CN88101478A - 光学传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光学传感器包括一多色光光源(3)、一检测器(4)以及放在它们之间的光路上的第一和第二偏振器(7)和(8)。这两偏振器的偏振轴基本上互相垂直，偏振器之间这样放着双折射材料的调制元件(6)，使待测参数的变化改变通过调制元件的多色光光路长度，从而改变射到检测器(4)的光的颜色。该检测器包括波长响应率不同的第一和第二光响应元件(9)和(10)，微处理器(13)计算入射到检测器上光的颜色，并用待测参数阐明这个颜色。
Description
本发明涉及一种参数的测量，特别要涉及利用某些材料的被称为双折射性质的光学传感器。
双折射材料中的折光率在各方向不是均匀的，而是随方向不同而不同。一束进入双折射材料的自然光将会***成两种光线，即寻常光线和非常光线，其中一种光线横向移离另一种光线。这两种光线各在不同方向偏振。
已经公知的是应用双折射材料来产生光调制器。这些已知的调制器，例如法拉弟效应调制器，是根据加到双折射材料的调制电压或磁场而改变其光束的偏振平面的。
本发明的一个目的是要用一种双折射材料来提供一种能测量例如压力、温度等这样一类参数的光学传感器。
因此，提供了测量这类参数用的仪器。这种仪器包括一个多色光源;一个检测器，该光源应适于将多色光沿一光路传播至该检测器;第一和第二偏振器应在纵向方向彼此互相隔离，取向时应使得第一偏振器的偏振轴基本上垂直于第二偏振器的偏振轴;双折射材料的调制元件放置在该第一和第二偏振器之间的光路上，放置的位置应使得待测参数的变化通过该调制元件引起多色光的光路长度的变化，因而引起入射到该检测器的光的颜色的变化，该检测器包括至少第一和第二这两个光响应元件，该第一元件的波长响应度要与第二元件的波长响应度不同;以及包括分析装置，来自光响应元件的信号要被馈送至该分析装置，该分析装置从来自光响应元件的信号计算入射到该检测器的如在色品（CIE）图上以二个或更多的参数表示的多色光的颜色，该分析装置要适用于待测的参数来阐明该检测器的输出。
由双折射调制元件射出的寻常和非常光线将相消地干涉以抑制多色光的某些波长分量。因此，出射光会有一个由双折射材料引进的“颜色特征”。光路长度是该材料的折射率和该光通过该材料所取路程长度的乘积。通过该材料的折射率的变化或是通过该材料光路长度的变化都将引起被抑制波长的分量的变化，从而引起到达该检测器的光的颜色的变化。对于某些参数来说，要测量的参数将直接影响调制元件的折射率，并且改变由调制元件射出的光的颜色特征，例如，电场和磁场将以这种方式改变该元件的折射率。此外，如在铌酸锂调制元件上加上电压，其折射率将会改变。其它已知双折射材料也能以相似方式加以应用。
在一种方便的装置中，使用了两种不同的光响应元件，每一元件都有其本身的波长响应率特性。另一方面，如果需要，其中一个或两个光响应元件都包括一个赋予一种颜色响应特性的有色滤光器，从而允许采用两个相同的光响应元件。至少有第一和第二光响应元件的波长响应率最好使它们各自的波长/强度的曲线至少对一部分的波长谱来说是重叠的。
通过采用至少有第一和第二光响应元件，颜色变化的确定是由估计整个被选定的波谱（颜色调制）部分的变化而不是只测定二或更多被选定的波长（波长调制）处的变化作出的，因此，颜色A（由波长/强度曲线A表示）到颜色B（由波长/强度曲线B表示）的变化将由两个曲线之间的区域算出，从而给出一个“真实”颜色的更完整的分析。波长调制之所以比较不复杂，就在于它是一种基于在二或更多的被选定的波长处的曲线之间的距离的计算。
“多色光”术语在这里指任一有多波长的辐射，特别是指既包括了可见光又包括了红外光辐射。虽然为了易于理解，这里所使用的术语“颜色”决不应该意味着只可以采用可见光。在该仪器采用发射可见波谱外的辐射源的场合，术语“颜色”将会涉及辐射的光谱分布。
调制元件最好应这样放置以使待测量的参数变化会在所说路程中引起调制元件的移动。在一种方便的装置中，待测参数的变化会引起在所说路程中的调制元件比例的变化。在另一种装置里，调制元件是这样放置的，以使待测参数的变化会引起调制元件围绕多色光路的纵轴的转动。鉴于在双折射材料中的折射率在所有方向上是不均匀的，调制元件的任一转动都会改变光所通过的材料的折射率，因而也改变光路长度。另一种做法是将调制元件这样放置，以使待测参数的变化会引起多色光通过调制元件所取路径长度的变化。通过调制元件所取总路程长度的任何变化也会改变光路长度，从而改变被相消干涉所抑制的波长分量，并因而改变到达检测器的颜色特征。
调制元件便于是非球形的，而且转动支撑在多色光路中，以使待测参数的变化会引起调制元件的转动。元件的转动改变元件的厚度，为了到达该检测器，多色光必须通过调制元件，从而改变光的颜色特征。另一种的调制元件是这样的，以致待测参数的变化会引起调制元件尺寸的变化。在一种方便的装置中，调制元件是这样固定在多色光路上的，以致待测参数的变化会引起调制元件的变形。在待测参数是一压力的情况下，调制元件便于呈膜片状，该膜片放置在多色光路中，并安排得受待测压力而弯曲。
另一种情况是待测参数是一温度，调制元件便于包括一热敏物体，该物体被这样放置在多色光路中，以致温度的变化会引起该物体的膨胀或收缩。如前所述，通过调制元件的路程长度的变化是由检测器所能检测到的光的颜色变化的原因。
本发明进一步还掌握使用如前述仪器测量一参数的方法。特别是一种测量参数的方法，这种方法包括的步骤有：提供一种在第一偏振处偏振的多色光信号;使所说多色光信号通过双折射材料的调制元件;这样安置调制元件，以使待测参数的变化会引起通过该调制元件的多色光光路长度的变化，从而引起从第二偏振处的调制元件射出的多色光颜色的变化;用一包括第一和第二光响应元件的检测器检测从第二偏振处调制元件射出的光强度，第一元件波长的响应率应和第二元件波长的响应率不同;从第一和第二光响应元件的输出信号计算入射到检测器的如在色品（CIE）图上以二或更多参数表示的多色光的颜色，并用待测参数阐明入射到检测器的多色光的颜色。
下面将只通过实例并参考附图来进一步叙述本发明，这些附图中，
图1是根据本发明的仪器示意图;
图2是根据本发明另一实施例的调制元件的示意图;
图3是根据本发明又另一实施例的调制元件的示意图;
图4是根据本发明再另一实施例的调制元件的示意图。
参阅图1，图中示出的一个传感器包括两个校准过的光纤1和2将多色光从一光源3传送到一检测器4。在两个校准过的光纤1和2之间有一空气隙5，光纤1和2中的空气隙有一由双折射材料做成的物体。空气隙中有一对正交偏振器7和8，各与光纤1和2之一邻接。将偏振器7和8之一以可以想像的方法，例如用透明粘合剂粘接到各光纤1和2。
由偏振器7起偏的多色光通过双折射物体6产生寻常光线和非常光线，而在某些波长处相消干涉。因此，由光纤2传送的合成光束是某些波长分量被抑制的多色光，将一有特色的颜色给予到达检测器4的光。待测参数的变化;例如温度或磁场的变化，将改变通过物体6的多色光的光路长度，使不同波长分量受到抑制，从而将不同颜色特征加到到达检测器4的光。
检测器4包括两个光响应元件9和10，来自光响应元件9和10的信号经线路11和12通到分析用的微处理器13。微处理器13按照色品（CIE）图（从来自光响应元件9和10的信号得到）的两个参数计算被测光的颜色。在检测颜色变化的过程中，微处理器可以给出一个指示，例如在一显示器（未示出）上指出已经检测到参数的变化。
图2展示另一实施例，其中待测的参数，例如压力、移动等，表现为空气隙5中的双折射物体6的横向位移。物体安装在支架14上，支架固定到一根轴15上，作为由待测参数引起的运动之用。轴15的运动改变通过双折射物体6的光的比例，从而改变由光纤2传播的光的颜色。颜色的改变按上述叙述那样被检测，并被用来给出一个待测参数的指示。
在图3的实施例中，双折射物体6被转动安装在支架16上。待测参数转动物体6，从而改变通过物体的多色光的路程长度。鉴于波长分量的抑制是由干涉引起的，因此，路程长度的任何变化都会改变将被抑制的波长。于是，物体6的转动引起由光纤2传播的光的颜色的相应变化，这种变化是按前述方法测得的。
图4展示的双折射体呈膜片17形状，它被固定在刚性安装的支架18和19之间。待测参数（这里是一个压力）引起膜片17的变形，改变通过膜片的光的路程长度。如前所述，这会引起由光纤2传播的光的颜色的变化，这种变化可以测得，并给出使膜片17发生变形的压力指示。
可以理解的是，也可以设想用其它装置给予通过双折射物体的光的路程长度一个变化。例如，可用双折射物体的热膨胀而给出路程长度的变化。用这种方法可以易于造得简单的温度传感器。另一种做法是可以将物体6安装得绕光纤1和2的轴线转动，从而改变出现在光束的材料的折射率。也可以理解的是，虽然本文只说明了传输型的传感器，但也容易造得另外一种的反射型的传感器。
Claims (11)
1、测量一种参数用的仪器包括有：一个多色光源(3)；一个检测器，该光源(3)要适于沿一到该检测器(4)的路程传播多色光；第一和第二偏振器(7)、(8)在所说路程中彼此互相纵向隔离，而且要这样取向，以致第一偏振器(7)的偏振轴基本上和第二偏振器(8)的偏振轴相垂直；一个在第一和第二偏振器(7)和(8)之间的路程中这样放置双折射材料的调制元件(6)，以使待测参数的变化会引起通过调制元件(6)的多色光的光路长度的变化，从而引起入射到检测器(4)的光的颜色的变化，以及一个按照待测参数来阐明检测器(4)输出用的分析装置(13)，该仪器的特征在于，该检测器(4)包括至少第一和第二光响应元件(9)和(10)，第一元件(9)的波长响应率与第二元件(10)的波长响应率不同，来自光的响应元件(9)和(10)的信号被馈送到分析装置(13)，该分析装置从来自光响应元件(9)和(10)的信号计算入射到检测器(4)的如在色品(C16)图上以二个或更多的参数表示的多色光的颜色。
2、根据权利要求1的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是这样放置，以使待测参数的变化引起在所说路程中的调制元件（6）的运动。
3、根据权利要求2的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是这样放置，以使待测参数的变化引起在所说路程中的调制元件（6）的比例的变化。
4、根据权利要求2的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是这样放置，以使待测参数的变化引起调制元件（6）围绕多色光路程的纵轴的转动。
5、根据权利要求2的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是这样放置，以使待测参数的变化引起通过调制元件（6）的多色光所取的路程长度的变化。
6、根据权利要求5的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是非球形的，而且是这样转动支承在多色光路程中，以使待测参数的变化引起调制元件（6）的转动。
7、根据权利要求5的仪器，其特征在于，该调制元件（6）是这样的，以使待测参数的变化引起调制元件（6）的尺寸的变化。
8、根据权利要求7的仪器，其特征在于，该调制元件是这样固定在多色光路程中，以使待测参数的变化引起调制元件（6）的变形。
9、根据权利要求8的仪器，其特征在于，待测参数是压力，而且调制元件呈膜片（17）的形状，膜片放在多色光路程中而且是这样安排的，以使它受待测压力而弯曲。
10、根据权利要求7的仪器，其特征在于，待测参数是温度，而且该调制元件（6）包括一个这样放置在多色光路程的热敏元件，以使温度的变化引起热敏元件的膨胀或收缩。
11、一种测量参数的方法包括下列的步骤：提供在第一偏振处偏振的多色光信号;使所说多色光信号通过一个双折射材料的调制元件（6）;放置该调制元件时使待测参数的变化引起通过调制元件（6）的多色光的光路长度的变化，从而使从调制元件射出的多色光的颜色在第二偏振处引起变化;该方法的特征在于，用一包括第一和第二光响应元件（9）和（10）的检测器（4）检测调制元件射出的光在第二偏振处的强度的步骤，第一元件（9）的波长响应率要与第二元件（10）的波长响应率不同;从第一和第二光响应元件（9）和（10）的输出计算出如在色品（CIE）图上以二个或更多的参数表示的出射多色光的颜色，以及用待测参数来阐明出射多色光的颜色。
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