CN104185794B - 基于光学的电压感测设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种测量电场中的波动的方法，所述方法包括以下步骤：放置与电场通信的液晶设备，所述设备具有对外部电场的不同的正交偏振灵敏度；利用具有已知偏振状态的光学探测波束来询问液晶设备的液晶以产生响应波束；以及分析响应波束的偏振状态以提供电场中的对应波动的指示符。

Description

基于光学的电压感测设备和方法
技术领域
本发明涉及用于将电感测信号转换成光信号的电光换能器的领域，具体地，公开了一种光学电压检测器，其利用液晶材料的受控折射率响应来感测电场中的改变。
参考文献
Sanders, G. A., Blake, J. N., Rose, A. H., Rahmatian, F., Herdman C.,“Commercialization of fiber-optic current and voltage sensors at NxtPhase”,OFS-15, Proc.31- 34, (2002).
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背景技术
贯穿本说明书对背景技术的任何讨论都决不应认为是承认这样的技术是广泛已知的或者形成本领域公知常识的一部分。
对准确感测的需求是现代社会中的重要资源。对电场强度及其类似物中的改变的感测是重要的任务。
例如，大规模电力分配周期的最重要的方面之一是针对每个兴趣点测量能量的量和质量的能力。因此，针对高功率分配系统提供低成本和高准确性电压测量技术存在高度重要性。
现今的电流和电压感测技术（诸如前述的Sanders等人的参考文献中所描述的那些）基于复杂、大且昂贵的电气方法。
已经提出了多种基于光纤的电流和电压传感器（例如归于Laming等人的那些），但是它们由于复杂性和高成本而限制了商业上的成功。
将期望在多个（分布式）点处提供对高达比如400kV/m电场的场的直接电场测量。
感测在其他环境中也是重要的。具体地，水中的压力感测（水听器和声纳）、对管道中的气体和流体（诸如水或油相关产品）的流动的监视、对大气中具体气体的侵蚀的监视和存在的检测是高度相关的。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的基于光学的电压感测设备或电光换能器。
根据本发明的第一方面，提供了一种测量电场中的波动的方法，所述方法包括以下步骤：放置与电场通信的液晶设备，所述设备具有其双折射率以及其对外部电场敏感的光轴的方向；利用具有已知偏振状态的光学探测波束来询问液晶设备的液晶以产生响应波束；以及分析响应波束的偏振状态以提供对电场中的相应波动的指示符。
所述液晶设备可以是在反射模式中被光学探测的。所述液晶设备优选地利用变形螺旋铁电液晶（DHF-LC）液晶材料。所述液晶设备可以经由电极互连到天线设备，以用于扩大所述液晶设备经历的电场。所述光学探测波束可以经由单模纤维而馈送到所述液晶设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种电压传感器，包括：光学输入探测器，用于输入具有预定偏振状态的光学探测波束；与电场通信且具有内部材料的液晶设备，所述内部材料具有其双折射率以及其对外部电场敏感的光轴的方向，所述设备连接到所述光学输入探测器，以将光学探测波束透射通过内部材料以产生具有更改的偏振状态的光学输出波束；光学输出探测器，用于感测所述输出波束；以及偏振状态感测设备，用于感测输出波束的更改的偏振状态，并由此确定与电场的状态的相互关系。
在一些实施例中，内部材料可以包括变形螺旋铁电液晶（DHF-LC）。所述液晶设备可以在反射模式中操作，其中，光学输入探测器也形成光学输出探测器。该设备还可以包括天线设备，其连接到所述液晶设备，以用于扩大所述内部材料经历的电场。
根据本发明的另一方面，提供了一种将电信号转换成光信号的电光换能器，所述换能器包括：光学输入探测器，用于输入具有预定偏振状态的光学探测波束；一对电极，其连接到波动外部电压并生成波动电场；与波动电场通信且具有内部材料的液晶设备，所述内部材料具有其双折射率以及其对外部电场敏感的光轴的方向，所述设备连接到所述光学输入探测器，以将光学探测波束透射通过内部材料以产生具有更改的偏振状态的光学输出波束；光学输出探测器，用于感测所述输出波束；以及偏振状态感测设备，用于感测输出波束的更改的偏振状态，并由此确定与外部电压的状态的相互关系。
内部材料可以包括变形螺旋铁电液晶（DHF-LC）。所述液晶设备可以在反射模式中操作，其中，光学输入探测器也形成光学输出探测器。该设备还可以包括放大器设备，其连接到所述液晶设备，以用于扩大所述内部材料经历的电场。
根据本发明的另一方面，提供了一种测量电压波动的方法，所述方法包括以下步骤：放置与波动电压通信的液晶设备，所述设备具有其液晶双折射率以及其对经由电极的波动电压敏感的光轴的方向；利用具有已知偏振状态的光学探测波束来询问所述液晶设备的液晶以产生响应波束；以及分析响应波束的偏振以提供对电场中的相应波动的指示符。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学感测系统，包括：宽带光学输入源；宽带光学输入源；一系列电压传感器/光学换能器，用于将电信号转换成光信号，其互连到宽带输入源，每个电压传感器/光学换能器将电信号转换成光信号、将光学输入源映射到预定义的偏振状态源、以及将预定义的偏振状态源透射通过内部材料，由此产生具有更改的偏振状态的传感器输出波束，所述内部材料具有其双折射率以及其对外部电场敏感的光轴的方向；一系列偏振状态感测设备，用于感测传感器输出波束的更改的偏振状态；一系列光学滤波元件，用于对预定波长范围的所述传感器输出波束进行滤波以产生一系列光学输出信道；解复用元件，用于分离来自将电信号转换成光信号的所述系列电压传感器/光学换能器的每个光学输出信道；以及一系列光电检测器，用于测量光学输出信道并确定电场的相应波动。
优选实施例有利地提供了在多个（分布式）点处对高达比如400kV/m电场的场的直接电场测量。该感测方法可以是偏振无关的，并可以展现对所感测的电场的变化的线性电光（EO）响应。
优选实施例有利地提供了将从诸如压电元件之类的各种传感器和具有电势变化的任何其他传感器元件获得的电信息作为输出转移到光域中。该方法可以用在声纳/水听器以及对气体和液体的流测量中。该感测方法可以是偏振无关的，并可以展现对所感测的电场的变化的线性电光（EO）响应。
附图说明
现在将通过仅示例的方式参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示意性图示了第一实施例的电场感测系统；
图2示意性图示了光纤FLC单元；
图3示意性图示了FLC单元的DHF-LC模式的操作；
图4图示了经由电场中天线的利用而进行的放大；
图5图示了光学感测系统的单个模块；
图6图示了在感测系统中将多个模块一起进行复用；
图7图示了用于测试优选实施例的方法的体光学实验布置；
图8图示了优选实施例的实验原型形式；
图9图示了当改变偏振角度时FLC单元静态响应相对于施加的电压的变化；
图10图示了当入射光的偏振方向与螺旋轴（β=0°）对准时，对于50Hz的频率，示例LC单元的动态响应相对于变化的电压的变化；
图11图示了在可变电压的最大和最小值处单元的静态响应；
图12和图13图示了当β=45°对应于最大响应时LC单元的动态响应；
图14和图15图示了当β=15°对应于最低总谐波失真时LC单元的动态响应；
图16图示了基于纤维的传感器头的动态响应；
图17图示了基于纤维的传感器头的静态响应；
图18和图19图示了SH对输入电压的响应的变化；
图20图示了用于感测环境的替代水听器布置；
图21图示了感测致动器；
图22图示了光学供能的传感器布置；
图23图示了复用的水听器布置；以及
图24和图25是适于与本发明一起使用的沉积偏振器的电子显微图。
图26图示了第一示意性气体检测器环境，其中，气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器；
图27图示了光学供能的气体传感器的第二示意图；
图28示意性图示了另一气体检测器布置，其中，气体检测器是无源的；
图29示意性图示了另一气体检测器，其是无源的且直接连接到LC换能器。LC换能器是窄带的（窄带反射器）。
图30图示了具有多个气体传感器的对应气体监视系统。该气体传感器或放大器是光学供能的。系统中使用的LC换能器是宽带的，并且FBG被用于对测量进行复用。
图31示意性图示了替代的气体监视系统。气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器。该系统中使用的LC换能器是宽带的，并且FBG被用于对测量进行复用。
图32示意性图示了另一替代的气体监视系统。气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器。该系统中使用的LC换能器是窄带的。
具体实施方式
在优选实施例中，提供了光纤电压传感器以及电光换能器，所述光纤电压传感器利用电压控制液晶（LC）来允许在多个点处对高达400kV/m电场的直接测量，所述电光换能器允许将任何信息从电域转移至光域中。另外，优选实施例的偏振无关光纤传感器/换能器配置展现出对被测试电场的变化的几乎线性的电光（EO）响应。
图1提供了优选实施例1的所提出的感测系统的示意性图示。该感测系统包括用于监视外部电场3的一系列传感器头，例如2（SH）。互连到传感器头2的是天线4，用于收获来自被测试电场的能量并将其施加于传感器头（SH）。每个传感器头2借助于单模光纤线缆（例如7）互连到解复用器/复用器6但反射单独的波长，所述波长由复用器进行组合，其中每个传感器头经由宽带源而被感测。解复用器（DM）提供了联网类型的设备，其允许利用一个感测系统在空间中的多个分布式点处对电场水平采取一系列测量。解复用器/复用器具有作为一个输入的一个宽带源（BBS）8，并且来自多个传感器头的返回信号可以被输出到一个光谱分析器（OSA）10。源8将宽带非偏振光信号（λ1至λv）供应至解复用器/复用器6中，解复用器/复用器6将其供应到SH，收集反射离开SH的信号，指派具体波长到并将具体波长组合到与要分析的其他信道的公共线中。SH 2根据围绕天线的电场的值将信道反射回到DM 6中。DM 6还收集从SH反射的所有信道并将它们导向到监视设备（OSA）10中。
传感器头（SH）2：
传感器头的目的是监视被放置在被测试电场内的液晶单元（LC）的光学属性。图2图示了一种形式的传感器头2。SH是基于光纤和LC技术的融合的混合设备。传感器头利用光纤的极好的波导属性以及将不同波长与LC 20的高电光系数复用在一起的能力。
LC单元20本身可以由两个夹入的玻璃衬底21、22构成。衬底之一21的内表面涂敷有透明的氧化铟锡（ITO）。另一个衬底22的内表面可以涂敷有金。这两个涂层均用作电极，由此使得能够在玻璃衬底之间创建受控电场。金涂层用作宽带反射器，其允许单元在反射中的操作。按照前述Beresnev等人的公开，衬底之间的间隙填充有在变形螺旋铁电（DHF）模式中操作的铁电液晶（FLC）。DHF-LC模式展现了当被放置在电场内时在交叉偏振器中单元的反射率的基本上线性的变化（按照归于Ostrovskii等人、Chigrinov, V.G.等人的参考文献）。DHF结构在电场中的行为已经在前述参考文献中加以描述，包括其静态和动态方面。
为了提供直接耦合，纤维27可以被插入通过在LC单元的玻璃衬底21中钻取的孔，使得该纤维与LC材料直接物理接触，可能插入通过偏振层和/或电极和/或光对准层。然后，纤维可以被粘合到该位置中。钻取的互连的利用进行操作以减小系统噪声。
其螺旋轴被平行定向的平面对准的手性近晶C（FLC）及其垂直于玻璃衬底表面的层限定了DHF模式的单元的几何形状。这样的几何形状在图3中图示为30。
返回到图2，光通过普通单模引入纤维（SMF28）25远程递送31到光纤传感器头，在线纤维偏振器26将光偏振到具体定向，还提供了偏振维持（PM）纤维27和PM准直仪。这确保了正确的偏振状态被递送到LC单元，而不管对于SMF28引入纤维的外部扰动如何。该设计还允许SMF28引入纤维几乎任意长，而对SH性能无显著影响。
在可替代实施例中，偏振层可以以纳米网格或玻璃偏振器的形式被直接沉积在玻璃衬底上。图24和图25图示了沉积膜的E-波束显微镜图像。在包含光纤的玻璃衬底上沉积的金涂层中蚀刻了平行槽的纳米结构。金涂层的厚度是80nm，占空比为200nm，以及蚀刻间隙为60nm。被拒绝的偏振的方向平行于槽的方向。玻璃偏振器由偏振玻璃colorPol®表示。
返回到图3，光31在涂敷有ITO的第一衬底21上法向入射，且以与螺旋轴的角度β被偏振，且平行于手性近晶C层经过样本，反射离开第二衬底22的金涂敷的镜面、回到FLC的相同层中并返回到PM纤维中。
远离手性近晶C的相位转移，在电场中近晶倾角θ的变化变得在能量上不利，并且仅绕螺旋轴的旋转角φ被调制。分子分布的对应依赖性（其中，z是沿螺旋轴的坐标，并且P0是螺旋节距）在+/-E电场中对称地振荡。这些振荡导致的有效折射率n的变化；折射率椭球被电场倾斜和变形。一旦已经将光投射到单元中，两个正交偏振就以稍微不同的相位速度传播，从而导致输出处的取决于衬底之间的距离和LC的双折射率的偏振状态。当双折射率（普通和特别折射率之间的差）随着外部电场的施加而改变时，所述距离被保持恒定。该改变的相位差和后续产生的偏振的角度随后由光电二极管检测，所述产生的偏振的角度由PM纤维和在线偏振器在强度的变化上变换。
天线
切换LC单元所需的电场大约为每微米几伏特（典型地为5至10V）（5000至10000kV/m），其比期望的被测试场（100至400kV/m或0.1至0.4V/μm）高得多。因此，需要某种场放大。该放大可以使用天线或能量收获设备而实现。
在图4中，一种形式的天线示出为40。以其最简单的形式，其可以由两个板41、42构造，该两个板41、42由传导材料制成、被放置为彼此平行且垂直于被测试外部电场43的方向。所施加的外部场在天线的电极上感生电压，然后，该电压可以用于对单元进行切换。天线的几何属性和能量收获能力被估计。在下表中给出了当被插入到300kV/m的电场中时产生270V所需的天线的各种几何面积。
天线的面积[mm2] 所需距离[mm]
400x400mm2 8.5
300x300mm2 14.7
200x200mm2 31.2
解复用器（DM）：使用3dB的2x2双向耦合器和合并了光纤布喇格光栅（FBG）的循环器开发了原型形式的解复用器DM。在图5中，一种简单形式的原型DM图示为50。耦合器51的端口4连接到SH 52，并且端口1连接到宽带光源53。感测端处反射率的任何改变导致反射回到端口2的信号强度的变化。耦合器的端口2经由端口1连接到循环器54，由此使得反射的感测信号能够到达连接到循环器的端口2的FBG 55。FBG用于将宽带信号的与FBG的窄光谱带（λ1）相匹配的部分选择性地反射回到循环器的端口3（信号检测端）。结果，可以通过监视56从SH反射回到FBG且然后到检测器或OSA 56的信号的相对强度来获取关于电场或电压的值的信息。
该感测模块通过将类似模块与耦合器1的端口3直接连接来允许复用能力。这样的布置在图6中示出，其中，多个感测单元61-63示出为以级联方式互连到单个宽带源67和输出监视器66。光学隔离器（例如67）被用于避免模块之间的串扰。
实验结果
为了适当地表征优选实施例，构建了两个实验设置来测试模型并表征SH。
沿由Kiselev构造的线的理论模型被用于体光学（bulk optic）。构造了本文提出的基于纤维的设置的体光学版本。测量的目的是测试模型并调整所使用的DHF LC单元的参数。
该布置的示意性图示在图7中图示为70。由He-Ne激光器71发射的632nm处的线性偏振的光在LC单元73的表面上以0°入射角入射。从该单元的金内表面反射回的光透射通过非偏振波束分割器72，非偏振波束分割器72将50%的光导向到光电检测器76上。分析器75被安装并与光电检测器前部的入射光的偏振正交对准。孔74被用于阻止从LC单元73散射的光，并且单元73被放置在旋转平移台上，从而允许入射光的偏振与螺旋轴之间的角度的变化。
用作电压传感器的SH的操作的原型原理是使用图8中示出的光纤设置80来证明的。非偏振宽带光信号被发射86（BBS15/16 AFC Technologies Inc.），被投射到光学循环器81（6015-3Thorlabs Inc.）的端口1中。循环器将光导向到连接到在线偏振器82（CIRL）的端口2中，在线偏振器82（CIRL）将非偏振光变换成线性偏振的光。在线偏振器的输出经由准直的PM纤维（AFW Technology Pty. Ltd.）C-PM-15而被转发，并被直接对顶到FLC单元84的玻璃衬底上，并将高度偏振的光递送到LC材料。LC单元84在反射中操作且可以被描述为可变反射器。我们的方法利用了DHF-LC几何形状，其展现了反射率随施加的电压的线性变化。通过旋转被放置在旋转台83内部的PM准直仪，调整了角度β。
传播通过双折射材料（LC）的偏振光分割成以不同速度沿普通和特别光轴传播的两个分量。在LC的输出处，这两个分量发生干扰，从而导致旋转的偏振和改变的强度。单元的输出处的PM纤维和在线偏振器82将该输出光变换成对应的强度变化。光学循环器81将来自LC单元的光信号导向到端口3中，端口3连接到可变增益光电检测器87，可变增益光电检测器87用于监视85根据电压而反射的光的强度的变化。Stanford Research Systems Inc的信号发生器88（DS340）被用于生成施加到LC单元的可变电压。该电压使用了正弦形式，频率为50Hz。信号发生器和光电检测器是受控的计算机，其允许记录单元对驱动电压的响应。
LC单元84由两个夹入的玻璃衬底构成，这两个夹入的玻璃衬底的间隙在图7的体布置中为5μm，且在图8的光纤布置中为10μm。按照前面的讨论，衬底之一涂敷有ITO，并且另一个涂敷有金。金涂层不仅用作电极，还用作宽带反射器，从而允许单元在反射中的使用。衬底之间的间隙填充有在俄罗斯科学院的P. N. Lebedev物理学院处开发的（FLC）混合物FLC-576，螺旋节距P 0为200nm。该LC混合物被选择，归因于其短螺旋节距，产生低的光散射并允许DHF操作模式（按照Beresnev, L.的参考文献）。FLC的平面对准是通过光对准方法来实现的。在该方法中，用光对准物质——在155°C处干燥的偶氮苯硫酸染料SD-1来旋涂衬底的内表面二者。以法向入射对偶氮染料膜的偏振UV照射（365nm处6mW/cm2）被用于感生各向异性。
结果
图9图示了当改变入射光的偏振方向与螺旋轴之间的角度β时，FLC单元的静态响应（反射比）相对于在交叉偏振器/分析器处施加的电压的变化。
在图10中给出了当入射光的偏振方向与螺旋轴对准（β=0°）时针对不同的施加的电压幅度（正弦波，频率为50Hz）的LC单元的动态响应。该图中的每个曲线对应于LC单元的动态响应（反射比）。在可变电压的最大和最小值处单元的对应响应在图11中给出。
感测应用的两种最重要的情况是：当LC单元的调制深度最深时（当β=45°时的情况，图12、图13）；或者当其随施加的被测试电压线性变化（β=12.5°）时，图14、图15。线性响应被定义为具有最小总谐波失真（THD）的响应，这意味着输出信号的大部分功率集中在单元的响应的一次谐波中。对DHF模式中的FLC单元的响应的建模揭示了最低THD对应于β=11°，其接近于实验观察值12.5°。
表征了基于所提出的光纤方法的SH。SH对可变电压（50Hz的正弦波）的动态响应和静态响应在图16和图17中给出。通过旋转准直仪，将入射光的偏振与螺旋轴之间对应于单元的最线性响应的角度调整为β=12°。如图18和图19中所示，还估计了设备的稳定性。对于所测量的施加的电压波动±0.03%（正弦波，峰至峰幅度为19.6V，频率为50Hz），反射离开单元的光信号以0.44%波动。
回顾前文，因此可以看出，优选实施例提供了用于在分布式局部点处对高电场进行光学测量的新的低成本方法。该方法将变形螺旋铁电液晶（DHF-LC）单元用作用于对电场进行光学测量的传感器头。铁电LC在DHF模式中的使用利用了LC单元对外部电场变化的线性电光响应。另外，给出了独特的偏振无关传感器头和系统配置。对电场和电压感测应用的诸如单元的定向和输入偏振之类的最优参数进行了实验测量，同时对使用这些参数的原型SH的性能进行了量化。
所公开的低成本FLC单元拥有大的线性电光响应且是偏振无关的。该布置可以被容易地复用且可以经由普通的单模SMF28光纤而远程询问。
因此可以看出，提供了用于在多个感测点处准确测量电场的方法和系统。该系统利用变形螺旋铁电液晶（DHF-LC）的感测头；DHF-LC材料具有实质优点，即，当被放置在（不太大）电场内时展现出交叉偏振器中的LC的反射率的线性变化，其中，线性响应是通过选择入射光的偏振角度与DHF-LC的螺旋轴之间的特定角度来实现的。
该系统还允许利用解偏振（非偏振）光源，从而使得不昂贵的普通单模引入纤维能够用于复用的传感器的阵列的最长部分；这被实现如下：光经由普通引入光纤而递送到感测头，然后至在线纤维偏振器中，然后至偏振维持纤维，然后（可选地）至偏振维持（PM）准直仪，并且然后至感测头中。
此外，该系统还允许液晶的厚度被调谐以产生最大响应。
本发明可以进一步扩展到其中跨液晶设备产生可变电压差的其他环境。尽管优选实施例利用天线布置来实现该效果，但是可想到其他形式的电压诱导。例如，可以跨液晶设备或一系列麦克风传感器附着压电传感器。现在将描述本发明到水听器环境的扩展。
水听器布置
感测布置到水听器的利用的扩展在图20中示出为210。该布置类似于图1中描绘的布置，然而，天线设备已被水听器元件（例如211）替换。水听器元件可以如图21中示意性图示那样，且可以包括压电传感器设备221、放大器222和LC单元223。
切换LC单元所需的电场大约为每微米几伏特。这通常比PZT致动器将产生的高得多。现代陶瓷致动器的灵敏度为-164 dBreV/μPa。陶瓷水听器对零级海况（SSO）和各种水下噪声的响应介于0.1μV与0.6V之间。因此，放大器222通常需要场放大。
在可替代实施例中，可以通过光学供能的放大器来提供场放大。光学功率信号可以透射通过纤维布喇格光栅，其中，不满足布喇格条件的波长可以用于给放大器供能。这样的布置在图22中示出，其中，至放大器的功率由单独的光纤231提供。图23图示了对应的多级传感器布置。
气体检测布置
其他应用是可能的。例如，电极可以互连到用于检测特定气体浓度中的改变的气体检测器。气体检测器是这样的设备，其检测区域内各种气体的存在，所述区域通常作为安全系统的一部分。该类型的装备用于检测气体泄漏，并与控制系统对接，从而可以自动关闭处理。气体检测器还可以用声音向其中正在发生泄漏的区域中的操作者发出警报，从而给他们离开该区域的机会。该类型的设备是重要的，这是因为存在许多气体对诸如人类或动物之类的有机生命可能是有害的。
气体检测器可以用于检测易燃、可燃和有毒气体以及氧气耗尽。该类型的设备被广泛用在工业中，且可以在诸如石油钻机之类的各种位置中找到，用于监视制造过程以及诸如光伏之类的新兴技术。它们还可以用在消防中。一般而言，气体检测器包括将输出电压与特定气体的存在及其浓度相联系的某种设备。气体检测器通过它们所检测的气体的类型而分类：易燃或有毒。在该广泛分类内，通过它们所使用的技术来对它们进一步定义：催化和红外传感器检测易燃气体以及电化学和金属氧化物半导体技术。
可以扩展优选实施例的感测技术，以允许使用无源光纤网络来在多个点中监视气体的存在和浓度。气体检测器可以被并入到前述光学传感器中，且可以被输出为跨液晶感测设备互连的电信号。
图26图示了第一示意性气体检测器实施例，其中，该气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器。LC换能器是宽带的并且纤维布喇格光栅（FBG）被用于对测量进行复用。
图27图示了光学供能的气体传感器的第二示意图。LC换能器在宽带模式中操作并且FBG被用于对测量进行复用。
图28示意性图示了另一气体检测器布置，其中，气体检测器是无源的。从气体传感器离开的响应被放大，并且放大器是光学供能的。LC换能器是宽带的并且FBG被用于对测量进行复用。
图29示意性图示了另一气体检测器，其是无源的且直接连接到LC换能器。LC换能器是窄带的（窄带反射器）。
图30图示了具有多个气体传感器的对应气体监视系统。该气体传感器或放大器是光学供能的。系统中使用的LC换能器是宽带的，并且FBG被用于对测量进行复用。
图31示意性图示了替代的气体监视系统。该气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器。该系统中使用的LC换能器是宽带的，并且FBG被用于对测量进行复用。
图32示意性图示了另一替代的气体监视系统。气体检测器是无源的且直接连接到LC换能器。该系统中使用的LC换能器是窄带的。
解释
以下描述和附图利用附图标记来帮助受话者理解实施例的结构和功能。相似的附图标记在不同实施例中用于指明具有相同或类似功能和/或结构的特征。
需要作为整体且与本说明书中的关联文本一起查看附图。具体地，以下附图中的一些选择性地省略了在所有实例中包括所有特征，以关于被描述的具体特征提供更大的清楚性。尽管这样做是为了帮助读者，但是不应认为针对相关实施例的操作，那些特征未被公开或不被要求。
贯穿本说明书提及“一个实施例”或“一实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”贯穿本说明书在各处出现不一定全是指代同一实施例，但是可以指代同一实施例。此外，如对本领域普通技术人员来说将从本公开中显而易见的，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合这些特定特征、结构或特性。
类似地，应当意识到，在本发明的示例性实施例的以上描述中，有时将本发明的各种特征一起成组在单个实施例、图或其描述中，以用于精简本公开和帮助理解各种发明方面中的一个或多个的目的。然而，不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的发明需要比在每个权利要求中明确记载的特征更多的特征。相反，如所附权利要求书所反映的那样，发明方面在于单个上面公开的实施例的并非全部特征。因此，遵照具体实施方式的权利要求书特此明确地被并入到该具体实施方式中，其中每项权利要求独自作为本发明的单独实施例。
此外，如本领域技术人员将理解的，尽管本文描述的一些实施例包括在其他实施例中包括的一些特征而不包括其他特征，但是不同实施例的特征的组合意欲在本发明的范围内，并形成不同的实施例。例如，在所附权利要求书中，可以以任何组合使用任何所要求保护的实施例。
此外，一些实施例在本文中被描述为方法或者可由计算机系统的处理器或由实行功能的其他装置实现的方法的元素的组合。因此，具有用于实行这样的方法或方法的元素的必要指令的处理器形成用于实行该方法或方法的元素的装置。此外，设备实施例的本文描述的元素是用于出于实行本发明的目的而实行由所述元素执行的功能的装置的示例。
在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他实例中，未详细示出熟知的方法、结构和技术以免模糊对该描述的理解。
类似地，应当注意到，术语耦合当用在权利要求中时不应解释为限制于仅直接连接。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语不意图作为彼此的同义词。因此，设备A耦合到设备B的表达的范围不应限制于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。其意味着在A的输出与B的输入之间存在这样的路径，其可以是包括其他设备或装置的路径。“耦合”可以意指两个或更多元件直接物理或电接触，或者两个或更多元件不彼此直接接触但仍然彼此协作或交互。
因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选实施例的内容，但是本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的精神的情况下对其做出其他和进一步的修改，并且意图是，要求保护落入本发明的范围内的所有这样的改变和修改。例如，上文给出的任何公式仅表示可使用的过程。可以从框图中添加或删除功能，并且可以在功能框之间互换操作。可以在本发明的范围内对所描述的方法添加或删除步骤。

Claims (25)

1.一种测量电场中的波动的方法，所述方法包括以下步骤：
放置与电场通信的液晶设备，所述液晶设备具有其液晶双折射率以及对外部电场敏感的光轴的方向，所述液晶设备利用液晶材料，并且在所述液晶设备中，所述液晶材料展现对外部电场变化的线性电光响应；
接收非偏振的光学探测波束，将非偏振的光学探测波束转换成线性偏振的光学探测波束，利用线性偏振的光学探测波束来询问液晶设备的液晶以产生响应波束；以及
分析响应波束的偏振状态以提供电场中的对应波动的指示符；
其中，所述液晶材料的线性电光响应是通过选择线性偏振的光学探测波束与所述液晶材料的轴之间的预定角度来实现的，并且所述线性电光响应出现在0电场周围的区中。
2.如权利要求1所述的测量电场中的波动的方法，其中，所述液晶设备是在反射模式中被光学探测的。
3.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述液晶设备利用变形螺旋铁电液晶材料。
4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述液晶设备经由电极互连到天线设备，以用于扩大液晶设备经历的电场。
5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述液晶设备经由电极互连到压电传感器设备，以用于感测环境中的振动和/或压力。
6.如权利要求5所述的方法，其中，来自所述压电传感器的输出信号由放大器来放大。
7.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述液晶设备经由电极互连到气体泄漏检测器，以用于感测环境中气体的存在。
8.如权利要求7所述的方法，其中，来自所述气体泄漏检测器的输出信号由放大器来放大。
9.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述非偏振的光学探测波束经由单模纤维而馈送到所述液晶设备。
10.一种将电信号转换成光信号的传感器，包括：
光学输入探测器，用于输入非偏振的光学探测波束；
第一偏振器，用于将非偏振的光学探测波束转换成线性偏振的光学探测波束；
一对电极，用于将电压差转换成电场；
与电场通信的液晶设备，具有其液晶双折射率以及对外部电场敏感的光轴的方向，其中，所述液晶设备利用液晶材料，并且在所述液晶设备中，所述液晶材料展现对外部电场变化的线性电光响应，所述液晶设备连接到所述第一偏振器，以将线性偏振的光学探测波束透射通过液晶材料以产生具有更改的偏振状态的光学输出波束；
光学输出探测器，用于感测所述输出波束；以及
偏振状态感测设备，用于感测输出波束的更改的偏振状态，并由此确定与电场的状态的相互关系；
其中，所述液晶材料的线性电光响应是通过选择线性偏振的光学探测波束与所述液晶材料的轴之间的预定角度来实现的，并且所述线性电光响应出现在0施加电压周围的区中。
11.如权利要求10所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，液晶设备包括变形螺旋铁电液晶。
12.如前述权利要求10或11中任一项所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，所述液晶设备是在反射模式中操作的，其中光学输入探测器也形成光学输出探测器。
13.如前述权利要求10至11中任一项所述的将电信号转换成光信号的传感器，还包括：
天线设备，其连接到所述液晶设备，以用于扩大所述液晶材料经历的电场。
14.如前述权利要求10至11中任一项所述的将电信号转换成光信号的传感器，还包括：
压电传感器，其互连到所述液晶设备，以用于感测传感器的外部环境中的振动和/或压力。
15.如前述权利要求10至11中任一项所述的将电信号转换成光信号的传感器，还包括：
气体泄漏检测器，其互连到所述液晶设备，以用于感测传感器的外部环境中气体的存在。
16.如权利要求11所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，所述变形螺旋铁电液晶是关于所施加的电场在基本上线性的响应范围中利用的。
17.如权利要求16所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，所述液晶材料的轴是所述变形螺旋铁电液晶的螺旋轴。
18.如权利要求10所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，光学输入探测器通过在液晶设备的一个表面上形成的孔附着到液晶设备。
19.如权利要求18所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，光学输入探测器通过偏振层附着到所述液晶设备，并且所述偏振层以纳米网格或玻璃偏振器的形式被直接沉积在所述液晶设备的所述一个表面上。
20.如权利要求10所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，所述光学输入探测器包括单模引入纤维。
21.如权利要求16所述的将电信号转换成光信号的传感器，其中，所述光学输入探测器包括：
单模引入纤维；以及
偏振器，其互连到所述单模引入纤维。
22.一种将电信号转换成光信号的方法，所述方法包括以下步骤：
放置与波动电压通信的液晶设备，所述液晶设备具有其液晶双折射率以及其对波动电压敏感的光轴的方向，其中，所述液晶设备利用液晶材料，并且在所述液晶设备中，所述液晶材料展现对外部电场变化的线性电光响应；
利用具有已知偏振状态的光学探测波束来询问液晶设备的液晶材料以产生响应波束；以及
分析响应波束的偏振状态以提供电场中的对应波动的指示符；
其中，所述液晶材料的线性电光响应是通过选择光学探测波束与所述液晶材料的轴之间的预定角度来实现的，并且所述线性电光响应出现在0施加电压周围的区中。
23.一种光学感测系统，包括：
宽带光学输入源；
一系列传感器，用于将电信号转换成光信号，其互连到宽带输入源，每个传感器将电信号转换成光信号、将光学输入源映射到预定义的线性偏振状态源以及将预定义的线性偏振状态源透射通过内部液晶材料，由此产生具有更改的偏振状态的传感器输出波束，所述内部液晶材料具有其双折射率以及其对外部电场敏感的光轴的方向；
其中，所述液晶材料展现对外部电场变化的线性电光响应，所述液晶材料的线性电光响应是通过选择预定义的线性偏振状态源与所述液晶材料的轴之间的预定角度来实现的，并且所述线性电光响应出现在0施加电压周围的区中；
一系列偏振状态感测设备，用于感测传感器输出波束的更改的偏振状态；
一系列光学滤波元件，用于对预定波长范围的所述传感器输出波束进行滤波以产生一系列光学输出信道；
解复用元件，用于分离来自所述将电信号转换成光信号的一系列传感器的每个光学输出信道；以及
一系列光电检测器，用于测量光学输出信道并确定电场的对应波动。
24.如权利要求23所述的光学感测系统，其中，所述液晶设备是在反射中操作的。
25.如权利要求24所述的光学感测系统，其中，滤波元件被窄带反射器替换，所述窄带反射器作用于预定义的线性偏振状态源上以产生窄带传感器输出波束。
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