在可能范围集成到该平台。
接着,说明第1实施例的其它构成例。
第37图图示第1实施例的其它构成例。
第1图所示构成例中测定点为2处,而该构成例中测定点为5处。
相应地,第37图的构成例中,除了第1传感器1000a及第2传感器1000b,还具备:在第3测定点设置,根据第3测定点产生的压力使输入光产生光路差的第3传感器1000c;在第4测定点设置,根据第4测定点产生的压力使输入光产生光路差的第4传感器1000d;在第5测定点设置,根据第5测定点产生的压力使输入光产生光路差的第5传感器1000e。
该第3传感器1000c通过与第1传感器1000a相同的构造,对输入光产生2ncLc光路差。这里,Lc是半透射镜1002c和全反射镜1001c之间的距离,nc是半透射镜1002c和全反射镜1001c之间的物质的折射率。
另一方面,第4传感器1000d通过与第1传感器1000a相同的构造,对输入光产生2ndLd光路差。这里,Ld是半透射镜1002d和全反射镜1001d之间的距离,nd是半透射镜1002d和全反射镜1001d之间的物质的折射率。
另一方面,第5传感器1000e通过与第1传感器1000a相同的构造,对输入光产生2neLe光路差。这里,Le是半透射镜1002e和全反射镜1001e之间的距离,ne是半透射镜1002e和全反射镜1001e之间的物质的折射率。
然后,配合第3传感器1000c和第4传感器1000d和第5传感器1000e的设置,在第1图所示构成上,还设置光纤5α、光纤3c、光分支结合器4c、光纤5β、光纤3d、光分支结合器4d、光纤5γ、光纤3e、光分支结合器4e,同时,第1图所示光纤6取出由光分支结合器4e分支的光,向光分支结合器7传送。
这里,光纤5α是将光分支结合器4b分支的光取出的单模光纤。光纤3c是与第3传感器1000c对应设置,将光纤5α取出的光向第3传感器1000c传送的单模光纤。光分支结合器4c将光纤5α和光纤3c结合,同时将光纤3c中逆向传送来的光分支。
光纤5β是将光分支结合器4c分支的光取出的单模光纤。光纤3d是与第4传感器1000d对应设置,将光纤5β取出的光向第4传感器1000d传送的单模光纤。光分支结合器4d将光纤5β和光纤3d结合,同时将光纤3d中逆向传送来的光分支。
光纤5γ是将光分支结合器4d分支的光取出的单模光纤。光纤3e是与第5传感器1000e对应设置,将光纤5γ取出的光向第5传感器1000e传送的单模光纤。光分支结合器4e将光纤5γ和光纤3e结合,同时将光纤3e中逆向传送来的光分支。
通过该构成,在线段图象传感器9上可生成具有与任意的2个测定点的压力差对应的干涉条纹位置的干涉条纹,如基于2(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹或基于2(naLa-ncLc)光路差因子的干涉条纹。
从而,采用该构成例的本发明,如第38图所示,可以用单一构成的传感器一次测定多个测定点的差压。
若采用该构成例的本发明,则例如第39图所示形态中,在图中的(ii)的位置,生成与第1测定点的压力和第2测定点的压力的差分值对应的干涉条纹,在图中的(iii)的位置,生成与第2测定点的压力和第3测定点的压力的差分值对应的干涉条纹,在图中的(iv)的位置,生成与第2测定点的压力和第4测定点的压力的差分值对应的干涉条纹,在图中的(v)的位置,生成与第4测定点的压力和第5测定点的压力的差分值对应的干涉条纹,因而,通过这些干涉条纹位置,可以用单一构成的传感器一次测定多个测定点的差压。
另外,图中所示(i)是中央部的固定位置出现的中央干涉条纹,压力差(光路差)越小,干涉条纹的位置在越靠近该中央干涉条纹的位置生成,因而,干涉条纹的出现顺序有变动的可能性,但是通常的测定对象中,不发生压力差的顺序的变化,因而通过本发明可执行这样的多个测定点的差压测定。
这里,采用第37图的构成时,光纤不限于必须采用单模,也可采用多模。
另外,采用第37图的构成时,当然可以采用产生第12图所示干涉条纹的传感器,此时2个测定点无压力差时产生的干涉条纹与中央干涉条纹不一致。
以上说明的构成例中,通过采用具有通过全反射镜1001a等响应压力而动作使输入光产生的光路差改变的机能的第1传感器1000a等,来测定压力差。
全反射镜1001a等若响应温度而动作,则采用本发明可测定温度差,若全反射镜1001a等响应磁场强度而动作,则采用本发明可测定磁场强度差,若全反射镜1001a等响应电场强度而动作,则采用本发明可测定电场强度差。这样,本发明不限于适用于压力差的测定。
另一方面,本发明中,也可以采用全反射镜1001a等不动作,而通过改变全反射镜1001a等和半透射镜1002a等之间的物质的折射率来使输入光产生的光路差变化的机能的传感器。
例如,如第40图所示,有通过高分子聚合体使折射率随温度变化的部件。若在全反射镜1001a等和半透射镜1002a等之间设置具备这样的特性的高分子聚合体,则可测定温度差。
一般,若物质的温度变化,压力变化,浓度变化,磁场变化,电场变化,则该折射率和长度变化,从而,通过的光的相位差变化。
从而,通过在全反射镜1001a等和半透射镜1002a等之间设置该随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的物质,即使全反射镜1001a等不动作,采用本发明也可测定压力差等。
而且,采用这样的随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的物质时,也可设置透射型的传感器取代第1传感器1000a等的反射型的传感器,其如第41图所示,平行配置透明玻璃板900、901,通过在该2个玻璃板900、901间设置该随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的反应物质902使输入光产生光路差。
第42图图示适用于这样的透射型的传感器的本发明的构成例。
该构成例中,采用根据第1测定点产生的压力使光路长度变化的透射型的第1传感器2000a和根据第2测定点产生的压力使光路长度变化的透射型的第2传感器2000b,测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值。
若2个玻璃板间的距离表示成La,2个玻璃板间的物质的折射率表示成nb,则该第1传感器2000a使输入光在通过时产生naLa光路长度。
另一方面,第2传感器2000b具有与第1传感器2000a相同的构造,若2个玻璃板间的距离表示成Lb,2个玻璃板间的物质的折射率表示成na,则使输入光在通过时产生nbLb光路长度。
以下,为了便于说明,假定「na=nb」,同时,当第1测定点和第2测定点之间无压力差时,假定采用使「La=Lb」的第1传感器2000a及第2传感器2000b。
这样构成时,当第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间无压力差的场合,「La=Lb」,并通过使第1传感器2000a具有的2个玻璃板间的物质和第2传感器2000b具有的2个玻璃板间的物质相同而使「na=nb」,因而,由第1传感器2000a产生的光路长度naLa和由第2传感器2000b产生的光路长度nbLb成为一致。
相对地,第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间有压力差的场合,该2个光路长度产生差异。
第42图的构成例是通过检出该2个光路长度的差异,来实现测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值的示例,除了具备第1传感器2000a及第2传感器2000b,还具备光源1、光纤30a、光分支结合器31a、光纤32a、光分支结合器33a、光纤30b、光分支结合器31b、光纤32b、光分支结合器33b、光纤6、光分支结合器7、光纤8a、光纤8b、线段图象传感器9、运算装置10。
该光源1由发出低相干性光的LED等的所谓白色光源构成。光纤30a是将光源1发出的光取出并向第1传感器2000a传送的单模光纤。光分支结合器31a将光纤30a中传送的光分成2束,将其一输入第1传感器2000a。
光纤32a是以光分支结合器31a分支的另一束光为输入,形成将第1传感器2000a旁路的通路的单模光纤。光分支结合器33a将第1传感器2000a输出的光和光纤32a输出的光结合。
光纤30b是将光分支结合器33a输出的光向第2传感器2000b传送的单模光纤。光分支结合器31b将光纤30b中传送的光分成2束,将其一向第2传感器2000b输入。
光纤32b是以光分支结合器31b分支的另一束光为输入,形成将第2传感器2000b旁路的通路的单模光纤。光分支结合器33b将第2传感器2000b输出的光和光纤32b输出的光结合。
光纤6是将光分支结合器33b分支的光取出的单模光纤。光分支结合器7将光纤6取出的光分支成2束。光纤8a是将光分支结合器7分支的一束光取出的单模光纤。光纤8b是将光分支结合器7分支的另一束光取出的单模光纤。
线段图象传感器9检出从光纤8a及光纤8b出射的光所生成的干涉条纹。运算装置10从线段图象传感器9检出的干涉条纹的条纹位置,计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差。
在该构成例的场合存在4种光传送模式,即,(I)透射第1传感器2000a后,透射第2传感器2000b的光传送模式,(II)在将第1传感器2000a旁路的光纤32a中传送后,在将第2传感器2000b旁路的光纤32b中传送的光传送模式和,(III)在将第1传感器2000a旁路的光纤32a中传送后,透射第2传感器2000b的光传送模式,(IV)透射第1传感器2000a后,在将第2传感器2000b旁路的光纤32b中传送的光传送模式。
考虑到光纤32a、32b产生的光路长度固定,则若以(III)的传送模式传送,则输入光产生nbLb光路长度,若以(IV)的传送模式传送,则输入光产生naLa光路长度,从而,向线段图象传感器9出射的光的相位差中存在相位差,相位差=k×(naLa-nbLb)。
该(naLa-nbLb)光路差因子表示第1传感器2000a所在第1测定点产生的压力和第2传感器2000b所在第2测定点产生的压力的差压,从而,如第1图的构成例所说明,通过检出基于该(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动量,可计算该差压。
这样,即使是采用透射型的第1传感器2000a及第2传感器2000b的第42图的构成例,通过检出基于(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动量,可测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差压。
这里,采用第42图的构成时,光纤不限于必须采用单模,也可采用多模。
另外,采用第42图的构成时,当然可以采用产生第12图所示干涉条纹的传感器,此时2个测定点无压力差时产生的干涉条纹与中央干涉条纹不一致。
另外,即使采用第42图的构成例的场合,作为第1传感器2000a,除了单一构成的传感器,如第43图所示,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件。
第1传感器2000a是检出第1测定点产生的压力的传感器,若采用这样的多个并联构成,则各个传感器使输入光产生相同naLa光路长度,从而成为计算光学平均值,可高精度检出第1测定点产生的压力。
另外,作为第2传感器2000b,除了单一构成的传感器,如第43图所示,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件。
第2传感器2000b是检出第2测定点产生的压力的传感器,若采用这样的多个并联构成,则各个传感器使输入光产生相同nbLb光路长度,从而成为计算光学平均值,可高精度检出第2测定点产生的压力。
第42图的构成例中,采用如下方法,即通过采用将第1传感器2000a旁路的光纤32a使输入光在通过第1传感器2000a时产生naLa光路差,通过采用将第2传感器2000b旁路的光纤32b使输入光在通过第2传感器2000b时产生nbLb光路差,但是,如第44图所示,也可以取代将第1传感器2000a旁路的光纤32a,采用使输入光产生与第1传感器2000a不同的光路长度q×naLa(q是1以外的值)的传感器2001a,同时,取代将第2传感器2000b旁路的光纤32b,采用使输入光产生与第2传感器2000b不同的光路长度q×nbLb的传感器2001b。
该场合存在4种光传送模式,即,(I)透射第1传感器2000a后,透射第2传感器2000b的光传送模式,(II)透射取代光纤32a的传感器2001a后透射取代光纤32b的传感器2001b的光传送模式,(III)透射取代光纤32a的传感器2001a后透射第2传感器2000b的光传送模式,(IV)透射第1传感器2000a后透射取代光纤32b的传感器2001b的光传送模式。
若以该(III)的传送模式传送,则输入光产生「q×naLa+nbLb」光路长度,若以(IV)的传送模式传送,则输入光产生「naLa+q×nbLb」光路长度,从而,向线段图象传感器9出射的光的相位差中存在相位差,相位差=k×(q-1)×(naLa-nbLb)。
从而,即使采用第44图所示构成例,通过检出基于(q-1)×(naLa-nbLb)光路差因子的干涉条纹的移动量,可以测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差压。
即使采用该第44图的构成时,作为第1传感器2000a,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件,作为取代光纤32a的传感器2001a,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件。
作为第2传感器2000b,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件,作为取代光纤32b的传感器2001b,也可以采用由具有相同构造的多个传感器通过光纤并联而构成的部件。
这里,采用第44图的构成例时,当然可以采用产生第12图所示干涉条纹的传感器,此时2个测定点无压力差时产生的干涉条纹与中央干涉条纹不一致。
另外,第42图至第44图中,测定点是2处,测定点是3处以上的场合,则在传感器串联的形态下设置光纤及光分支结合器。
另外,实现第42图至第44图的构成例时,如第33图所示,最好通过以光纤8a为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,以及以光纤8b为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,并使光出射到线段图象传感器9的最终级的光纤的出射间隔互不相同而形成的结构,实现测定范围的扩大。这里,线段图象传感器9可由一个构成,也可由多个构成。
实现第42图至第44图的构成例时,为了实现小型化,如第34图和第35图和第36图所示,最好尽可能将光纤和光分支结合器集成到一个平台。
[4]第2实施例的详细内容
以在相互远离的测定点产生的压力的差分值的测定为具体例,详细说明第2实施例的本发明。
第45图图示第2实施例的本发明的一个构成例。
该第45图所示本发明的构成例中,使用第1测定点设置的第1传感器对100和第2测定点设置的第2传感器对200,测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值。
第1传感器对100由受到第1测定点中的温度的影响的同时根据第1测定点产生的压力使输入光产生光路差的第1压力温度传感器100a和只根据第1测定点中的温度使输入光产生光路差的第1温度传感器100b构成。
另一方面,第2传感器对200由受到第2测定点中的温度的影响的同时根据第2测定点产生的压力使输入光产生光路差的第2压力温度传感器200a和只根据第2测定点中的温度使输入光产生光路差的第2温度传感器200b构成。
第1压力温度传感器100a由设置在光阑等的受压部件上的全反射镜101a、与全反射镜101a对向设置并反射输入光的一部分的同时使剩余部分透射的半透射镜102a以及使透射半透射镜102a的光平行并向全反射镜101a照射的透镜103a构成。
若半透射镜102a和全反射镜101a之间的距离表示成L1a,半透射镜102a和全反射镜101a之间的物质的折射率表示成n1a,则当由半透射镜102a反射的场合和由全反射镜101a反射的场合,该第1压力温度传感器100a使输入光产生2n1aL1a光路差。
另外,第1温度传感器100b由设置在光阑等的受压部件上的全反射镜101b、与全反射镜101b对向设置并反射输入光的一部分的同时使剩余部分透射的半透射镜102b以及使透射半透射镜102b的光平行并向全反射镜101b照射的透镜103b构成。
若半透射镜102b和全反射镜101b之间的距离表示成L1b,半透射镜102b和全反射镜101b之间物质的折射率表示成n1b,则当由半透射镜102b反射的场合和由全反射镜101b反射的场合,该第1温度传感器100b使输入光产生2n1bL1b光路差。
另一方面,第2压力温度传感器200a具有与第1压力温度传感器100a相同的构造,由设置在光阑等的受压部件的全反射镜201a、与全反射镜201a对向设置并反射输入光的一部分的同时使剩余部分透射的半透射镜202a以及使透射半透射镜202a的光平行并向全反射镜201a照射的透镜203a构成。
若半透射镜202a和全反射镜201a之间的距离表示成L2a,半透射镜202a和全反射镜201a之间物质的折射率表示成n2a,则当由半透射镜202a反射的场合和由全反射镜201a反射的场合,该第2压力温度传感器200a使输入光产生2n2aL2a光路差。
另外,第2温度传感器200b具有与第1温度传感器100b相同的构造,由设置在光阑等的受压部件的全反射镜201b、与全反射镜201b对向设置并反射输入光的一部分的同时使剩余部分透射的半透射镜202b以及使透射半透射镜202b的光平行并向全反射镜201b照射的透镜203b构成。
若半透射镜202b和全反射镜201b之间的距离表示成L2b,半透射镜202b和全反射镜201b之间物质的折射率表示成n2b,则当用半透射镜202b反射的场合和用全反射镜201b反射的场合,该第2温度传感器200b使输入光产生2n2bL2b光路差。
以下,为了便于说明,假定「n1a=n2a」,同时假定采用第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差时使「L1a=L2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a。
为了便于说明,假定「n1b=n2b」,同时假定采用第1测定点和第2测定点之间无温度差时使「L1b=L2b」的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b。
这样构成时,当第1测定点产生的压力及温度和第2测定点产生的压力及温度之间无压力差及温度差的场合,「L1a=L2a」,并且由于半透射镜102a和全反射镜101a之间的物质和半透射镜202a和全反射镜201a之间的物质相同而使「n1a=n2a」,因而,第1压力温度传感器100a产生的光路差2n1aL1a和第2压力温度传感器200a产生的光路差2n2aL2a成为一致。
相对地,第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间有压力差的场合,该2个光路差产生差异。而且,该光路差受到温度的影响。
另一方面,第1测定点中的温度和第2测定点中的温度之间无温度差的场合,「L1b=L2b」,并且由于半透射镜102b和全反射镜101b之间的物质和半透射镜202b和全反射镜201b之间的物质相同而使「n1b=n2b」,因而,第1温度传感器100b产生的光路差2n1bL1b和第2温度传感器200b产生的光路差2n2bL2b成为一致。
相对地,第1测定点中的温度和第2测定点中的温度之间有温度差的场合,该2个光路差产生差异。
第45图的构成例是通过检出这些光路差的差异,在不受第1及第2测定点中的温度的影响下实现测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值的例子,除了具备第1传感器对100及第2传感器对200,还具备光源1、光纤2、光纤3a、光分支结合器50a、光分支结合器4a、光纤5、光纤3b、光分支结合器50b、光分支结合器4b、光纤6、光分支结合器7、光纤8a、光纤8b、线段图象传感器9、运算装置10。
该光源1由发出低相干性光的LED等的所谓白色光源构成。光纤2是将光源1发出的光取出的单模光纤。光纤3a是与第1传感器对100对应设置,将光纤2取出的光向第1传感器对100传送的单模光纤。
光分支结合器50a将光纤3a中传送来的光分成2束并输入第1传感器对100。光分支结合器4a将光纤2和光纤3a结合,同时将光纤3a中逆向传送来的光分支。光纤5是将光分支结合器4a分支的光取出的单模光纤。光纤3b是与第2传感器对200对应设置,将光纤5取出的光向第2传感器对200传送的单模光纤。
光分支结合器50b将光纤3b中传送来的光分成2束并输入第2传感器对200。光分支结合器4b将光纤5和光纤3b结合,同时将光纤3b中逆向传送来的光分支。光纤6是将光分支结合器4b分支的光取出的单模光纤。光分支结合器7将光纤6取出的光分成2束。
光纤8a是将光分支结合器7分支的一束光取出的单模光纤。光纤8b是将光分支结合器7分支的另一束光取出的单模光纤。线段图象传感器9检出由光纤8a及光纤8b出射的光生成的干涉条纹。运算装置10从线段图象传感器9检出的干涉条纹的条纹位置,计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差。
另外,如后述,对于光纤3a、3b,不限于单模,也可以采用多模,对应地,对于光纤2、5、6、8a、8b,也不限于单模,可以采用多模。
这样构成的本发明中,若用第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a的关系进行说明,则存在4种光传送模式,即,如第46图(a)所示,由全反射镜101a反射后由全反射镜201a反射并传送的光传送模式,如第46图(b)所示,由半透射镜102a反射后由半透射镜202a反射并传送的光传送模式,如第46图(c)所示,由半透射镜102a反射后由全反射镜201a反射并传送的光传送模式,如第46图(d)所示,由全反射镜101a反射后由半透射镜202a反射并传送的光传送模式。
这里,为了便于说明,第46图(a)所示传送模式称为第1传送模式,第46图(b)所示传送模式称为第2传送模式,第46图(c)所示传送模式称为第3传送模式,第46图(d)所示传送模式称为第4传送模式。
从而,作为向线段图象传感器9出射的光的相位差,存在4种相位差:
(I)如第47图所示,第1传送模式和第2传送模式的组合产生的相位差=k×2(n1aL1a+n2aL2a)
(II)如第48图所示,由第2传送模式和第4传送模式的组合(图中的(a))及第1传送模式和第3传送模式的组合(图中的(b))产生的相位差=k×2n1aL1a
(III)如第49图所示,由第2传送模式和第3传送模式的组合(图中的(a))及第1传送模式和第4传送模式的组合(图中的(b))产生的相位差=k×2n2aL2a
(IV)如第50图所示,由第3传送模式和第4传送模式的组合产生的相位差=k×2(n1aL1a-n2aL2a)。
同样,第1温度传感器100b和第2温度传感器200b的关系中也存在第46图所示4种光传送模式,从而,存在与第47图至第50图所示对应的4种相位差k×2(n1bL1b+n2bL2b)、k×2n1bL1b、k×2n2bL2b、k×2(n1bL1b-n2bL2b)。
另一方面,在光纤8a出射并到达线段图象传感器9上的任意点(z,0)的光和光纤8b出射的光之间,存在根据第1实施例说明的第7图所示式(扬氏干涉计的公式)计算出的光路差Δ。
这里,″h″表示线段图象传感器9和光纤8a、8b的末端之间的距离,″2a″表示光纤8a、8b的末端之间的距离。
因此,若用第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a的关系进行说明,光源1发出的光的相干长度用lc表示,则在
lc≥Δ-2(n1aL1a+n2aL2a)
lc≥Δ-2(n1aL1a-n2aL2a)
lc≥Δ-2n1aL1a
lc≥Δ-2n2aL2a
lc≥Δ+2(n1aL1a+n2aL2a)
lc≥Δ+2(n1aL1a-n2aL2a)
lc≥Δ+2n1aL1a
lc≥Δ+2n2aL2a
的条件成立时,在
Δ=2(n1aL1a+n2aL2a)
Δ=2(n1aL1a-n2aL2a)
Δ=2n1aL1a
Δ=2n2aL2a
的场所,线段图象传感器9上生成的干涉条纹表现为高干涉强度。
该线段图象传感器9上生成的干涉条纹的强度,若假定为具有高斯分布的光束强度的光束,则可根据第51图所示模型公式进行仿真。
这里,该模型公式表示由第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a生成的干涉条纹,式中所包含的n1aL1a、n2aL2a随压力及温度变化。
另外,对于由第1温度传感器100b和第2温度传感器200b生成的干涉条纹,用将该模型公式具有的n1aL1a、n2aL2a分别代入n1bL1b、n2bL2b(其仅仅随温度变化)的模型公式来计算强度。
可以说,第1实施例说明的第9图的仿真结果表示由第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a生成的干涉条纹的仿真的一例。
但是,该场合,第9图中的La置换成L1a,同时Lb置换成L2a,图中所示(i)为中央部的固定位置出现的中央干涉条纹,(ii)是基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹,(iii)是基于2n1aL1a光路差因子的干涉条纹,(iv)是基于2n2aL2a光路差因子的干涉条纹,(v)是基于2(n1aL1a+n2aL2a)光路差因子的干涉条纹。
从该仿真可以明白,干涉条纹左右对称地出现,随着L2a的增大向相互向逆向移动。
2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子表示第1压力温度传感器100a所在第1测定点产生的压力和第2压力温度传感器200a所在第2测定点产生的压力的差压,从而,通过检出基于该2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量,可测定该差压。
但是,第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a受到温度的影响,因而,检出基于该2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量并根据它来计算差压的过程中,是受到了温度的影响的差压测定。
另一方面,同样,第1温度传感器100b和第2温度传感器200b的关系中,在相同条件下,
Δ=2(n1bL1b+n2bL2b)
Δ=2(n1bL1b-n2bL2b)
Δ=2n1bL1b
Δ=2n2bL2b
的场所表现出强干涉强度。
该2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子表示第1温度传感器100b所在第1测定点中的温度和第2温度传感器200b所在第2测定点中的温度的温度差,从而通过检出基于该2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动量,可测定该温度差。
另外,为了使第1压力温度传感器100a和第1温度传感器100b不干涉,构成使以下条件
lc≤Δ-2(n1aL1a-n1bL1b)
lc≤Δ+2(n1aL1a-n1bL1b)
成立,同时,为了使第2压力温度传感器200a和第2温度传感器200b不干涉,构成使以下条件
lc≤Δ-2(n2aL2a-n2bL2b)
lc≤Δ+2(n2aL2a-n2bL2b)
成立。
运算装置10执行如下处理,即,检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量,同时检出基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动量,并在不受温度的影响下根据它们计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差压。
第52图及第53图以流程图的形式图示运算装置10的处理内容。
运算装置10在进入实际的测定前,通过执行第52图所示流程图的处理,计算实际的测定所必要的运算参数并在存储器中保存。
即,运算装置10进入实际的测定前,如第52图所示流程图所示,首先最初在步骤30确定成为测定基准的差压条件,并将其保存在存储器。
接着,在步骤31,在该确定的基准的差压条件下,实际检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的位置,同时实际检出基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的位置,并将其作为干涉条纹位置的初始值保存到存储器。
这里,从第9图的仿真结果可明白,第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差的场合,当采用使「n1aL1a=n2aL2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a时,基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹位置比基于2(n1aL1a+n2aL2a)和2n1aL1a和2n2aL2a光路差因子的干涉条纹的位置更靠近中央干涉条纹。
第1测定点和第2测定点之间无温度差的场合,当采用使「n1bL1b=n2bL2b」的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b时,基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹位置比基于2(n1bL1b+n2bL2b)和2n1bL1b和2n2bL2b光路差因子的干涉条纹的位置更靠近中央干涉条纹。
另一方面,基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹位置和基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹位置中哪一个更靠近中央干涉条纹基本上由L1a(无差压及温度差时与L2a一致)和L1b(无温度差时与L2b一致)之间的大小关系决定。
从以上可以明白,通过设计的事项可唯一确定以中央干涉条纹为起点的干涉条纹的出现顺序,从而,可检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的位置和基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的位置,因此,步骤31中执行如下处理,即,在确定的基准的差压条件下,实际检出这些干涉条纹的位置,并将其作为干涉条纹位置的初始值保存到存储器。
此时的干涉条纹位置的检出,例如,是通过采用线段图象传感器9输出的象素值的微分值检出从中央干涉条纹开始按照规定的顺序出现的微分极大值的位置来进行的。另外,为了提高分辨力,最好检出左右对称位置的干涉条纹位置。
这里,基准的差压条件为零差压时,中央干涉条纹成为干涉条纹位置的初始值,因而可省略该步骤31的处理。
接着,在步骤32中,在确定的基准的差压条件下的附近,在温度差一定的条件下实际地改变差压,根据基于此时的2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹位置的移动量,求出与作为单位差压量的干涉条纹的移动量而求出的差压相关的感度C12a (P),保存在存储器中。
接着,步骤33中,在确定的基准的差压条件下的附近,在差压一定的条件下实际改变温度差,根据基于此时的2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹位置的移动量,求出与作为单位温度差的干涉条纹的移动量而求出的温度相关的感度C12a (T),保存在存储器中。
接着,步骤34中,在确定的基准的差压条件下的附近,在差压一定的条件下实际改变温度差,根据基于此时的2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹位置的移动量,求出与作为单位温度差的干涉条纹的移动量而求出的温度相关的感度C12b (T),保存在存储器中。
另一方面,运算装置10在进行实际的测定时,通过执行第53图所示流程的处理,在不受温度的影响下测定差压。
即,运算装置10若进入实际的测定,则如第53图所示流程图所示,首先最初在步骤40检出基于2(1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的位置。
此时的干涉条纹位置的检出,例如,是通过采用线段图象传感器9输出的象素值的微分值检出从中央干涉条纹开始按照规定的顺序出现的微分极大值的位置来进行的。另外,为了提高分辨力,最好检出左右对称位置的干涉条纹位置。
接着,步骤41中,通过计算该检出的干涉条纹位置和存储器保存的对应的干涉条纹位置的初始值的差分值,计算从基于2(1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹位置的初始值开始的移动量ΔD12b。
接着,步骤42中,通过将该计算的移动量ΔD12b除以存储器保存的温度相关的感度C12b (T),计算第1测定点中的温度和第2测定点中的温度的温度差ΔT。
接着,步骤43中,检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的位置。
此时的干涉条纹位置的检出,例如,是通过采用线段图象传感器9输出的象素值的微分值检出从中央干涉条纹开始按照规定的顺序出现的微分极大值的位置来进行的。另外,为了提高分辨力,最好检出左右对称位置的干涉条纹位置。
接着,步骤44中,通过计算该检出的干涉条纹位置和存储器保存的对应的干涉条纹位置的初始值的差分值,计算从基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹位置的初始值开始的移动量ΔD12a。
接着,步骤45中,根据该计算的移动量ΔD12a、先前计算的温度差ΔT、存储器保存的压力相关的感度C12a (P)以及存储器保存的温度相关的感度C12a (T),通过上述的
ΔP=(ΔD12a-C12a (T)×ΔT)/C12a (P)
的计算式,计算出从存储器保存的基准的差压条件开始的差压的变位。
接着,步骤46中,通过将该计算的差压的变位ΔP与存储器保存的基准的差压条件相加,计算现在的差压并作为测定结果输出。
这样,运算装置10执行如下处理,即,检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量,同时检出基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动量,并根据它们在不受温度的影响下计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差压并输出。
以上说明的构成例中,第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差的场合,假定采用使「n1aL1a=n2aL2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a。
该场合,从第9图的仿真结果可明白,基于表示第1测定点和第2测定点之间的压力差及温度差的2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹,以基于扬氏干涉计的中央干涉条纹的位置为起点,随着该差压的绝对值的大小变大,以从中央干涉条纹离开的形态移动。
本发明不限于采用这样的构成的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a,当第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差时,也可采用使「n1aL1a≠n2aL2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a,该场合可测定负压。
即,第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差时,当采用使「n1aL1a≠n2aL2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a的场合,基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹以中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,按照该2(n1aL1a-n2aL2a)具有的符号所指定的方向而移动,因而,即使第1测定点和第2测定点之间的压力差为逆转的负压,也可以进行测定。
例如,若假定「n1a=n2a」及「L1a>L2a」进行说明,则如第54图(a)所示,若中央干涉条纹的位置用0点表示,则以M点所示中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,当″L1a-L2a″的值增大时沿箭头A所示方向移动,″L1a-L2a″的值减少时沿箭头B所示方向移动,因而,即使第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差是逆转的负压,也可以进行测定。
若假定「n1a=n2a」及「L2a>L1a」进行说明,则如第54图(b)所示,若中央干涉条纹的位置用0点表示,则以M点所示中央干涉条纹以外的干涉条纹位置为起点,当″L2a-L1a″的值增大时沿箭头A所示方向移动,″L2a-L1a″的值减少时沿箭头B所示方向移动,因而,即使第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差是逆转的负压,也可以进行测定。
但是,由于第1压力温度传感器100a基本上响应第1测定点产生的压力来改变光路差,同时第2压力温度传感器200a基本上响应第2测定点产生的压力来改变光路差,因而未考虑温度差,当第1测定点和第2测定点之间无压力差时,通过采用使「n1aL1a≠n2aL2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a,即使对于第1测定点和第2测定点之间的压力差为逆转的负压,也可以进行测定。
如上述,由于运算装置10采用通过设定基准的差压条件、检出该基准的差压条件下的干涉条纹的初始值并检出从初始值开始的变位来测定考虑了温度差的压力的差分值的方法,因而,对于表示出第54图所示移动的干涉条纹的移动,通过检出该移动,可以测定压力的差压值。
同样,以上说明的构成例中,在第1测定点和第2测定点之间无温度差的场合假定采用使「n1bL1b=n2bL2b」的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b,但是,本发明不限于采用这样的构成的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b,当第1测定点和第2测定点之间无温度差的场合,也可以采用使「n1bL1b≠n2bL2b」的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b。
另外,以上说明的构成例中,假定采用单模光纤3a、3b,但是也可采用多模光纤。
多模光纤的纤芯直径由于比单模光纤的纤芯直径大,因而,若光纤3a、3b采用多模,则可获得从具有法布里-珀罗构造的第1传感器对100返回的光高效地返回光纤3a的纤芯(正确地说是与半透射镜102a、102b连接的光纤的纤芯),同时从具有法布里-珀罗构造的第2传感器对200返回的光高效地返回光纤3b的纤芯(正确地说是与半透射镜202a、202b连接的光纤的纤芯)的优点。
即,如第55图所示,具有法布里-珀罗构造的第1传感器对100和第2传感器对200返回的光的一部分返回光纤3a和光纤3b的覆盖层601,若光纤3a和光纤3b的纤芯直径大,则返回该覆盖层601的光的比例变小,从而,可获得从第1传感器对100和第2传感器对200返回的光高效地返回光纤3a和光纤3b的纤芯600的优点。
另一方面,从第51图所示干涉条纹强度的模型公式可明白,线段图象传感器9上生成的干涉条纹根据具有由相干长度lc规定的衰减系数的γ(A)衰减项,成为具有由相干长度lc规定的宽度。
从而,基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹若不偏离基于扬氏干涉计的中央干涉条纹所具有的宽度,则无法检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动。
基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹若不偏离基于扬氏干涉计的中央干涉条纹所具有的宽度,则无法检出基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动。
这样,有必要增加L1a、L2a、L1b、L2b的长度,此时,为了使光高效地返回光纤3a和光纤3b的纤芯,也有必要增加光纤3a和光纤3b的纤芯直径。
这样,光纤3a、3b若采用多模,则可获得从第1传感器对100返回的光高效地返回光纤3a的纤芯,同时从第2传感器对200返回的光高效地返回光纤3b的纤芯的优点,从而,可增加L1a、L2a、L1b、L2b的长度,因此获得可正确测定基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动的同时,可正确测定基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动的优点。
第1实施例说明的第14图至第16图的仿真结果也是基于第1压力温度传感器100a、第2压力温度传感器200a、第1温度传感器100b、第2温度传感器200b的间隙长度L的光量损失的仿真结果。
即,从第15图的仿真结果可明白,以0.1%的光量损失为标准的场合,当纤芯直径Φ为10μm时,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.5,间隙长度L的上限值大约为5μm。
另外,纤芯直径Φ为20μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.8,间隙长度L的上限值大约为16μm。
另外,纤芯直径Φ为40μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.2,间隙长度L的上限值大约为48μm。
另外,纤芯直径Φ为60μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.5,间隙长度L的上限值大约为90μm。
从第16图的仿真结果可明白,以0.01%的光量损失为标准时,纤芯直径Φ为10μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.2,间隙长度L的上限值大约为2μm。
另外,纤芯直径Φ为20μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.2,间隙长度L的上限值大约为4μm。
另外,纤芯直径Φ为40μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.4,间隙长度L的上限值大约为16μm。
另外,纤芯直径Φ为60μm的场合,间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.5,间隙长度L的上限值大约为30μm。
这样,从光量损失的观点看,当提供光纤3a和光纤3b的纤芯直径时,第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a和第1温度传感器100b和第2温度传感器200b的间隙长度L存在上限值。
例如,采用使纤芯直径Φ为12.5μm的市售的单模光纤的场合,若光量损失抑制到0.1%,则必须令间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为0.6,间隙长度L为7.5μm以下。另外,采用使纤芯直径Φ为50μm的市售的多模光纤的场合,若光量损失抑制到0.1%,则必须令间隙长度L和纤芯直径Φ的比(L/Φ)的上限值大约为1.35,间隙长度L为67μm以下。
但是,容许光量损失增加的场合,当然也可以增大该上限值。
另外,该条件到底是假定具备法布里-珀罗构造的第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a和第1温度传感器100b和第2温度传感器200b而得出的,当受压部具备由光波导管构成的其它构造时,当然不限于这样的上限值。
如上述,其优点在于,若第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a的间隙长度L(L1a,L2a)增大,则基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度显著偏离,从而可正确检出该干涉条纹的移动。
另外,其优点在于,若第1温度传感器100b和第2温度传感器200b的间隙长度L(L1b,L2b)增大,则基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度显著偏离,从而可正确检出该干涉条纹的移动。
可以说,第1实施例说明的第17图及第18图的仿真结果表示由第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a生成的干涉条纹的仿真的一例。
但是,该场合,第17图及第18图中的La置换成L1a,同时Lb置换成L2a。
从而,第17图(a)所示仿真结果是假定为单模光纤并令「L1a=6μm,L1b=5μm 」,根据第51图所示模型公式执行的仿真结果,但是该场合,由于L1a、L2a小,因而基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹进入基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度,实质上不能检出该干涉条纹的移动。
相对地,第17图(b)所示仿真结果是假定多模光纤并令「L1a=60μm,L1b=35μm」,根据第51图所示模型公式执行的仿真结果,但是该场合,由于L1a、L2a增大,因而基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度偏离,从而可检出该干涉条纹的移动。
虽然从该仿真结果得出不能使用单模光纤的结论,但这是不真实的。
例如,第18图所示仿真结果是假定为单模光纤并令「L1a=20μm,L1b=7μm」,根据第51图所示模型公式而进行的仿真结果,但是该场合,由于基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹从基于扬氏干涉计的中央干涉条纹具有的宽度偏离,可检出该干涉条纹的移动。
从该第18图的仿真结果可明白,光纤不一定要采用多模,也可采用单模。
接着,详细说明构成第45图所示本发明的各构成要素。
(A)光源1的构成
光源1是发出低相干光的白色光源。这是因为若采用高相干的光,则中央干涉条纹难于衰减,因而其宽度增大,从而,不可能正确检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的位置或基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的位置。
第1实施例说明的第19图至第22图的仿真结果也可直接适用于第2实施例。但是,第19图至第22图中的La置换成L1a,Lb置换成L2a。
根据该仿真结果,若设置发出发光频带半值宽度为22nm程度的低相干的光的光源1,可验证能够检出基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的位置。从而,可验证能够检出基于2(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的位置。
即,相干长度lc若变大,则具有相干长度lc所规定的宽度的中央干涉条纹的宽度变大,从而基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹进入中央干涉条纹的内部,不可能检出该干涉条纹的位置,因而必须采用发出低相干的光的光源1c。
为了实现这样的低相干的发光,如第56图所示,也可以采用设置发光波长不同的多个光源1,并将其发出的光向光分支结合器4a传送的构成。
(B)第1传感器对100/第2传感器对200的构成
作为构成第1传感器对100的第1压力温度传感器100a,可采用单一构成,也可以设置具有同一构造的多个传感器并通过光纤并联而构成。
作为第1压力温度传感器100a,若采用这样的多个并联构成的结构,则通过各个传感器对输入光发生同一的2n1aL1a光路差,算出光学平均值,可高精度检出第1测定点发生的压力。
另外,作为构成第1传感器对100的第1温度传感器100b,可采用单一构成,也可以设置具有同一构造的多个传感器并通过光纤并联而构成。
作为第1温度传感器100b,若采用这样的多个并联构成的结构,则通过各个传感器对输入光发生同一的2n1bL1b光路差,算出光学平均值,可高精度检出第1测定点的温度。
另一方面,作为构成第2传感器对200的第2压力温度传感器200a,可采用单一构成,也可以设置具有同一构造的多个传感器并通过光纤并联而构成。
作为第2压力温度传感器200a,若采用这样的多个并联构成的结构,则通过各个传感器对输入光发生同一的2n2aL2a光路差,算出光学平均值,可高精度检出第2测定点发生的压力。
另外,作为构成第2传感器对200的第2温度传感器200b,可采用单一构成,也可以设置具有同一构造的多个传感器并通过光纤并联而构成。
作为第2温度传感器200b,若采用这样的多个并联构成的结构,则通过各个传感器对输入光发生同一的2n2bL2b光路差,算出光学平均值,可高精度检出第2测定点的温度。
(C)扬氏干涉计的构成
第45图所示构成例中,使用光分支结合器7将从第2传感器对200逆向传送的光分支到光纤8a和光纤8b,从而构成扬氏干涉计。
作为干涉计的构成方法,不限于这样的构成方法,可以采用第1实施例说明的各种构成。
(D)实现测定范围的扩大的扬氏干涉计的构成
第45图所示构成例中,使用光分支结合器7,使从第2传感器对200逆向传送的光分支到光纤8a和光纤8b,构成扬氏干涉计。
该场合,通过光纤8a、8b的末端之间的距离(第7图中所示2a)使干涉条纹的位置变化。
第1实施例说明的第32图的仿真结果也可直接适用于第2实施例。但是,第32图中的La置换成L1a,Lb置换成L2a。
从该仿真结果可明白,若光纤8a、8b的末端之间的距离小,则干涉条纹位置的展开的宽度变大。
从而可明白,测定的压力差大时,光纤8a、8b的末端之间的距离最好设置成大。因为该距离若设置小,则测定的压力差大时,偏离出线段图象传感器9的象素范围。另一方面,测定的压力差小时,光纤8a、8b的末端之间的距离最好设置小。因为该距离若小,则分辨力提高。
因而,如第33图所示,最好通过以光纤8a为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,以及以光纤8b为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,并使光出射到线段图象传感器9的最终级的光纤的出射间隔互不相同而形成的结构,实现测定范围的扩大。
这里,线段图象传感器9可由一个构成,也可由多个构成。
采用该构成时,运算装置10,例如,最初在最大差压测定范围测定差压,接着,根据该测定的差压,在进入线段图象传感器9的象素范围的差压测定范围内,选择分辨力最高的差压测定范围,进行差压再测定,从而,测定最终的差压。
(E)实现装置的小型化的构成
为了实现安装了第45图所示构成例的装置的小型化,与第1实施例同样,如第34图和第35图所示,最好将光纤2/光分支结合器4a/光纤5/光分支结合器4b/光纤6/光分支结合器7/光纤8a/光纤8b在一个平台上集成。
而且,在采用实现第33图所示测定范围的扩大的构成时,如第36图所示,也最好在1个平台上集成。
这里,第1传感器对100连接的光纤3a和第2传感器对200连接的光纤3b在可能范围最好集成到该平台。
第45图所示构成例中,由第1压力温度传感器100a和第1温度传感器100b通过光纤并联作为第1传感器对100,由第2压力温度传感器200a和第2温度传感器200b通过光纤并联作为第2传感器对200,但是如第57图所示,也可以由第1压力温度传感器100a和第1温度传感器100b通过光纤110串联作为第1传感器对100,由第2压力温度传感器200a和第2温度传感器200b通过光纤210串联作为第2传感器对200。
采用该构成时,为了实现该串联,第1压力温度传感器100a成为前级时,其具备的全反射镜101a置换成半透射境,同时,第2压力温度传感器200a成为前级时,其具备的全反射镜201a置换成半透射镜。
为了实现该串联,第1温度传感器100b成为前级时,其具有的全反射镜101b置换成半透射境,同时,第2温度传感器200b成为前级时,其具有的全反射镜201b置换成半透射镜。
采用该构成时,为了通过计算光学平均值提高测定精度,对于第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a和第1温度传感器100b和第2温度传感器200b,也可以采用通过光纤并联具有相同构造的多个传感器而形成的构成。
接着,说明第2实施例的其它构成例。
第58图图示第2实施例的其它构成例。
第45图所示构成例中测定点为2处,而该构成例中测定点为5处。
对应地,第58图的构成例除了第1传感器对100及第2传感器对200,还具备第3测定点设置的第3传感器对300、第4测定点设置的第4传感器对400以及第5测定点设置的第5传感器对500。
该第3传感器对300具有与第1传感器对100相同的构造,响应压力及温度而使输入光产生2n3aL3a光路差,同时仅仅响应温度而使输入光产生2n3bL3b光路差。这里,L3a、L3b表示半透射镜和全反射镜之间的距离,n3a、n3b表示半透射镜和全反射镜之间的物质的折射率。
另一方面,第4传感器对400具有与第1传感器对100相同的构造,响应压力及温度而使输入光产生2n4aL4a光路差,同时仅仅响应温度而使输入光产生2n4bL4b光路差。这里,L4a、L4b表示半透射镜和全反射镜之间的距离,n4a、n4b表示半透射镜和全反射镜之间的物质的折射率。
另一方面,第5传感器对500具有与第1传感器对100相同的构造,响应压力及温度而使输入光产生2n5aL5a光路差,同时仅仅响应温度而使输入光产生2n5bL5b光路差。这里,L5a、L5b表示半透射镜和全反射镜之间的距离,n5a、n5b表示半透射镜和全反射镜之间的物质的折射率。
然后,配合第3传感器对300和第4传感器对400和第5传感器对500的设置,在第45图所示构成上,还设置光纤5α、光纤3c、光分支结合器50c、光分支结合器4c、光纤5β、光纤3d、光分支结合器50d、光分支结合器4d、光纤5γ、光纤3e、光分支结合器50e、光分支结合器4e,同时,第45图所示光纤6取出由光分支结合器4e分支的光,向光分支结合器7传送。
这里,光纤5α是将光分支结合器4b分支的光取出的单模光纤。光纤3c是与第3传感器对300对应设置,将光纤5α取出的光向第3传感器对300传送的单模光纤。
光分支结合器50c将光纤3c中传送来的光分成2束并输入第3传感器对300。光分支结合器4c将光纤5α和光纤3c结合,同时将光纤3c中逆向传送来的光分支。光纤5β是将光分支结合器4c分支的光取出的单模光纤。光纤3d是与第4传感器对400对应设置,将光纤5β取出的光向第4传感器对400传送的单模光纤。
光分支结合器50d将光纤3d中传送来的光分成2束并输入第4传感器对400。光分支结合器4d将光纤5β和光纤3d结合,同时将光纤3d中逆向传送来的光分支。光纤5γ是将光分支结合器4d分支的光取出的单模光纤。光纤3e是与第5传感器对500对应设置,将光纤5γ取出的光向第5传感器对500传送的单模光纤。
光分支结合器50e将光纤3e中传送来的光分成2束并输入第5传感器对500。光分支结合器4e将光纤5γ和光纤3e结合,同时将光纤3e中逆向传送来的光分支。
通过该构成,在线段图象传感器9上可生成具有与任意的2个测定点的压力差对应的干涉条纹位置的干涉条纹,如基于2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹或基于2(n1aL1a-n3aL3a)光路差因子的干涉条纹。
从而通过该构成例的本发明,如第59图所示,可用单一构成的传感器一次测定多个测定点的差压。
另外,压力差(光路差)越小,干涉条纹的位置在越靠近该中央干涉条纹的位置生成,因而,干涉条纹的出现顺序有变动的可能性,但是通常的测定对象中,不发生压力差的顺序的变化,因而通过本发明可执行这样的多个测定点的差压测定。
这里,采用第58图的构成时,光纤不限于必须采用单模,也可采用多模。
另外,采用第58图的构成时,当然可以采用产生第54图所示干涉条纹的传感器,此时2个测定点无压力差时产生的干涉条纹与中央干涉条纹不一致。
以上说明的构成例中,通过采用具有通过全反射镜101a等响应压力而动作使输入光产生的光路差改变的机能的第1压力温度传感器100a等,来测定压力差。
全反射镜101a等若响应磁场强度而动作,则采用本发明可测定磁场强度差,若全反射镜101a等响应电场强度而动作,则采用本发明可测定电场强度差。这样,本发明不限于适用于压力差的测定。
另一方面,本发明中,也可以采用全反射镜101a等不动作,而通过改变全反射镜101a等和半透射镜102a等之间的物质的折射率来使输入光产生的光路差变化的机能的传感器。
例如,如第40图所示,有通过高分子聚合体使折射率随温度变化的部件。若在全反射镜101a等和半透射镜102a等之间设置具备这样的特性的高分子聚合体,则可测定温度差。
一般,若物质的温度变化,压力变化,浓度变化,磁场变化,电场变化,则该折射率和长度变化,从而,通过的光的相位差变化。
从而,通过在全反射镜101a等和半透射镜102a等之间设置该随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的物质,即使全反射镜101a等不动作,采用本发明也可测定压力差等。
而且,采用这样的随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的物质时,也可设置透射型的传感器取代第45图所示第1压力温度传感器100a等的反射型的传感器,其如第41图所示,平行配置透明玻璃板,通过在该2个玻璃板间设置该随外部要因敏感反应而改变折射率和长度的反应物质使输入光的光路长度变化。
第60图图示适用于这样的透射型的传感器的本发明的构成例。
该构成例中,第1传感器对100由受到第1测定点中的温度的影响并根据第1测定点产生的压力使光路长度变化的透射型的第1压力温度传感器100a、仅仅根据第1测定点中的温度使光路长度变化的透射型的第1温度传感器100b以及将这些传感器旁路的单模光纤62a并联而成。
第2传感器对200由受到第2测定点中的温度的影响并根据第2测定点产生的压力使光路长度变化的透射型的第2压力温度传感器200a、仅仅根据第2测定点中的温度使光路长度变化的透射型的第2温度传感器200b以及将这些传感器旁路的单模光纤62b并联而成。
该场合,若2个玻璃板间的距离表示成L1a,2个玻璃板间物质的折射率表示成n1a,则第1压力温度传感器100a使输入光在通过时产生n1aL1a光路长度。若2个玻璃板间的距离表示成L1b,2个玻璃板间物质的折射率表示成n1b,则第1温度传感器100b使输入光在通过时产生n1bL1b光路长度。
另一方面,若2个玻璃板间的距离表示成L2a,2个玻璃板间物质的折射率表示成n2a,则第2压力温度传感器200a使输入光在通过时产生n2aL2a光路长度。若2个玻璃板间的距离表示成L2b,2个玻璃板间物质的折射率表示成n2b,则第2温度传感器200b使输入光在通过时产生n2bL2b光路长度。
以下,为了便于说明,假定「n1a=n2a」,同时在第1测定点和第2测定点之间无压力差及温度差的场合假定采用使「L1a=L2a」的第1压力温度传感器100a及第2压力温度传感器200a。并且,为了便于说明,假定「n1b=n2b」,同时在第1测定点和第2测定点之间无温度差的场合假定采用使「L1b=L2b」的第1温度传感器100b及第2温度传感器200b。
这样构成时,当第1测定点产生的压力及温度和第2测定点产生的压力及温度之间无压力差及温度差的场合,「L1a=L2a」并且由于第1压力温度传感器100a具有的2个玻璃板间物质和第2压力温度传感器200a具有的2个玻璃板间物质相同而有「n1a=n2a」,因而,由第1压力温度传感器100a产生的光路长度n1aL1a和由第2压力温度传感器200a产生的光路长度n2aL2a成为一致。
相对地,第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间有压力差的场合,该2个光路长度产生差异。而且,该光路长度受温度的影响。
另一方面,第1测定点产生的温度和第2测定点产生的温度之间无温度差的场合,「L1b=L2b」并且由于第1温度传感器100b具有的2个玻璃板间物质和第2温度传感器200b具有的2个玻璃板间物质相同而有「n1b=n2b」,因而,由第1温度传感器100b产生的光路长度n1bL1b和由第2温度传感器200b产生的光路长度n2bL2b成为一致。
相对地,第1测定点产生的温度和第2测定点产生的温度之间有温度差的场合,该2个光路长度产生差异。
第60图的构成例通过检出这些光路差的差异,可实现不受第1及第2测定点中的温度的影响下测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差分值。
为了实现该目的,第60图的构成例中,除了采用上述构成的第1传感器对100及第2传感器对200,还包括光源1、光纤60a、光分支结合器61a、光分支结合器63a、光纤60b、光分支结合器61b、光分支结合器63b、光纤6、光分支结合器7、光纤8a、光纤8b、线段图象传感器9、运算装置10。
该光源1由发出低相干性光的LED等所谓白色光源构成。光纤60a是将光源1发出的光取出并向第1传感器对100传送的单模光纤。光分支结合器61a将光纤60a中传送的光分成3束,输入第1传感器对100。光分支结合器63a将第1传感器对100输出的3束光结合。
光纤60b是将光分支结合器63a结合的光向第2传感器对200传送的单模光纤。光分支结合器61b将光纤60b中传送的光分成3束,输入第2传感器对200。光分支结合器63b将第2传感器对200输出的3束光结合
光纤6是将光分支结合器63b结合的光取出的单模光纤。光分支结合器7将光纤6取出的光分成2束。光纤8a是将光分支结合器7分支的一束光取出的单模光纤。光纤8b是将光分支结合器7分支的另一束光取出的单模光纤。
线段图象传感器9检出由光纤8a及光纤8b出射的光生成的干涉条纹。运算装置10从线段图象传感器9检出的干涉条纹的条纹位置,计算第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力之间的压力差。
该构成例的场合,若用第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a的关系进行说明,则存在4种光传送模式,即,(I)透射第1压力温度传感器100a后透射第2压力温度传感器200a的光传送模式,(II)在将第1压力温度传感器100a旁路的光纤62a中传送后,在将第2压力温度传感器200a旁路的光纤62b中传送的光传送模式,(III)在将第1压力温度传感器100a旁路的光纤62a中传送后,透射第2压力温度传感器200a的光传送模式,(IV)透射第1压力温度传感器100a后,在将第2压力温度传感器200a旁路的光纤62b中传送的光传送模式。
考虑到光纤62a、62b产生的光路长度固定,则若以(III)的传送模式传送,则输入光产生n2aL2a光路长度,若以(IV)的传送模式传送,则输入光产生n1aL1a光路长度,从而,向线段图象传感器9出射的光的相位差中存在相位差,相位差=k×(n1aL1a-n2aL2a)。
该(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子表示第1压力温度传感器100a所在第1测定点产生的压力和第2压力温度传感器200a所在第2测定点产生的压力的差压,从而,通过检出基于该(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量,可计算该差压。
但是,第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a受到温度的影响,因而,检出基于该2(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量并根据它来计算差压的过程中,是受到了温度的影响的差压测定。
另一方面,第1温度传感器100b和第2温度传感器200b的关系中,通过透射或旁路第1温度传感器100b后再透射或旁路第2温度传感器200b,存在上述4种光传送模式,从而,存在相位差,相位差=k×(n1bL1b-n2bL2b)。
该(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子表示第1温度传感器100b所在第1测定点中的温度和第2温度传感器200b所在第2测定点中的温度的温度差,因而,通过检出基于该(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动量,可测定该温度差。
从而,第60图的构成例中,在检出基于(n1aL1a-n2aL2a)光路差因子的干涉条纹的移动量的同时,检出基于(n1bL1b-n2bL2b)光路差因子的干涉条纹的移动量,并在不受温度的影响下可根据它们来测定第1测定点产生的压力和第2测定点产生的压力的差压。
这里,采用第60图的构成时,光纤不限于必须采用单模,也可采用多模。
另外,采用第60图的构成时,当然可以采用产生第54图所示干涉条纹的传感器,此时2个测定点无压力差时产生的干涉条纹与中央干涉条纹不一致。
采用第60图的构成例时,为了通过计算光学平均值提高测定精度,对于第1压力温度传感器100a和第2压力温度传感器200a和第1温度传感器100b和第2温度传感器200b,也可以采用通过光纤并联具有相同构造的多个传感器而形成的构成。
另外,第60图的构成例中,测定点为2处,而测定点在3处以上时,可具备由传感器对串联的形态而形成的光纤及光分支结合器。
另外,实现第60图的构成例时,如第33图所示,最好通过以光纤8a为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,以及以光纤8b为起点,将输入的光分成2束的光纤的一级或多级的阶层构造,并使光出射到线段图象传感器9的最终级的光纤的出射间隔互不相同而形成的结构,实现测定范围的扩大。
这里,线段图象传感器9可由一个构成,也可由多个构成。
实现第60图的构成例时,为了实现小型化,如第34图和第35图和第36图所示,最好尽可能将光纤和光分支结合器集成到一个平台。
产业上的利用可能性
如上所述,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管或远程密封装置等,利用光干涉来测定该差分值,从而可以在不受周围环境影响的情况下正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值。
即,由于光纤中传送的全部的光波接受相同的相位变动,导致干扰引起的干涉互相抵消,因而可以在不受周围环境影响的情况下正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值。
而且,根据本发明,对于在相互远离的3处以上的位置测定的物理量的差分值,可在不受周围环境影响下同时且正确地进行测定。
这样,根据本发明,当测定在相互远离的位置测定的物理量的差分值时,用光纤取代导压管和远程密封装置等,使用光干涉测定该差分值,同时,此时以抵消非测定对象的物理量的影响的形态来测定物理量的差分值,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值,同时在不受非测定对象的物理量影响下可正确进行测定。
即,光纤中传送的全部的光波接受相同的相位变动,从而干扰引起的干涉相互抵消,因而,在不受周围环境影响下可正确测定在相互远离的位置产生的物理量的差分值,同时,以抵消非测定对象的物理量的影响的形态来测定物理量的差分值,因而在不受非测定对象的物理量影响下可正确进行测定。
而且,根据本发明,对于在相互远离的3处以上的位置测定的物理量的差分值,可在不受周围环境影响下同时且正确地进行测定,并可在不受非测定对象的物理量影响下进行正确测定。
Claims (31)
1.一种物理量测定方法,其特征在于,
向根据测定对象的物理量而使输入光产生光路差的传感器输入由光源发出的光,
通过响应上述输入而输出的上述传感器产生了光路差的光,输入与上述传感器具有相同光路差产生机能的另一传感器,
由上述另一传感器将产生了光路差的光分成2束,生成干涉条纹,
从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值。
2.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器部件;
向最前级的传感器部件传送由光源发出的光的光纤部件;
向成对的传感器部件传送由前级的传感器部件产生了光路差的光的光纤部件;
将由最后级的传感器部件产生了光路差的光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
3.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
通过反射构造,根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器部件;
与最前级的传感器部件对应设置、向该传感器部件传送由光源发出的光的光纤部件;
与最前级的传感器部件以外的各传感器部件对应设置、将经由与前级的传感器部件对应设置的光纤部件逆向传送的产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器部件的光纤部件;
将经由与最后级的传感器部件对应设置的光纤部件逆向传送的产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
4.权利要求第3项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件,采用由具有根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的相同构造的多个传感器部件并联而成的部件。
5.权利要求第3项或第4项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件,采用其实现反射构造的间隙长度在从成对的上述光纤部件的纤芯直径规定的长度以内的部件。
6.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
通过透射构造,根据测定对象的物理量使输入光产生光路差的多个传感器部件;
与最前级的传感器部件对应设置、向该传感器部件传送由光源发出的光的光纤部件;
与最前级的传感器部件以外的各传感器部件对应设置并与前级的传感器部件串联,将由该传感器部件产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器部件的光纤部件;
将由最后级的传感器部件产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
7.权利要求第6项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件,采用由根据测定对象的物理量使输入光的光路长度变化的一个传感器部件和旁路该传感器部件的光纤部件并联而成的部件。
8.权利要求第7项所述的物理量测定装置,其特征在于,
采用由具有相同构造的多个传感器部件并联而成的部件取代上述一个传感器部件。
9.权利要求第6项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件,采用由根据测定对象的物理量使输入光的光路长度变化的具有不同光路长度的多个传感器部件并联而成的部件。
10.权利要求第9项所述的物理量测定装置,其特征在于,
上述并联的传感器部件内的一部分或全部由具有相同构造的多个传感器部件并联构成。
11.权利要求第2项至第10项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件的组合,采用在测定对象的物理量的差分值为零时不产生相同光路差的部件。
12.权利要求第2项至第11项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于包括:
光学部件,它以由上述光学部件分成2束的光作为输入,由将输入光分成2束的光学部件的一级或多级的阶层构造构成,向上述检测部件出射光的最终级的光学部件的出射间隔互不相同。
13.权利要求第2项至第12项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
上述光纤部件的一部分或全部在一个基板上形成。
14.权利要求第2项至第13项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
上述计算部件检出由测定对象的物理量的差分值所指示的干涉条纹位置的移动量,根据该移动量计算测定对象的物理量的差分值。
15.一种物理量测定方法,其特征在于,
向由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器和根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器的组合构成的传感器对输入由光源发出的光,
向与上述传感器对具有相同光路差产生机能的另一传感器对输入由响应上述输入而输出的上述传感器对产生了光路差的光,
将由上述另一传感器对产生了光路差的光分成2束,生成干涉条纹,
在不受非测定对象的物理量的影响下,从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值。
16.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件和根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件的组合构成的多个传感器对;
向最前级的传感器对传送由光源发出的光的光纤部件;
向成对的传感器对传送由前级的传感器对产生了光路差的光的光纤部件;
将由最后级的传感器对产生了光路差的光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
在不受非测定对象的物理量的影响下,从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
17.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
由通过反射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件和通过反射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件的组合所构成的多个传感器对;
与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤部件;
与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置,以经由与前级的传感器对对应设置光纤部件逆向传送的产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器对的光纤部件;
以经由与最后级的传感器对对应设置的光纤部件逆向传送的产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
在不受非测定对象的物理量的影响下,从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
18.权利要求第17项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器对,采用由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件和根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件并联而成的部件。
19.权利要求第17项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器对,采用由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件和根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件串联而成的部件。
20.权利要求第18项或第19项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件,采用具有相同构造的多个传感器部件并联而成的部件。
21.权利要求第18项或第19项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件,采用具有相同构造的多个传感器部件并联而成的部件。
22.权利要求第17项至第21项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器部件,采用其实现反射构造的间隙长度在从成对的上述光纤部件的纤芯直径规定的长度以内的部件。
23.一种物理量测定装置,其特征在于包括:
由通过透射构造、根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件和通过透射构造、根据该非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件的组合所构成的多个传感器对;
与最前级的传感器对对应设置,向该传感器对传送由光源发出的光的光纤部件;
与最前级的传感器对以外的各传感器对对应设置并与前级的传感器对串联,以由该传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光传送到成对的传感器对的光纤部件;
以由最后级的传感器对产生了光路差的光作为输入并将该光分成2束的光学部件;
检测由上述分成2束的光生成的干涉条纹的检测部件;
在不受非测定对象的物理量的影响下,从上述干涉条纹的条纹位置计算测定对象的物理量的差分值的计算部件。
24.权利要求第23项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为上述传感器对,采用由根据测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光的光路长度变化的传感器部件和根据该非测定对象的物理量使输入光的光路长度变化的传感器部件以及旁路这些传感器部件的光纤部件并联而成的部件。
25.权利要求第24项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光的光路长度变化的传感器部件,采用由具有相同构造的多个传感器部件并联而成的部件。
26.权利要求第24项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件,采用由具有相同构造的多个传感器部件并联而成的部件。
27.权利要求第16项至第26项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述测定对象的物理量和非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件的组合,采用在测定对象的物理量的差分值为零时不产生相同光路差的部件。
28.权利要求第16项至第26项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
作为根据上述非测定对象的物理量使输入光产生光路差的传感器部件的组合,采用在非测定对象的物理量的差分值为零时不产生相同光路差的部件。
29.权利要求第16项至第28项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于包括:
光学部件,它以由上述光学部件分成2束的光作为输入,由将输入光分成2束的光学部件的一级或多级的阶层构造构成,向上述检测部件出射光的最终级的光学部件的出射间隔互不相同。
30.权利要求第16项至第29项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
上述光纤部件的一部分或全部在一个基板上形成。
31.权利要求第16项至第30项的任一项所述的物理量测定装置,其特征在于,
上述计算部件检出由测定对象的物理量的差分值所指示的干涉条纹的移动量,该移动量是与非测定对象的物理量的差分值所指示的干涉条纹的移动量在合并的形态下被检出的,同时检出仅仅由非测定对象的物理量的差分值所指示的干涉条纹的移动量,根据这些检出的移动量,在不受非测定对象的物理量的影响下计算测定对象的物理量的差分值。
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