CN101059333A - 测量距离、位移和机械作用的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光传感器，适用于检测作用在所述传感器上的外部机械作用，该传感器包括：至少一条传感光学路径(5)，适用于传输至少一个传感光信号(b′)并沿着至少一条参考路径(4)发出至少一个传感输出电信号(d)，该至少一条参考路径(4)适用于发出至少一个输出电参考信号(e)。另外，所述至少一条光学路径(5)的至少一段(5′)适用于暴露于外部机械作用下，以便通过所述传感光学路径的所述传感光信号(b′)的传输作为所述机械作用的结果能够被改变，从而在所述传感电信号(d)和所述参考电信号(e)之间产生相移。此外，所述至少一条参考路径(4)包括移相装置(11)，适用于在没有任何机械作用施加在所述至少一条传感光学路径(5)上时使所述至少一个输出传感电信号(d)和所述至少一个输出参考电信号(e)之间的相移保持在一恒定值，致使传感器的工作点保持在集中于预定相移的范围内，因此能够改进传感器的灵敏度。

Description

测量距离、位移和机械作用的系统及方法

技术领域

本发明涉及距离、位移以及力的测量。本发明尤其涉及由于诸如牵引或压缩的机械力引起的位移以及产生所述位移的相关力的测量。更详细地说，本发明涉及通过使用光传感器对位移和力的测量。更进一步，本发明涉及通过使用包括低成本光纤元件的光传感器和/或传感器对位移和力的测量。最后，本发明涉及用于测量距离、位移以及力的方法、设备以及系统，所述设备和系统包括低成本光传感器和/或传感器。

背景技术

最近几年，为提供适用于以非常可靠的方式测量和/或检测机械力和位移的设备而投入大量开发工作。随着设备和系统的发展和提出，基于非常复杂的电子组件的系统和设备成为最广泛使用的设备和系统。这尤其归因于集成电路部分的发展以及开发非常复杂功能的电路尺寸的相应减小，使得能够提供非常小的适用于不同的目的且适用于在非常恶劣的条件下的电子传感器。例如，已知的电子传感器其尺寸小于几立方毫米。另外，在计算装置领域，尤其是在适用于在始终较短时间内精确非常大数量数据的软件领域中的最近发展使得能够以自动且可靠的方式精确由电子传感器检测到的数据。最后，包含制造电子传感器成本的电子系统成本的降低使得所述电子传感器能够用于一些目的和应用。

但是，尽管电子传感器能够提供上述所有的优点，所述电子传感器仍具有缺点。影响电子传感器的最相关的缺点来自于操作电子传感器需要电流这一事实。可以理解在有力作用在电子传感器上时，流经该传感器的电流受到作用于其上的力的影响，这样电流的变化可以被检测并用于获得作用于该传感器上的力的强度的指示。但是，流经电子传感器的电流也可受到外部环境的影响，从而致使在不利环境下应用的电子传感器的可靠性降低，所述不利环境诸如在雷暴期间暴露于静电放电的结构中或处于电磁噪声的工业厂房中。另外，在高度易燃材料的存储区域中使用电子传感器是困难或是有风险的。最后，由于触电死亡的风险可能会出现，因此一些电子传感器也不适用于生物医学应用。

因此，考虑到以上说明的问题，期望提供一种能够解决或减少上述问题的技术。尤其期望提供适合于在暴露与静电放电的结构中和/或在嘈杂的工业厂房中或甚至在高度易燃材料的存储区域中使用的传感器。同样，期望提供用于测量和/或检测力、适合于生物医学应用的传感器。另外，期望提供具有成本低、重量轻、尺寸小且侵入力最小的特征的传感器。还期望提供用于可靠测量力和位移目的、可以与低成本、简单且众所周知的设备结合使用的传感器。

近些年，为克服影响电子力测量系统的缺点已作出了一些尝试。尤其，在近些年，为测量力及由力产生的位移的光传感器的发展已付出了许多努力。这些光传感器中的多数都基于这样的考虑：通过估计力的作用对经由光学路径传输的光的影响来测量和/或检测力，上述力直接或间接地作用于所述光学路径。尤其，很多光传感器的工作原理是基于：在光学路径的输出处检测的光电流的变化是由于在测试下的力造成的链路衰减的变化的结果。实际上，可以观察到在光学路径的输出处检测的光电流与作用在所述机械路径上的机械应力之间可以建立某种关系。但是令人遗憾的是，已知的光传感器都具有缺点并且其中的一些不像期望的那样可靠。最后，很多已知的光传感器的组装和制造也是相当麻烦，并且因此相当昂贵。

因此期望提供能够克服现有技术的光传感器的诸如可靠性低、应用范围窄、成本高的缺点同时保持令人满意的灵敏度的光传感器。

发明内容

一般来说，本发明是基于这样的考虑：力，尤其是诸如牵引和/或压缩的机械力和/或作用力可以利用通过光学路径的光的变化来检测和/或测量，该变化由所述机械作用在所述光学路径上的直接或间接作用而造成。尤其，本发明的工作原理是基于这样的考虑：由于作用在所述机械路径上的机械力而造成的光学路径长度的变化造成经由该光学路径传输的光信号的相位移动和/或改变，所以，如果所述光信号在离开所述光学路径时被转换为电信号，则光学路径长度的变化导致所述电信号相位的移动和/或改变，从而与没有任何机械作用作用在其上时的电信号的相位不同。因此，如果使用一条第二路径，称为参考路径，所述第二路径适于发出参考电信号且不会受到作用在光学路径(传感路径)上的机械作用，则离开传感光学路径的电信号将具有与离开参考路径的电信号不同的相位，而这种差别与作用在传感光学路径上的机械作用造成的长度的变化相关。因此，通过在传感路径和参考路径的输出处比较信号的相位，能够确定传感路径长度的变化以及与该变化相关的作用在传感光学路径上的机械作用。尽管这种检测方法看起来原理十分普通，但是其显示出在检测和/或测量力，尤其是诸如牵引或压缩的机械力的目的上十分可靠。另外，这种检测方法允许实施适于改进测量的分辨率、灵敏度、精确性和可靠性的组件。另外，当为实现传感光学路径的目的而使用诸如聚合物光纤(POF)的光纤时，除了与其他类型的光纤共有的优点之外，还在成本上具有优点，所述共有的优点诸如重量轻、侵入力最小、抗电磁干扰以及不会燃烧或爆炸。最后由于对机械公差的更少要求以及使用低成本的资源和光电检测器的可能性，产生了进一步的优点。根据本发明的检测和/或测量方法可以在不利环境的情况下使用，所述不利环境诸如电磁噪声的工业厂房内、高度易燃材料的存储区域中、在雷暴期间暴露于静电放电的结构中以及通常纪念碑或艺术品的监视。根据本发明没有电流流经传感器的传感区域，因此该传感器对于生物医学应用也是理想的，避免了触电死亡的风险。根据本发明依靠复杂但相当廉价的传感器的网络也能够同时控制多个传感点或区域(和相应的传感器)。另外，如果使用适当的软件，则能够利用诸如TCP/IP协议的标准协议通过网络来控制传感器。

也可以理解，与一些现有技术的光传感器相反，根据本发明的检测方法(以及，相应地，根据本发明的检测传感器)不需要中断(interrupt)光纤(诸如在基于光的反射和/或吸收的光传感器的情况下)，所以根据本发明的全部的光传感器和检测装置和/或设备能够更好地与灰尘、雨水等隔离，从而使本发明的检测传感器和/或设备尤其适于户外应用。

基于上述考虑，提供一种适用于检测作用在所述传感器上的外部机械作用的光传感器，所述传感器包括至少一条传感光学路径，该光学路径适用于传输至少一个传感光信号并发出至少一个传感输出电信号；和至少一条参考路径，该参考路径适用于发出至少一个输出电参考信号。另外，所述至少一条光学路径的至少一段适用于暴露于外部机械作用下，以便经由所述传感光学路径的所述传感光信号的传输能够被改变，结果使所述传感电信号和所述参考电信号之间出现相移。

尤其，本发明的第一实施例涉及一种如权利要求1所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述至少一条参考路径包括移相装置，适用于在没有任何机械作用施加在所述至少一条传感光学路径上时使所述至少一个输出传感电信号和所述至少一个输出参考电信号之间的相移保持在一恒定值。

根据进一步的实施例，本发明涉及一种如权利要求2所述的光传感器，即光传感器还包括用于收集所述至少一个输出电参考信号并发出进一步的电参考信号的装置，所述进一步的电参考信号相对于所述输出参考电信号在相位上移动了约90°。

根据本发明的进一步的实施例，提供一种如权利要求5所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述光学路径适用于传输至少两个具有相应不同波长的光传感信号，所述两个传感光信号中仅一个信号进入所述至少一传感段。另外，所述光学路径进一步包括适用于接收所述至少两个传感光信号并将所述至少两个传感光信号转换为两个相应输出传感电信号的装置。

根据本发明的另一实施例，提供一种如权利要求6所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述至少一条光学路径的至少一段具有预先确定的长度，适用于根据作用在所述至少一段上的机械作用而改变。

根据本发明的又一实施例，提供一种如权利要求10所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述至少一条光学路径包括光发射装置，适用于接收至少一个输入传感电信号并将所述至少一个输入传感电信号转换为所述至少一个传感光信号。

根据本发明的进一步的实施例，提供一种如权利要求17所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述至少一条参考路径包括适用于传输至少一个参考光信号的参考光学路径，和适用于接收所述至少一个光参考信号并将所述至少一个光参考信号转换为所述至少一个参考电信号的光接收装置。

根据本发明的又一实施例，提供一种如权利要求20所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述至少一条传感光学路径的所述至少一段包括至少两条彼此平行设置且通过曲线段连接的直线段。

根据本发明的进一步的实施例，本发明涉及一种如权利要求21所述的光传感器，即具有如下特征的光传感器：所述光传感器包括多个传感光学路径，各传感光学路径适用于传输至少一个相应传感光信号并发出至少一个相应传感输出电信号，各传感光学路径包括适用于暴露在外部机械作用下的至少一段。另外，所述光传感器包括一条适用于发出至少一个电信号的参考路径。

根据本发明的进一步的实施例，提供一种如权利要求22所述的测量设备，即用于测量和/或检测机械作用的测量设备，包括至少一个如权利要求1至21中任意一项所述的光传感器和适用于测量所述至少一个传感电信号和所述至少一个参考电信号之间的相移的测量装置。

根据本发明的进一步的实施例，提供一种如权利要求24所述的测量设备，即包括第一测量装置和第二测量装置的测量设备，所述第一测量装置适用于收集所述至少一个传感电信号和所述至少一个参考电信号并发出第一输出电信号，所述第二测量装置适用于收集所述至少一个输出传感电信号和相对于所述参考电信号在相位上移动90°的参考电信号并发出第二输出电信号，以便所述至少一个参考电信号和所述至少一个传感电信号之间的相移能够根据所述输出电信号的全部或其一的振幅而被测量。

根据进一步的实施例，本发明涉及一种如权利要求26所述的测量设备，即具有如下特征的测量设备：所述测量装置包括适用于将所述电信号混频并发出电信号的混频装置，并且所述测量装置包括适用于接收所述电信号并发出电信号的低通滤波器。

还根据本发明，也提供一种如权利要求32所述的测量方法，即用于测量机械作用的测量方法包括：提供如权利要求1至21中任意一项所述的光传感器，以便所述至少一条光学路径的至少一段暴露于所述机械作用下；使至少一个传感光信号进入所述至少一条传感光学路径的所述至少一段并将所述光信号转换为输出传感电信号。另外，该方法包括使所述至少一条参考路径发出所述至少一个输出电参考信号；改变所述至少一个输出电信号的相位以便在没有任何机械作用施加在所述至少一条传感光学路径上时将所述至少一个输出传感电信号和所述至少一个参考电信号之间的相位差保持在一恒定值；以及测量所述至少一个输出传感电信号(d)和所述至少一个输出电参考信号(e)之间的相移。

根据本发明的进一步的实施例，也提供一种如权利要求33所述的测量方法，即一种测量方法，包括将所述至少一条光学路径的至少一段的相对端固定到固定装置，以便作用在所述段上的机械作用导致所述段长度Ls改变，从而在所述至少一个输出传感电信号和所述至少一个输出参考电信号之间产生相移。

仍根据本发明的进一步的实施例，涉及一种如权利要求41所述的测量方法，即一种方法，包括在没有任何机械作用作用在所述至少一条光传感路径的至少一段上时测量所述输出电传感信号和所述至少一个输出电参考信号之间的相移。

进一步，本发明的其他实施例由所附权利要求限定。

附图说明

本发明更多的优点、目的、特征以及实施例在所附权利要求书中得到限定，并且参考附图在以下描述中变得更加明显。在附图中，相同的特征和/或组成部分使用相同的参考编号。在图中：

图1为根据本发明第一实施例的光传感器和测量设备的示意图；

图2为根据本发明的测量设备和光传感器的第二实施例的示意图；

图3为适合于与根据本发明的光传感器结合使用并且适合于在根据本发明的测量设备中实现的测量装置的示意图；

图4示意地描述了根据本发明的光传感器和测量设备的输出信号与传感信号和参考信号间的相位差δ的相关性；

图5示意地描述了根据本发明的光传感器和测量设备的又一实施例；

图6为根据本发明的光传感器和测量设备的又一实施例的示意图；

图7示意地描述了根据本发明的光传感器和测量设备的又一实施例；

图8为根据本发明的光传感器和测量设备的又一实施例的示意图；

图9示意地描述了根据本发明的测量设备的实施例，该测量设备实现多个光传感器并因此允许检测作用在相应多个传感区域的多个机械作用。

具体实施方式

尽管本发明结合以下在具体实施方式和附图中说明的实施例进行描述，但是应该理解，以下具体实施方式和附图不旨在将本发明局限于所公开的特定说明性实施例，而是所描述的说明性实施例仅仅示例了本发明的多个方面，本发明的范围由所附的权利要求来限定。

当用于检测和/或测量诸如牵引和/或压缩的机械作用时，本发明被认为具有特殊优势。据此，在以下给出的例子中，根据本发明的光传感器和测量设备的相应实施例被用于检测牵引和压缩以及由该牵引和/或压缩引起的位移。但是，需要注意的是根据本发明的光传感器的使用不限于对牵引和压缩以及引起的位移的检测和/或测量；相反，根据本发明的光传感器和测量设备也可以用于测量和/或检测不同的力和距离的目的。因此，本发明对于所有这些力、机械作用、距离和位移的测量都是有用的，并且在下文中描述的力、位移和距离表示任意力、距离和位移。

下面，将结合图1描述根据本发明的光传感器和测量设备的第一实施例。

在图1中，参考编号100表示配备有根据本发明的光传感器的测量设备。仍参见图1，参考编号5和4分别表示第一路径和第二路径，在下文中也分别称为传感路径和参考路径。传感路径5包括一适用于传输光传感信号b′并发出输出参考信号d的光学路径；为达到该目的，设置装置6，其适于接收进入光学路径5的光信号b′并将该光信号b′转换为电信号d。参考编号8表示两个固定装置，所述固定装置被固定到光学路径5以限定光学路径5的段5′，该段5′具有预先确定长度Ls。固定装置或锁合装置8被用来将光学路径5的传感段5′固定到位移需被监测的区域；尤其，传感段5′适用于暴露于机械作用，致使该传感段5′的长度Ls被改变。作为例子，这些机械作用可以包括牵引力或压缩力。仍参见图1，参考编号1表示适用于产生如RF信号a的电信号的发生装置。另外，参考编号2表示适用于将电信号分成(不需要均分)分别进入传感路径和参考路径4的两个相应的电信号b和c的分路装置。最后，参考编号e表示离开参考路径4的电信号，而参考编号7表示适用于测量电信号d和e之间的相位差或相移的测量装置，所述测量装置7适用于接收电信号d和e并发出信号f。另外，参考编号3表示适用于接收电信号b并将所述电信号b转换为相应的光信号b′的光发射装置。

图1所描述的本发明实施例的工作原理是基于对两信号d和e之间的相位差变化的测量，该变化是由于光信号b′行进路径长度(尤其在传感段5′长度Ls内)的改变而造成的，这将在下文得到概括。

信号发生装置1产生频率为f的RF信号a，该频率是基于如距离、成本和性能之间的平衡的总体考虑而确定的。一般来说，使用的频率越高，测量的形变的分辨率就越好，尽管会伴随大位移而出现模糊问题；因此，在粗略或相关位移的情况下，较低频率可能是优选的。选择地，也可以利用可变频率发生器，其既允许在低至可避免模糊的频率进行测量又允许在高至可得到获得的分辨率的频率进行测量。由发生装置1产生的RF信号通过分路装置2分成两个子信号b和c(不需要均分)。功率分配器2的一个输出馈送到光发射装置3，而另一个输出连接到参考路径4所以信号b和c分别进入光发射装置3和参考路径4。例如，光发射装置3可包括LED、激光二极管等。信号b由光发射装置3转换为相应的光信号b′，该光信号b′进入传感光学路径5，尤其为光学路径5的传感段5′。光信号b′经由光学路径5的传感段5′被传输，并随后进入光接收装置6，在该光接收装置6处所述光信号b′被转换为相应的电信号d。在光传感路径5和参考路径4的输出处，相应的信号d和e被测量装置7收集，该测量装置7适用于测量或确定信号d和e之间的相位差。为此目的，测量装置7适用于发出信号f，该信号f随后被计算装置(未在图1中示出)收集；例如，所述计算装置可包括适用于将电信号f转换为数字信号的数字采集(DAQ，digitalacquisition)卡和计算单元，例如配备有适用于对测量装置7发出的数据进行分析的软件的PC。不同的光纤可被用于实现传感光学路径5的目的；例如，根据情况可使用聚合物光纤(POF)或选择性地使用硅酸盐纤维。光接收装置6可包括光电二极管，其后接有低噪声放大器。参考臂4可由任意适于将功率分配器2和相位计7连接起来的装置实现。典型地，参考路径包括同轴电缆或微带电路，但是其也可包括，例如，另一光纤。这样，参考路径4包括适用于接收电参考信号c并将该电参考信号c转换为相应的光参考信号的光发射装置，和适用于接收上述光参考信号并将该光参考信号转换为电参考信号e的光接收装置。

现考虑一正弦发生器1，由所述发生器1发出的RF信号可描述为：

            a(t)＝Acos(ωt)    (1)

其中A为常数。

假设功率分配器2为理想情况，由所述功率分配器2发出的信号b和c可以分别描述为：

         b(t)＝Bcos(ωt) c(t)＝C cos(ωt)    (2)

这里常数B和C通过功率分配器2的分束比与A相关。因此，进入测量装置7(相位计)的信号d和e可以描述为：

      d(t)＝D cos(ωt+φ) e(t)＝E cos(ωt+θ)   (3)

常数D和E分别通过传感路径5和参考路径4的衰减与B和C相关。等式(3)中的相移φ和θ取决于信号在传感及参考路径内的传播速度v，并且取决于它们的长度以及沿该路径的任何设备带来的相位延迟。

因此，从等式(3)中可以清楚地看出，由于外部机械作用如牵引或压缩而导致的传感路径5长度(尤其为传感段5′的长度)的变化将产生φ的变化，并因此依次产生δ(φ-θ)的变化和离开相位计的输出信号f的变化。

因此，如果图1中描述的光传感器和测量设备的自然相移被检测到，即在没有任何机械作用作用在光学路径5(在光学路径5的传感段5′)上时两个信号d和e之间的相位差或相移，并且导致光学路径5的长度的变化(光学路径的传感段5′的长度Ls)将也产生传感电信号d和参考电信号e之间的相移δ值的变化；因此，检测所述相位差δ的变化允许检测作用在光学路径上的机械作用以及任何位移，例如固定装置或锁合装置8的位移。举例来说，为测量钢梁或混凝土梁的延长率(elongation)，使用适当的胶种类，传感段5′在其梁的全长上被直接固定。相反，在那些两个参考点之间的距离需要被测量的应用中，段5′相对的端部被固定到这些参考点。同样方式，在其他仅需要在短的预先确定区域内测量应变(strain)的应用中，光学路径将由在保护套内保持松弛的纤维制造，仅是与预先确定区域对应的段将被以某种方法粘合。

从以上的描述中可以清楚地看出，图1中描述的光传感器和相应的测量设备的分辨率与下有关：作用在所述段5′的机械作用而产生的传感段5′长度的变化与相位差δ的变化的相关性。也就是说，如果长度的微小变化对应了相移δ的变化，则可以检测使传感段5′长度产生微小变化的轻微的机械作用；相反，如果仅仅传感段5′长度大的或相关的变化产生在两个信号d和e之间的相移δ的相关变化，则仅仅可以检测产生长度相关变化的相关的机械作用。换句话说，图1所描述的光传感器和测量设备的灵敏度取决于光学路径5长度(传感段5′)的变化和相移δ的相应变化之间的关系。

在下文中，将结合图2描述根据本发明的光传感器和测量设备的并且改进了灵敏度的又一实施例，这里与图1中已经描述的相同的特征和/或组成部分将用相同的参考编号表示。

图2所描述的本发明的实施例与图1所描述的实施例基本相同，与图1所描述的实施例的不同之处在于：传感段5′的长度是图1所描述的实施例中传感段5′长度Ls的两倍。从图2尤其可看出，这是通过设置包括两个由曲段连接的直线段的光学路径5来获得的。因此，如果固定装置8如图2所描述的那样设置，即以便被固定到所述两个传感段5′的相对的端部，这清楚说明作用在传感器(两个传感段5′)上的机械作用将产生每个传感段5′长度上的改变，导致光学路径5长度整体的变化比相同的机械作用在图1所描述的光传感器的传感段5′上产生的变化更加相关。尤其，作用在图2的传感器的两个直线传感段5′上的机械作用产生的长度变化可以产生这两个传感段5′上的总长度变化是相同的机械作用在图1的传感器的传感段5′上产生的长度变化的两倍或更多倍。因此，其结果是在图2的光传感器的情况下，即使是轻微的机械作用也将导致两个信号d和e之间的相位差的变化足够相关以被测量装置(相位计)7检测和测量。另外，图2所描述的结构简化了配电，因为在同侧具有所有的光电子的和电子设备是具有实用优点的。

在下文中，将结合图3描述适用于与本发明的光传感器结合使用并且适用于在根据本发明的测量设备中实现的测量装置的例子，其中，照常地，相同的特征和/或组成部分用相同的参考编号表示。

在图3中，参考编号9表示混频装置，而参考编号10表示低通滤波器。该混频装置9(在下文中也称为混频器)适用于接收离开传感路径5的输出传感电信号d和离开参考路径4的输出参考电信号e。混频器9可以为任何类型，即无源或有源的。选择地，根据情况，模拟乘法器也可以用于将两个信号d和e混合的目的。但是应该理解，根据本发明，将信号d和e混频意味着接收所述信号d和e并发出信号g，该信号g随后进入低通滤波器10，接着从该低通滤波器10发出更进一步的输出信号f。图3中测量装置7可以检测的信号d和e之间的相移的变化的方式概述如下。

图3中的信号d和e具有上述已写明的表达式。假设混频器9为理想情况，离开所述混频器9的信号g可以描述为：

g(t)＝D cos(ωt+φ)·E cos(ωt+θ)＝1/2·D·E·[cos(2ωt+φ+θ)+cos(φ-θ)]    (4)

这样，如果低通滤波器10具有理想情况，则离开所述低通滤波器10的信号f可以描述为：

        f(t)＝1/2·D·E·cos(φ-θ)＝kcos(δ)    (5)

这里δ等于φ-θ，k与信号振幅成比例。这清楚表明离开测量装置7的信号与相位差或相移δ成比例，也就是，取决于传感和参考路径的长度，尽管是非线性相关。

在测量期的开始，在传感器上没有任何机械作用时，f的值记为f_z。因此，如果机械作用施加到传感器，例如牵引或压缩作用到光学路径5的传感段5′，则f的值改变，这使位移的测量可以描述为：

               f-f_z∝ΔL_s

因此，其结果为如果信号f被收集，则所述信号f的变化与光学路径5的传感段5′的长度变化关联，也就是，与作用在传感器上的机械作用关联。为达到该目的，信号f被发送到计算装置，例如发送到个人电脑(典型通过DAQ卡)以进行信号的精确和根据相位变化信息对机械作用的振幅进行恢复。

因为相位的变化也与ω成比例，因此十分之一微米量级的位移的分辨率需要使用在GHz范围内的频率，而十分之一毫米的分辨率可使用几MHz的频率。

尽管前述所有优势，图1和图2所描述的光传感器和测量设备也具有缺点。尤其，图1和图2的光传感器和测量设备的第一个缺点是光传感器和测量设备的灵敏度都取决于在没有机械作用作用到传感器上时的δ值，即取决于进入测量装置7的信号d和e之间的相位差。这可以从图4清楚的看出，图4中描述了图3中离开测量装置7(尤其低通滤波器10)的信号f与进入测量装置7(尤其混频器9)的信号d和e之间相位差δ的变化之间的关系。事实上，从图4可清楚看出，因为信号f和δ之间的关系可以用余弦表示，如果在没有任何机械作用的情况下δ值近似为0，则传感器的“工作点”位于图4所描述的较小的灵敏度的区域内，所以δ在±30°的范围内的变化造成输出信号f微小变化，所以难于鉴别和/或恢复δ的这些变化起因于的机械作用。相反，如果在没有机械作用作用在传感器上时两个信号d和e之间的相移基本等于90°，则传感器“工作点”将位于图4所描述的更大的灵敏度的区域内，以便甚至由于作用在传感器上的较小的相关作用导致的微小变化也将导致输出f的相关变化，从而使所述δ的变化能够被检测并且相应的传感段5′的长度变化或甚至机械作用都能够被恢复。

下面，参照图5描述适用于使传感器的“工作点”集中在近似90°的光传感器和测量设备的进一步的实施例的例子。这里，照常地，关于前述附图已经描述的相同的特征或组成部分使用相同的参考编号表示。

图5的光传感器和测量设备另外包括移相器11。尤其，在图5所示的例子中，所述移相器11加入到参考路径4；但是，根据情况，所述移相器11也可以加入到传感光学路径5中。移相器11的目的是在没有任何机械作用作用在传感器(传感段5′)上时调整传感电信号d和参考电信号e之间的相位差δ，以便维持所述相位差δ近似等于90°。这样，从图4中可清楚看出，传感器的工作点保持在最大灵敏度的区域内，即集中在近似90°的区域内。图5所描述的简化的方案使根据本发明的传感器和测量设备的灵敏度得到显著的改进，所以即使更小的如牵引或压缩的相关机械作用或引起的小位移能够被检测和测量。

参照图1至图5描述的本发明的实施例的进一步的缺点是：从等式(5)可清楚看出，低通带通滤波器10的输出不仅取决于两个信号d和e之间的相位差还取决于这两个信号的振幅。这暗示着进入相位计7的接收功率(两个信号d和e的功率或其中一个的功率)中的任何变化将不能与相关的路径长度的变化区别开。其中，该接收功率不是由于作用在传感器上的机械作用而是由于例如光学路径中的光衰减的变化或是参考路径4中的电衰减的变化造成。换句话说，不可能鉴别出离开测量装置7的输出f的变化确实是因为信号d和e之间的相位差的变化(由作用在传感器上的机械作用造成)还是存在其他的使两个信号d和e或其中一个的输入功率产生变化的原因。因此，下面参照图6说明根据本发明且适用于克服或至少使上述进一步的缺点最小化的光传感器和测量设备的进一步的实施例，这里，照常地，关于前述附图已经描述的相同的特征或组成部分使用相同的参考编号表示。

在图6中，参考编号可14表示适用于使离开功率分配器2的参考信号c移相90°的移相器。但是，图6的实施例和图1、图2及图5的实施例之间最重要的区别在于：在图6的实施例中，使用了两个如图3中描述的类型的测量装置7′和7″。尤其，测量装置7′包括第一混频器9和第一低通带通滤波器10；混频器9适用于收集两信号d和e并发出相应信号g。低通带通滤波器10收集该信号g并接着发出相应信号f。第二测量装置7″包括适用于收集传感信号d和离开移相器14的参考信号h的第二混频器12，该参考信号h即为移相90°的参考信号c。离开第二混频器12的信号i进入第二低通带通滤波器13，该第二低通带通滤波器13发出信号I。

图6所描述的实施例的工作原理可以概述如下。

假设移相器14处于理想情况，离开所述移相器14的参考信号h可以描述为：

         h(t)＝E sin(ωt+θ)    (6)

这样，混频器12的输出信号i可以描述为：

i(t)＝D cos(ωt+φ)·E sin(ωt+θ)＝1/2·D·E·[sin(2ωt+φ+θ)-sin(φ-θ)]   (7)

理想低通带通滤波器13的输出信号I可以描述为：

          I＝1/2·D·E·|sin(φ-θ)|＝ksin(δ)    (8)

因此，当两个测量装置7′和7″中的一个的灵敏度处于最小时，另一个则处于最大，反之亦然。换句话说，两个测量装置7′和7″中的至少一个的“工作点”总是保持在图4所描述的最大灵敏度的区域内，即集中于约90°的区域内。另外，也可以使用输出f和I以避免测量与接收功率的相关性，因为功率可以被估计为：

$\sqrt{f^2+l^2}=D\·E\·\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\δ}+{\sin }^2\mathrm{\δ}}=D\·E---\left(8^{\′}\right)$

但是，关于图1、图2、图5和图6所描述的实施例，还存在进一步的缺点，即该缺点涉及到测量装置7、7′和7″的输出(尤其是低通带通滤波器10和13的输出)是DC值，意味着该输出对引入到构成光传感器和测量设备的各阶段的偏移量敏感。因此，对图1、图2、图5和图6所描述的实施例，可能会难以鉴别输出信号f和I中的一个的变化是由于进入信号d和e之间或进入信号d和h之间的相位差变化，所述相位差由于作用在传感器上的机械作用造成；或者输出信号f和I中的一个中检测到的变化是由于信号d和e之间或信号d和h之间的相位差变化，然而所述相位差不是由于任何作用在传感器上的机械作用造成而是由于例如，构成这种结构的阶段之一引入的偏移量造成。因此，根据本发明且能够克服该进一步的缺点和其他上述缺点的传感器和测量设备将在下文中参照图7进行描述，这里，再一次地，关于前述附图已经描述的相同的特征和/或组成部分使用相同的参考编号表示。

图7所描述的实施例与参照在前附图描述的前述实施例的最重要的区别在于：图7的实施例还包括第二发生装置(第二信号发生器16和第二功率分配器15)；由第二发生器16产生的信号a′进入功率分配器15，从该功率分配器15中输出两信号m和n。信号m与传感电信号d一起进入第一测量装置7′，该第一测量装置7′包括第一混频器9和集中于频率f₀的第一带通滤波器17。同样，第二信号n和参考电信号e进入第二测量装置7″，该第二测量装置7″包括第二混频器12和集中于频率f₀的第二带通滤波器18。

图7所描述的实施例的目的始终是传感和/或检测作用在传感器上的机械作用或位移或力，通过跟随有传感信号d(t)和参考信号e(t)的路径的变化；但是，在当前情况下，跟随有两信号d和e的路径的变化不被看作是所述两信号d和e之间相移的变化而是被看作是它们之间的时延。另外，为了改进分辨率，该时延没有直接在两信号d和e之间测量而是在离开第一测量装置7′和第二测量装置7″的两信号f(t)和I(t)之间测量。

第一发生装置1(第一发生器)产生频率为f₁的信号a，同时第二发生装置16(第二发生器)产生频率为f₂的信号a′，该频率f₂与频率f₁相差微小的量f₀。第二发生器16锁定到第一发生器1以保证频差f₀基本保持不变。因此，或者

    f₂＝f₁+f₀或者f₂＝f₁-f₀其中f₀＜＜f₁    (10)

离开振荡器1的信号a由功率分配器2分为两个信号b和c，其中信号b输入到光发射装置3，而信号c充当参考信号并直接连接到测量装置7″；尤其，如图7所描述的，参考信号e与信号n一起进入第二混频装置12，即与来自第二发生器16的信号a′通过第二功率分配器15的一部分一起进入第二混频装置12。同样，离开包括光发生装置3、传感段5′和电发生装置6的光学路径5的传感电信号d与信号m一起进入第一混频装置9，即与第二发生器16产生的信号a′的一部分一起进入第一混频装置9。

考虑正弦RF信号，进入混频器9的信号可以描述为：

            d(t)＝D cos(ω₁t+φ)

            m(t)＝M cos(ω₂t)      (11)

D和M为考虑沿各自路径的衰减的常量，且φ是信号d(t)关于信号m(t)的相对相移。离开第一混频器9的信号g(t)进入集中于频率f₀的带通滤波器17。尤其，需要特别注意的是，在结合在先附图描述的上述实施例中，使用了低通滤波器，而在当前情况下使用了集中于频率f₀的带通滤波器。

假设元件处于理想情况，离开带通滤波器17的信号f可以描述为：

            f(t)＝F cos(ω₀t+φ)        (12)

也就是说，该信号与传感信号d具有相同的相移，但是对应于频率f₀，其频率为ω0。

上述相同的考虑也可以应用到参考路径4；实际上，在这种情况下，进入第二混频器12的信号e和n可以描述为：

              e(t)＝E cos(ω₁t+θ)

              n(t)＝N cos(ω₂t)         (13)

E和N为考虑沿路径的衰减的常数，且θ是信号e(t)关于信号m(t)或信号n(t)的相移。

再次假设一理想情况，在集中于频率f₀的带通滤波器18的输出，离开所述带通滤波器18的信号I可以描述为：

             I(t)＝L cos(ω₀t+θ)       (14)

也就是说，该信号与参考信号e具有相同的相移，但其频率为ω₀。

从等式11、13、12、14分别可以看出，分别离开第一带通滤波器17和第二带通滤波器18的信号f和I是分别与传感信号d和参考信号e保持相同相移的正弦信号；但是它们的频率从f₁改变为f₀。因此，由于工作频率低，故现在可以以良好的精确性地容易地测量相位。另外，因为信号f和I目前是AC信号(而在前述实施例中这些离开测量装置的信号是DC信号)，故信号f和I不再对由于构成该结构的各阶段引入的偏移量敏感。换句话说，图7的实施例能够克服图6所描述的实施例中的缺点。

考虑到相位可以根据时延描述，因此相位差δ可以描述为：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{\φ}-\mathrm{\θ}2\mathrm{\π}{f}_1\mathrm{\Δ}{t}_1=2\mathrm{\π}{f}_0\⇒\mathrm{\Δ}{t}_0=\frac{f_1}{f_0}\mathrm{\Δ}{t}_1---\left(15\right)$

等式(15)暗示在频率f₀的相同的相位差δ导致一时延，该时延对应于f₁/f₀×在频率f₁的时延。换句话说，传感路径5长度(传感段5′的长度)的相同变化在信号f(t)上产生的效果要远强于在信号d(t)上的。例如，考虑到用于传感路径5和参考路径4的标准POF，f₁＝20MHz且f₀＝1kHz，1cm的长度变化产生约0.36°的相位差，对应的时延在f₁仅50ps而在f₀为一微秒。

根据情况，图7的实施例能够被改变以改进其可靠性和/或灵敏度。例如，可以引入第三振荡器(图7中未示)。所述第三振荡器与其他两个发生器锁定并精确地工作在频率f₀。该第三发生器能够被设置为产生用于锁紧滤波器(lock-in filter)或其他窄带滤波器(图7中也未示)的信号，所述滤波器可以通过硬件形式或通过软件实现以在特殊噪声信号情况下恢复信号f(t)和I(t)。

信号f(t)和I(t)之间相位的测量可以以多种方式进行，因为涉及的信号为低频信号。例如，这可以依靠通过数字捕获板(digitizingacquisition board)连接到电路的PC完成。接着可以使用用户友好程序来控制全部测量程序并计算位移。在这种情况下，程序执行如下描述的操作。

·捕获信号f(t)和I(t)。

·随机地捕获来自第三发生器的在f₀的参考信号。

·从捕获的信号中重建理想无噪声的信号。如果使用了第三发生器可以通过使用数字锁定技术(即一种同步检测)或其他窄带滤波技术来恢复信号参数，否则可以使用三参数或四参数正弦调合。

·测量重建的无噪声信号之间的时延并相对于先前存储的作为零值的测量估计传感光纤长度的变化。

全部程序被数百次的重复并且平均值和标准偏差被计算以向用户给出该测量过程的置信度。

在参照图1至图7所描述的所有实施例中，光传感路径的传感段5′被描述为光学路径被包括在两锁定装置8之间的段。但是，据披露，在所有这些实施例中难以保证其他的传感路径(传感路径在两锁定装置8外侧的段)不受作用在传感器上的机械作用的影响。在实际中，经由除传感段5′外的传感路径的段的光和/或电信号的传输受到作用在传感器上的机械作用的影响和/或被该机械作用改变。换句话说，在上述所有实施例中，传感路径整体长度可以以某种方式影响传感器的输出，即使传感段5′外侧的部分保持松弛并在保护套内。

考虑到图8所描述的两个波长设计能够克服不需要的影响，这里，照常地，关于前述附图已经描述的相同的特征或组成部分使用相同的参考编号表示。

从图8可清楚看出，上述两波长方法应用到与图2所描述的实施例相似的实施例；但是，对于本领域技术人员来说两波长方法可以应用到上述包括图7所描述的实施例在内的任一实施例是显而易见的。

图8的实施例与图2的实施例最重要的区别在于：在图8的实施例中，使用第一和第二光发射装置3a和3b，以及第一和第二光接收装置6a和6b；另外，使用第一和第二波长不敏感功率分配器19和19′以及第一和第二波长敏感功率分配器20和20′。另外，在图8的实施例中，测量装置21适用于处理由两个具有不同波长的光传感信号G和R引生的两个传感电信号d′和d″。尤其，在图8中，这两个具有不同波长的信号表示为G(绿)和R(红)；但是，根据情况可使用任何其他波长。

在图8的实施例中，由发生装置1产生的信号a被功率分配器2分成传感信号b和参考信号c。该参考信号c通过参考路径4直接进入相位处理单元21；尤其，该参考信号c作为参考信号e被相位处理单元21接收。传感信号b被分别输送到适用于将信号b转换具有预定波长的第一光信号(R信号)和具有第二预定波长的第二传感光信号(G信号)的第一和第二光发射装置3a和3b。该红和绿光信号R和G通过第一合并器19(即用做合并器的波长不敏感功率分配器)一同注入传感部分5；接着，在第一锁定装置8前，第一波长敏感分配器20漏掉红色信号R，该红色信号R立即通过另一功率合并器19′与经过该传感段5′的绿色信号R重新结合。另外，进一步的波长敏感分配器20′将两红色和绿色信号R和G多路分离并将它们分别发送到两光接收装置6a和6b；得到的离开光接收装置6a和6b的电信号d′和d″接着进入相位处理单元21。通过比较来自红色和绿色光信号R和G的电信号d′和d″的相移变化，因此可以补偿不需要的形变，仅测量由两锁定装置8界定的传感区域内的位移。尤其，如果一方面参考信号e和第一传感信号d′之间的相移变化并且另一方面参考信号e和第二传感信号d″之间的相移变化被测量，则可以获得相移δ变化出自影响而非作用在传感段5′上的机械作用的指示，所以该机械作用能够被精确检测和测量。

另外，也不但能够恢复传感段5′长度Ls的变化还能够恢复其绝对值而不需在先校准；尤其，通过结合两波长技术和可变频率发生器(或两频率发生器)，既在低至在光纤长度上不产生模糊的频率上进行测量又在高至可得到预期的分辨率的频率上进行测量是可能的。图8所示的方案的变化可以实现为仅需要一个信号接收装置。在这种情况下，离开合并器19′的两R和G信号被直接发送到接收装置6a。接着在以适当速率选择性地将两个源3a和3b切换为开和关时，可以完成两波长之间的分离。这样输出信号d′选择性地代表与R和与G信号关联的读出信号，所以利用相同的前述程序能够完成对不需要的形变的补偿或对绝对距离的测量。

上述结合图1至图8描述的所有实施例都允许检测和/或测量作用在传感器上的机械作用；如果设置多个传感器，则能够得到同时检测多个机械作用、位移和压力等的测量设备。下面将结合图9对这样的测量设备的例子进行描述，这里，再次，关于前述附图已经描述的相同的特征或组成部分使用相同的参考编号表示。

在图9的实施例中，使用了多条如图1所描述的光传感路径；但是，本领域技术人员可以理解的是图9中描述的方案也可以通过实施图2至图8中任意一幅所描述的光学路径而实现。

从图9可清楚看出，由发生装置1产生的电信号a被功率分配器2分成多个电信号b₁-b_n和惟一一个参考信号c。该参考信号c进入参考路径4并在其端被测量装置7作为参考电信号e收集。传感电信号b₁至b_n由光发射装置3₁至3_n转换为相应的多个传感光信号b′₁至b′_n，所述传感光信号b′₁至b′_n依次进入到多个传感段5′1至5′_n。一旦所述光信号b₁至b_n穿过传感段5′1至5′_n并最终被作用在所述传感段上的机械作用改变后，其被相应的多个光接收装置6₁至6_n转换为相应的电传感信号d₁至d_n。传感信号d₁至d_n和参考信号e被测量装置7(例如包括多个如图3所示的混频器和低通滤波器)收集，从而发出多个输出信号f₁至f_n。因此，所述信号被捕获板30收集并被发送到诸如个人电脑的计算单元31。

据披露，当图9所描述的测量设备用于检测作用在如建筑物等的不同区域上的机械作用时，其具有特别的优势。实际上，利用图9的测量设备，各传感路径5₁至5_n可以对应于要检测的各关键区域来设置，从而允许检测和/或辨别作用在多个分离的区域上的机械作用。

概括地说，从上述公开内容可以看出，根据本发明的光传感器和测量设备允许克服或至少最小化影响现有技术中已知的传感器的缺点；尤其，根据本发明的光传感器和测量设备允许可靠地检测诸如牵引和/或压缩的机械作用，以及压力、位移和震动等。另外，根据本发明的光传感器和测量设备允许既检测作用于或出现在单一区域上或内的机械作用、压力和位移等，又检测作用于或出现在相应多个区域上或内的多个机械作用、压力和位移等。

根据本发明的光传感器和测量设备能够应用到结构尤其是复合结构的损伤检查。例如，它们能够被应用于建设工作的检查和应变的测量。结构损伤和/或结构中位移的检查可以通过在要检查的结构中插入一个或多个根据本发明的光传感器来完成，例如，通过将传感光学路径固定到要检查的区域同时使参考路径不暴露于任何机械作用。尤其，根据本发明的光传感器被披露对用来改进墙壁结构坚固性的铁梁的形变发展的测量是有用的(特别在古建筑物中或地震后)。对滑坡发展的测量也是可能的，例如通过在地下的杆之间安装传感器。另外，根据本发明的光传感器通过将传感光学路径合并到结构中能够测量合成材料中的形变。同样，在不良环境(高度易燃、易爆或电磁噪声环境)下对距离和位移的测量以及在生物工程学中对力的测量也是可能的。

通过低噪声多通道放大器将传感器连接到配备有数字卡(DAQ)的PC能够得到根据本发明的光传感器的有用的实施；当然，该PC能够同时控制多个传感器，所以设计复杂但相当低廉的传感器网络是可能的。另外，利用适合的软件，通过使用诸如TCP/IP的标准协议的网络来控制该传感器也是可能的。

根据本发明的光传感器具有相当广泛的工作范围(从10μm到几厘米)同时保持良好的分辨率的特点。另外，不需要光学路径(光纤)的阻断物，致使更好地与灰尘、雨水等隔离，使这些传感器尤其适于户外应用。

根据本发明的传感器已经使用标准商业POF进行测试，该POF的目的在于保持尽可能低的成本。考虑到典型可用的LED的调制带宽，使用了商业信号发生器和频率f₁，f₁对应20MHz，f₂＝f₁+1kHz。但是，也可以实施其他基于DDS芯片和微控制器的方案。

最后应该注意的是，在根据本发明的光传感器中，根据情况既可实施玻璃光纤又可实施聚合物光纤。尤其，如果分辨率要求是毫米量级且工作温度允许，则聚合物光纤可用于传感路径。这暗示着除了与所有类型的光纤共有的优点之外，还在源、检测器和连接器方面具有低成本，所述共有的优点诸如重量轻、侵入力最小、抗电磁干扰以及不会燃烧或爆炸。后两个性质是尤其使人感兴趣的，因为这使得传感器能够在不利环境下使用，所述不利环境诸如电磁噪声的工业厂房内、高度易燃材料的存储区域中、在雷暴期间暴露于静电放电的结构中以及通常纪念碑或艺术品的监视。没有电流流经传感器使得该传感器对于生物医学应用也是理想的，避免了触电死亡的风险。另外，相对于基于商业硅酸盐光纤的结构，聚合物光纤的更高可变形性允许要测量的位移更长。

也必须注意到，根据本发明的光传感器的工作原理是基于电信号的相对相移而非光信号的干涉。

尽管本发明结合了具体实施例进行描述，但是应理解本发明不限于上述具体实施例，对上述实施例可进行各种修改而不背离本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (41)

1、一种光传感器，适用于检测作用在所述传感器上的外部机械作用，所述传感器包括：

至少一条传感光学路径(5)，适用于传输至少一个传感光信号(b′)并发出至少一个传感输出电信号(d)；

至少一条参考路径(4)，适用于发出至少一个输出电参考信号(e)；

所述至少一条光学路径(5)的至少一段(5′)，适合于暴露于外部机械作用下，以便通过所述传感光学路径的所述传感光信号(b′)的传输能够被改变，导致在所述传感电信号(d)和所述参考电信号(e)之间产生相移，

所述光传感器的特征在于，所述至少一条参考路径(4)包括移相装置(11)，适用于在没有任何机械作用施加在所述至少一条传感光学路径(5)上时使所述至少一个输出传感电信号(d)和所述至少一个输出参考电信号(e)之间的相移保持在一恒定值。

2、如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，进一步包括适用于收集所述至少一个电参考信号(e)并发出进一步的电参考信号(h)的装置(14)，所述信号(h)相对于所述信号(e)在相位上移动了接近90°。

3、如权利要求1或2所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器进一步包括发生装置(16)，该发生装置(16)适用于产生至少一个频率为f₂的额外电信号(a′)，所述频率f₂与所述至少一个参考输出电信号(e)的频率f₁稍有不同。

4、如权利要求3所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器进一步包括分配装置(15)，适用于接收所述至少一个额外的电信号(a′)并将所述至少一个额外的电信号(a′)分成两个电信号(m)和(n)。

5、如权利要求1至4中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述光学路径适用于传输至少两个具有相应不同波长的光传感信号(G)和(R)，所述两个传感光信号(G)和(R)中仅一个信号(G)进入所述至少一传感段(5′)，所述光学路径进一步包括适用于接收所述至少两个传感光信号(G)和(R)并将所述至少两个传感光信号(G)和(R)转换为两个相应的输出传感电信号(d″)和(d′)的装置。

6、如权利要求1至5中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条光学路径(5)的所述至少一段(5′)具有预定的长度(Ls)，适用于根据作用在所述至少一段(5′)上的机械作用而改变。

7、如权利要求1至6中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述光学路径(5)包括光接收装置(6)，适用于接收所述至少一个传感光信号(b′)并将所述至少一个光信号(b′)转换为所述至少一个传感电信号(d)。

8、如权利要求7所述的光传感器，其特征在于，所述光接收装置(6)包括光电二极管。

9、如权利要求7所述的光传感器，其特征在于，所述光接收装置(6)包括光电晶体管等。

10、如权利要求1至9中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条光学路径(5)包括光发射装置(3)，适用于接收至少一个输入传感电信号(b)并将所述至少一个输入传感电信号(b)转换为所述至少一个传感光信号(b′)。

11、如权利要求10所述的光传感器，其特征在于，所述光发射装置(3)包括LED。

12、如权利要求10所述的光传感器，其特征在于，所述光发射装置包括激光二极管。

13、如权利要求1至12中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条光学路径(5)的至少所述一段(5′)包括光纤。

14、如权利要求13所述的光传感器，其特征在于，所述光纤是聚合物光纤POF。

15、如权利要求1至14中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条参考路径(4)包括铜线。

16、如权利要求1至15中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条参考路径(4)包括同轴电缆。

17、如权利要求1至16中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条参考路径(4)包括适用于传输至少一个参考光信号的参考光学路径，和适用于接收所述至少一个光参考信号并将所述至少一个光参考信号转换为所述至少一个参考电信号(e)的光接收装置。

18、如权利要求17所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条参考路径包括光发射装置，适用于接收至少一个电参考信号(c)并将所述至少一个电参考信号(c)转换为所述至少一个参考光信号。

19、如权利要求17或18所述的光传感器，其特征在于，所述参考光学路径包括光纤。

20、如权利要求1至19中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述至少一条传感光学路径(5)的所述至少一段(5′)包括至少两条彼此平行设置且通过曲线段连接的直线段。

21、如权利要求1至20中任意一项所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器包括多条传感光学路径(5₁-5_n)，各传感光学路径适用于传输至少一个相应的传感光信号(b′₁-b′_n)并发出至少一个相应的传感输出电信号(d₁-d_n)，各传感光学路径包括适用于暴露在外部机械作用下的至少一段(5′₁-5′_n)，并且所述光传感器包括适用于发出至少一个电信号(e)的一条参考路径(4)。

22、一种用于测量和/或检测机械作用的测量设备，其特征在于，该测量设备包括至少一个如权利要求1至21中任意一项所述的光传感器，以及适用于测量所述至少一个传感电信号(d)和所述至少一个参考电信号(e)之间的相移的测量装置(7)。

23、如权利要求22所述的测量设备，其特征在于，所述测量装置(7)适用于收集所述至少一个输出电参考信号(e)和所述至少一个输出传感电信号(d)并且发出输出电信号(f)，以便所述至少一个输出参考电信号(e)和所述至少一个输出传感电信号(d)之间的相移能够根据所述输出电信号(f)的振幅而被测量。

24、如权利要求22或23所述的测量设备，其特征在于，该测量设备包括第一测量装置(7′)和第二测量装置(7″)，所述第一测量装置适用于收集所述至少一个传感电信号(d)和所述至少一个参考电信号(e)并发出第一输出电信号(f)，所述第二测量装置(7″)适用于收集所述至少一个输出传感电信号(d)和相对于所述参考电信号(e)在相位上移动90°的参考电信号(h)并发出第二输出电信号(I)，以便所述至少一个参考电信号(e)和所述至少一个传感电信号(d)之间的相移能够根据所述输出电信号(f)和(I)的全部或其一的振幅而被测量。

25、如权利要求22或23所述的测量设备，当引用在前权利要求4中的光传感器时，其特征在于，该测量设备包括第一测量装置(7′)和第二测量装置(7″)，所述第一测量装置适用于收集所述至少一个传感电信号(d)和所述电信号(m)并发出第一电信号(f)，所述第二测量装置(7″)适用于收集所述至少一个输出参考电信号(e)和所述电信号(n)并发出第二电信号(I)，以便所述至少一个参考电信号(e)和所述至少一个传感电信号(d)之间的相移能够根据所述电信号(f)和(I)的全部或其一的时延而被测量。

26、如权利要求22至24中任意一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量装置(7)、(7′)和(7″)分别包括混频装置(9)和(12)，分别适用于将所述电信号(d，e)和(d，h)混频，并分别发出电信号(g)和(i)，并且所述测量装置(7)、(7′)和(7″)分别包括低通滤波器(10)和(13)，所述低通滤波器分别适用于接收所述电信号(g)和(i)，并分别发出电信号(f)和(I)。

27、如权利要求25所述的测量设备，其特征在于，所述测量装置(7′)和(7″)分别包括混频装置(9)和(12)，分别适用于将电信号(d)和(m)以及(n)和(e)混频，并分别发出电信号(g)和(i)，并且所述测量装置(7′)和(7″)分别包括低通滤波器(10)和(13)，所述低通滤波器(10)和(13)分别集中在预定的频率并适用于接收所述输出电信号(g)和(i)，并分别发出电信号(f)和(I)。

28、如权利要求22至27中任意一项所述的测量设备，当引用在前权利要求5中的光传感器时，其特征在于，该测量设备包括适用于测量所述至少一个参考电信号(e)与所述传感电信号(d″)和(d′)之间的相位差的测量装置(21)。

29、如权利要求22至28中任意一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括适用于计算离开所述测量装置(7、7′、7″)的信号(f、I)的计算装置。

30、如权利要求29所述的测量设备，其特征在于，所述计算装置包括适用于将模拟信号转换为数字信号的装置(30)。

31、如权利要求30所述的测量设备，其特征在于，所述计算装置进一步包括连接到所述装置(30)的个人电脑(31)。

32、一种用于测量机械作用的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设置如权利要求1至21中任意一项所述的光传感器，以便所述至少一条光学路径(5)的至少一段(5′)暴露于所述机械作用下；

使至少一个传感光信号(b′)进入所述至少一条传感光学路径(5)的所述至少一段(5′)并将所述光信号(b′)转换为输出传感电信号(d)；

促使所述至少一条参考路径(4)发出所述至少一个输出电参考信号(e)；

移动所述至少一个输出电信号(e)的相位，以便在没有任何作用施加在所述至少一条传感光学路径(5)上时将所述至少一个输出参考电信号(e)之间的相移保持在一恒定值；

测量所述至少一个输出传感电信号(d)和所述至少一个输出电参考信号(e)之间的相移。

33、如权利要求32所述的测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述至少一条光学路径(5)的所述至少一段(5′)的相对端固定到固定装置(8)，以便作用在所述段(5′)上的所述机械作用导致所述段的长度Ls改变，从而在所述至少一个输出传感电信号(d)和所述至少一个输出参考电信号(e)之间产生相移。

34、如权利要求32或33所述的测量方法，其特征在于，促使所述至少一条参考路径(4)发出所述至少一个输出电参考信号(e)包括使至少一个电信号(c)进入所述至少一条参考路径(5)。

35、如权利要求32或33所述的测量方法，其特征在于，促使所述至少一条参考路径(4)发出所述至少一个输出电参考信号(e)包括使至少一个参考光信号进入所述至少一条参考路径(5)并将所述至少一个参考光信号转换为所述至少一个输出电参考信号(e)。

36、如权利要求32至35中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括收集所述两个信号(d)和(e)，将所述两信号(d)和(e)混频以得到信号(g)，通过低通带通滤波器(10)对信号(g)进行滤波以及收集离开所述低通带通滤波器(10)的信号(f)。

37、如权利要求32至3 5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括收集所述两信号(d)和(e)，通过第一混频装置(9)将所述两信号(d)和(e)混频以得到信号(g)，通过第一低通带通滤波器(10)对信号(g)进行滤波，移动恒定值的所述输出电参考信号(e)的相位以便获得第二输出电参考信号(h)，收集所述两信号(d)和(h)，通过第二混频装置(12)将所述两信号(d)和(h)混频以得到信号(i)，通过第二低通带通滤波器(13)对信号(i)进行滤波，收集分别离开所述第一低通带通滤波器(10)和所述第二低通带通滤波器(13)的信号(f)和(I)的全部或其一。

38、如权利要求32至35中任意一项所述的测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括产生至少一个频率为f₂的额外的电信号(a′)，所述频率f₂与所述至少一个参考输出电信号(e)的频率f₁稍有不同，将所述至少一个额外的信号(a′)分成两个电信号(m)和(n)，收集所述两信号(d)和(m)，通过第一混频装置(9)将所述两信号(d)和(m)混频以得到信号(g)，通过集中于预定频率的第一低通带通滤波器(10)对信号(g)进行滤波，收集所述两信号(n)和(e)，通过第二混频装置(12)将所述两信号(n)和(e)混频以得到信号(i)，通过集中于预定频率的第二低通带通滤波器(13)对信号(i)进行滤波，收集分别离开所述第一低通带通滤波器(10)和所述第二低通带通滤波器(13)的信号(f)和(I)的全部或其一。

39、如权利要求36至38中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括计算所述两信号(f)和(I)的全部或其一。

40、如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述方法包括将所述信号(f)和(I)的全部或其一转换为数字信号。

41、如权利要求32至40中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括测量在没有任何机械作用作用在所述至少一条光学传感路径(5)的所述至少一段(5′)上时所述输出电传感信号(d)和所述至少一个输出电参考信号(e)之间的相移。

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