CN104884915A - 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术 - Google Patents

用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术 Download PDF

Info

Publication number
CN104884915A
CN104884915A CN201380053313.7A CN201380053313A CN104884915A CN 104884915 A CN104884915 A CN 104884915A CN 201380053313 A CN201380053313 A CN 201380053313A CN 104884915 A CN104884915 A CN 104884915A
Authority
CN
China
Prior art keywords
housing
optical
quality body
coil
proofing quality
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201380053313.7A
Other languages
English (en)
Inventor
布拉德利·迪安·艾文森
马修·雷蒙·克里斯滕森
凯撒·西奥多·加西亚
尼尔·艾伦·霍尔
艾登·古克鲁·奥纳兰
詹姆斯·科埃·施利克
艾哈迈德·札塔利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gui Yinzhen Co Ltd
Silicon Audio Inc
Original Assignee
Gui Yinzhen Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gui Yinzhen Co Ltd filed Critical Gui Yinzhen Co Ltd
Publication of CN104884915A publication Critical patent/CN104884915A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/181—Geophones
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/16—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring distance of clearance between spaced objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G01H9/006—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/132—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electromagnetic counterbalancing means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2611—Measuring inductance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/181—Geophones
    • G01V1/182—Geophones with moving coil
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V13/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices covered by groups G01V1/00 – G01V11/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

公开了一种装置，包括：壳体；在壳体内可移动的校样质量体；安装在壳体和校样质量体之一上的光学元件；在壳体和校样质量体中的另一个之上的反射元件；配置为照亮栅格和镜子的光源；以及一个或多个探测器，配置为探测通过从反射元件和衍射元件入射的光并且生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信号。

Description

用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2012年11月2日的美国临时申请No.61/721,903以及提交于2012年10月11日的美国临时专利申请No.61/712,652的权益，其所有内容通过引用在此并入。
本申请还涉及公布于2011年8月11日的美国专利公开号2011/0194711，公布于2011年8月11日的美国专利公开号2011/0194857，授权于2006年10月3日的美国专利号7,116,430，授权于2009年2月3日的美国专利号7,485,847，授权于2003年11月4日的美国专利号6,643,025以及授权于2004年6月22日的美国专利号6,753,969，所有内容通过引用在此并入。
技术领域
以下部分仅供作为信息参考之用。在本部分所包括的资料不应当被视为是本申请的现有技术。
在此公开的一些实施方式指向用于地震感测的系统、设备以及方法，例如适于用作地震检波器。地震检波器是一种将地面运动(位移、速度、加速度)转换为可以被记录在例如记录站或是传感器封包内的板上存储器中的电信号(例如，电压)的设备。所测量到的电压较之基准线的偏离被称为地震响应并且被分析从而确定地球的地表下结构。
背景技术
地震检波器可以是无源模拟设备，其包括例如在线圈内移动用以生成电子信号的弹簧安装的磁性物质。一些地震检波器可以基于微机电系统(MEMS)技术，其通过用于保持一小块硅的位置的有源反馈电路来对地面运动生成电子响应。
线圈/磁铁地震检波器的响应可以与地面速度成正比，而MEMS设备可以与加速度成比例地进行响应。MEMS设备可能较之线圈/磁铁地震检波器而言具有更高的噪音水平并由此限于使用在强烈运动或是活跃地震应用中。
地震检波器可以使用在反射地震学中用以记录由地下地质所反射的波能量，例如用于定位地下石油或天然气沉积。
发明内容
申请人研发了在此所描述的应用了光学读出技术来测量两种物质相对位移的设备、装置、系统以及方法。这些技术总体上可以被用于获取包括例如运动速率、速度、加速度等的关于这些物体的相对和/或绝对位置和/或运动的信息。
在示例性的例子中，在此所描述的概念可以被应用在地震传感器(例如，地震检波器)中用以测量由于地面运动而引起的两个质量体之间的相对位移，例如校样质量体(惯性参考框架)以及壳体。本公开的传感器可以被配置为例如具有可以提供相对位移的高敏感度读出的光学探测结构的加速计或是速度传感器。
传感器的光学探测结构可以包括干涉仪结构，其中来自光源的光被分为至少两个光束并且被导向沿着至少两条不同的路径行进。两条不同的路径可能具有取决于校样质量体和壳体的相对位移的光学路径长度差。光电探测器可以探测到通过合并所分割的光束而产生的干涉图形从而生成指示着干涉图形的信号。通过处理所生成的光学读出信号，有可能是与其它信号进行合并，传感器可以确定指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信息。
各种技术(例如，闭合环路反馈技术)可以连同光学读出一起用于提供优秀的传感器性能。例如，传感器的输出可以被改变以降低噪声、提供例如所需频率响应曲线的期望的感测性能、增加传感器的带宽、动态范围以及线性、达到临界阻尼、降低DC偏移和功耗、在很宽的信号频率(例如，在对于地震探索有用的低频)上对频率响应进行校准、稳定化以及平整、降低削波恢复时间等。本公开的一些实施方式通过对校样质量体施加反馈力从而调整了传感器的工作点。所述反馈力可以基于所测量到的位移信号并且可以响应于例如地面运动或是校准。
本公开的至少一个方面指向一种包括壳体的装置。该装置可以包括在壳体内可移动的校样质量体。该装置还可以包括光学传感器。所述光学传感器可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信号。
在一个实施方式中，光学传感器包括一个或多个光学元件。光学元件可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的光学干涉图形。
在一个实施方式中，该装置包括安装在壳体和校样质量体之一上的衍射光学元件。该装置还可以包括在壳体和校样质量体中的另一个之上的反射元件。该装置还可以包括配置为照亮光学元件和镜子的光源。该装置还可以包括一个或多个配置为探测干涉图形并且生成位移信号的探测器。可以通过从反射元件和衍射元件入射的合并光生成干涉图形。
在一个实施方式中，该装置包括配置为影响壳体和校样质量体的相对运动的电磁设备。所述相对运动至少部分基于位移信号而被影响。
在一个实施方式中，该电磁设备包括线圈。该线圈可以形成至少部分校样质量体。
在一个实施方式中，该装置可以包括配置为在壳体内提供磁场的磁体。
在一个实施方式中，该磁体包括永久磁体。
在一个实施方式中，该装置可以包括将校样质量体耦合到壳体的悬置系统。
在一个实施方式中，该悬置系统可以包括一个或多个弹簧。
在一个实施方式中，所述一个或多个弹簧可以包括十字形弹簧。
在一个实施方式中，所述校样质量体可以包括在核芯元件周围放置并且可以沿着核芯元件自由滑动的绕线筒。
在一个实施方式中，所述绕线筒由基本上非导电的材料制成。
在一个实施方式中，所述反射元件和衍射元件为面对彼此放置的平面组件。
在一个实施方式中，该装置可以包括至少一个配置为控制平面组件相对定向的致动器。
在一个实施方式中，该装置可以包括一个或多个配置为当存在机械冲击时防止平面组件彼此接触的设备。
在一个实施方式中，该平面组件之间间隔距离约为光学传感器所使用的光波长的50倍。
在一个实施方式中，该装置可以包括至少两个配置为生成位移信号的光学传感器。所述位移信号可以指示着校样质量体和壳体的相对位移。
在一个实施方式中，衍射元件配置为抑制光在反射元件和衍射元件之间多次反射。
在一个实施方式中，该装置配置为在相对于重力方向的任何空间定向上进行操作。
本公开的至少一个方面指向一种地震节点。该地震节点可以包括至少一个地震传感器，其可以包括该装置的一个实施方式。
在一个实施方式中，该至少一个地震传感器包括至少三个地震传感器，其中每个都与其它的传感器横向定位。
在一个实施方式中，该地震节点为自主海底节点。
本公开的至少一个方面指向一种方法。该方法包括提供该装置的一个实施方式并且测量校样质量体和壳体的相对位移。
在一个实施方式中，该方法包括将壳体耦合到地面。该方法可以包括至少部分基于测量校样质量体和壳体的相对位移而探测地震运动。
本公开的至少一个方面指向一种用于地震信号探测的系统。该系统可以包括该装置的一个实施方式。该系统还可以包括配置为或是设计为提供电信号到线圈的电子线路。
在一个实施方式中，该系统的数字信号处理器与地震传感器进行通信。
在一个实施方式中，输入到线圈的电流由低频调谐分量和动态分量组成。
在一个实施方式中，输入到线圈的电流由所测量到的光学信号来确定。
在一个实施方式中，输入到线圈的电流导致了与作用于线圈上的重力相反的力。
本公开的至少一个方面指向一种包括壳体以及在壳体内可移动的校样质量体。在一些实施方式中，该装置包括配置用以生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号的光学传感器。该装置可以包括配置用以影响壳体和校样质量体的相对运动的电磁设备。该装置可以包括配置为控制电磁设备的控制系统。该控制系统可以至少部分基于指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号来控制该电磁设备。
在一个实施方式中，光学传感器包括一个或多个光学元件。所述光学元件可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的光学干涉图形。
在一个实施方式中，该装置包括安装在壳体和校样质量体之一上的衍射光学元件。该装置可以包括在壳体和校样质量体中另一个上安装的反射元件。该装置可以包括配置为照亮光学元件和镜子的光源。该装置可以包括一个或多个配置为探测干涉图形并生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号的探测器。该干涉图形可以通过从反射元件和衍射元件入射的合并光生成。
在一个实施方式中，控制系统包括闭合环路反馈控制系统。该闭合环路反馈控制系统的错误信号可以至少部分基于指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号。
在一个实施方式中，该闭合环路反馈控制系统可以包括PD控制器或是PID控制器。
在一个实施方式中，该控制系统配置为有选择地控制电磁设备从而影响校样质量体和壳体的相对位移。该控制系统可以影响该相对位移从而使得壳体内的校样质量体的运动对应于过阻尼振荡器。
在一个实施方式中，指示着校样质量体的相对位移的信号是作为相对位移的函数的周期性信号。该周期性信号可以包括多个边纹。该控制系统可以配置为将校样质量体和壳体的相对位移锁定在对应于单一边纹的范围内。
在一个实施方式中，单一边纹包括最接近地对应于校样质量体和壳体的机械零位的边纹。
在一个实施方式中，该控制系统配置为有选择地切换闭合环路控制系统的极性从而使得系统从锁定到第一边纹的第一状态移动到锁定到第二边纹的第二状态。所述第二边纹相对于第二边纹而言可以对应于更为接近校样质量体和壳体系统的机械零位的位置。
在一个实施方式中，该控制系统配置为通过对电磁设备施加信号或是通过机械地致动校样质量体来改变系统所锁定的边纹。
在一个实施方式中，该控制系统配置为通过挂起闭合环路控制一段时间并且接着恢复闭合环路控制来改变系统所锁定的边纹。
在一个实施方式中，该电磁设备可以包括形成至少部分校样质量体的线圈。
在一个实施方式中，该装置包括配置为在壳体内提供磁场的磁体。
在一个实施方式中，干涉图形可以包括零阶峰值以及一个或多个更高阶峰值。所述一个或多个探测器可以包括配置为探测零阶峰值强度的第一探测器。该装置可以包括至少一个配置为探测第二阶峰值的第二探测器。
在一个实施方式中，指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号至少部分基于来自第一探测器和第二探测器的信号差而生成。
在一个实施方式中，利用独立的各个放大器对来自第一探测器和第二探测器中的每一个的信号进行放大。
在一个实施方式中，该独立的各个放大器可以包括可变增益放大器。
在一个实施方式中，该装置可以包括用于探测校样质量体和壳体的相对位置的第二传感器。该第二传感器可以具有较光学传感器而言小的空间解析度，然其大于光学传感器所使用的光的波长。
在一个实施方式中，该装置可以包括配置用以确定校样质量体和壳体的相对定向的定向传感器。可以基于来自定向传感器的信号至少部分地控制光学传感器的操作。
在一个实施方式中，该定向传感器包括配置用以生成指示着该装置的倾斜角的信息的传感器。
在一个实施方式中，该装置包括致动器。基于来自定向传感器的信号对该致动器进行控制。所述致动器可以配置为致动校样质量体和壳体的相对位移从而影响光学传感器的性能。
在一个实施方式中，该装置被配置为相应于重力方向的任意方向上工作。
在一个实施方式中，控制系统包括至少一个数字信号处理器。
本公开的至少一个方面指向一种包括至少一个包含了该装置一个实施方式的地震传感器的地震节点。
在该地震节点中，所述至少一个地震传感器可以包括至少三个地震传感器，其中每个都与其它的传感器横向定位。
在一个实施方式中，该地震节点为自主海底节点。
本公开的至少一个方面指向一种方法，该方法包括提供该装置的一个实施方式。该方法可以包括利用该装置测量校样质量体和壳体的相对位移。
在一个实施方式中，该方法可以包括将该装置的壳体耦合到地面。该方法可以包括至少部分基于测量校样质量体和壳体的相对位移来探测地震运动。
在本方法的一个实施方式中，该装置配置为在相对于地面的任何空间定向上进行操作。
在一个实施方式中，本方法包括将该装置放置在一位置处而并不控制该装置在该位置的定向。
在该方法的一个实施方式中，该位置为水下位置。
在各种实施方式中，任何上述的设备、技术、系统、元件、步骤等既可以单独使用，也可以任何合适的组合加以利用。
图说明
所附图仅用于示例之用且并未按照比例绘制。
图1A为具有光学读出的地震系统的一个实施方式的示意性示图；
图1B为具有光学读出的地震系统的一个实施方式的示意性透视图；
图1C为具有光学读出的地震系统的一个实施方式的侧横截面示意图；
图2为可以使用在地震系统中的传感器的一个实施方式的示意性功能框图；
图3A和图3B为根据一个实施方式的作为校样质量体和壳体的相对位移的函数的光电二极管阵列的输出电压的示意性绘图；
图4描述了根据一个实施方式的作为与机械零位的距离的函数的机械力和电压；
图5A和图5B为根据一个实施方式的非理想光学信号的示图；
图6描述了可以提供线圈极性切换从而有助于进行边纹选择的电子线路的一个实施方式；
图7-图9描述了根据一个实施方式的用于各种减损(subtraction)方案的电路实现；
图10描述了根据一个实施方式的用于调整增益的分流电阻技术；
图11描述了根据一个实施方式的可用于降低或是消除非调制光电流的逆电流注入技术；
图12描述了根据一个实施方式的用于改变开放环路系统阻尼的技术；
图13描述了根据一个实施方式的将来自光电板的光有效地导向栅格的系统；
图14A-B描述了根据一个实施方式的在显微干涉仪中利用衍射光栅对光束进行分割的概念；
图15描述了根据一个实施方式的、图13所描述光学系统的变体；
图16-图17描述了根据一个实施方式的可以用来在目标波长上提供增强性能的专门设计的栅格；
图18描述了传感器的实施方式。
具体实施方式
在此所公开的设备、装置、系统以及方法应用了光学读出技术来测量两个质量体的相对位移。在所描述的示例中，本公开的发明型概念可以被应用在地震传感器中从而对可能由于地面运动而引起的例如校样质量体(惯性参考框架)和壳体之间的相对位移进行测量。本公开的传感器可以例如被配置为加速计或是速度传感器，其具有可以提供相对位移的高敏感度读出的光学探测结构。
传感器的光学探测结构可以包括干涉仪结构，其中来自光源的光被分为至少两道光束并且沿着至少两个路径(例如在双路径干涉仪中)或是单路径(例如在共同路径干涉仪中)行进。两条不同的路径可能具有光学路径长度差，其取决于校样质量体和壳体的相对位移。光电探测器可以探测到通过将分割开的光束进行合并而生成的干涉图形并生成指示着该干涉图形的信号。通过对所生成的光学读出信号进行处理，可能与其他信号进行合并，传感器可以确定指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信息。
针对不同的目的可以对传感器的输出进行改变，包括例如降低噪声、提供例如所需频率响应曲线的期望的感测性能、增加传感器的带宽、动态范围以及线性、达到临界阻尼、降低DC偏移和功耗、进行校准、稳定化以及降低削波恢复时间等。本公开的一些实施方式通过对校样质量体施加反馈力从而调整了传感器的工作点。所述反馈力可以基于所测量到的位移信号并且可以响应于例如地面运动或是校准。
参照图1A，示出了具有光学读出的地震系统100的实施方式的示例性示图。系统100包括在磁场存在的情况下悬置的线圈缠绕的绕线筒105，其用作校样质量体结构。线圈110有助于磁性致动并且被缠绕着围绕在绕线筒上，使得存在两个电连接端子到线圈110。在一些实施方式中，绕线筒105通过弹簧115(例如十字形弹簧)而悬置。例如，弹簧115的内部环可以刚性地耦合到内部核芯135，而弹簧115的外部环则可以刚性地耦合到校样质量体结构或是绕线筒105。磁体130(例如环状磁体)以及磁体帽125也可以刚性地耦合到内部核芯135，其进一步刚性地耦合到作为系统100的外部壳的壳体140。壳体140可以为磁性渗透的并且完全是一个磁性电路。由磁体130提供的轴向极化磁场被磁体帽125导向横贯磁体帽125和壳体140之间的空隙，线圈绕线筒105位于此处。所得到的结构100允许线圈绕线筒105和壳体之间的相对运动。在操作中，当用作地震传感器时，壳体140和内部核芯135刚性地耦合到地面运动，而校样质量体线圈绕线筒105则相对于壳体140而言自由运动。对于本领域技术人员来说将会理解的是，在各种实施方式中可以使用其他合适的布置从而提供在磁场中相对于壳体而言自由运动的校样质量体。
为了探测并测量校样质量体105相对于壳体140的相对位移，系统100可以包括光电探测结构。该光电探测结构可以包括干涉仪结构，其中来自光源145(例如，激光或是发光二级管，如垂直腔表面发射激光器-“VCSEL”)的光160被分割并且被导致沿着至少两条不同的路径(例如I0，I+1和I-1)行进，该不同的路径具有取决于校样质量体105和壳体140的相对位移的光学路径长度差。例如，光源145可以发射光线Iin，其可以行进通过经由栅格支架155而刚性耦合到校样质量体105的衍射栅格150。光线Iin可以接着被刚性耦合到内部核芯135的镜子120反射并且行进回转通过衍射栅格150，此处在镜子120和衍射栅格150之间的空隙宽度为d122。衍射栅格150可以将光线160分割为光束I0，I+1和I-1。光电探测器125可以探测到取决于光学路径长度差(例如，I0，I+1和I-1中至少两个的差)产生的干涉图形。在一些实施方式中，当传感器被用于地震探测时，镜子120运动因此被耦合到地面运动。这种配置也可以反过来，从而衍射栅格150耦合到地面运动并且镜子120被耦合到校样质量体105。
在一些实施方式中，所示出的布置可以产生具有零阶峰值(I0)和两个一阶峰值(I+1或I-1)。在这个示意性的例子中，设置了三个光电二极管125来探测这些峰值的强度。零阶峰值(I0)的强度较之于两个一阶峰值(I+1或I-1)的强度的相对强度可以指示着校样质量体105和壳体140之间的位移。在其他的实施方式中，可以布置为产生具有多个更高阶峰值的干涉图形，并且可以配置多个光电二极管来探测峰值。
图1B示出了具有附加细节的系统100的透视图。图1C示出了图1B的系统的侧横截面图。总体来说，在一些实施方式中，系统100包括配置为生成(例如，利用激光或是发光二级管)、探测以及/或控制光束的光电印刷电路板(PCB)165。光电PCB可以耦合到壳体140从而PCB可以基于系统100的定向而相对于地表面倾斜。系统100可以包括光电二极管阵列(PDA)170，其配置为用作位置传感器。PDA170可以包括多个能够将光转换为电流或是电压的光电探测器(例如光电二极管)。系统100可以包括聚焦透镜175，其配置为将发射自光源145的光束160在其行进通过衍射栅格150之前进行聚焦。
仍然参照图1B和图1C，更进一步地，校样质量体绕线筒105可以包括纺锤体或是圆柱，线圈110缠绕在其上。绕线筒105可以部分、基本上、甚至全部采用非导电或是弱导电材料，例如铝，来制成。例如，绕线筒105可以采用可以降低或是消除涡流阻尼的材料制成。
线圈110可以缠绕或是围绕在绕线筒105上，从而有两个到线圈的连接端子可以用以接收电流。线圈110可以用任何能够被缠绕在绕线筒上并且可以导电的导线或材料制成。
系统100可以包括配置用于悬置绕线筒105的弹簧115。在一些实施方式中，系统100包括一个或多个弹簧115耦合到绕线筒105的底部以及刚性内核芯135，并且一个或多个弹簧耦合到绕线筒105的顶部以及刚性内核芯135。在一些实施方式中，弹簧115可以包括，例如十字形弹簧、压缩弹簧、锥形压缩弹簧、扭力弹簧、圆筒形弹簧、托弹簧、空气弹簧、弹簧片、微弹簧、橡胶弹簧、聚氨酯压缩弹簧、弯曲或波垫圈、三叶穹顶以及/或波形弹簧。在一些实施方式中，弹簧115包括采用铍铜合金或铬镍铁合金的非铁以及/或非磁性材料制成的3臂十字形弹簧。
在一些实施方式中，系统100包括刚性耦合到内部核芯135的镜子120，其可以反射来自光源145的光束160。例如，光学元件(例如，栅格)以及镜子可以放置得紧密接近，例如小于用于探测位移的光的光学波长的200倍、100倍或是小于其50倍。镜子120可以被配置为反射光束160的一个或多个波长。在一些实施方式中，镜子120为具有平坦表面的平面镜，而在另一些实施方式中，镜子120可能包括曲面镜(例如，凹面)从而将光束160进行聚焦。镜子120针对在选择的范围内的光波长来说可能具有至少90％、95％、至少99％的反射率。在一些实施方式中，镜子120可能包括光学涂层从而改变镜片反射光束160的方式。例如，镜子120可能包括高反射涂层，其可以被用于产生反射所接收到的光束160的99.99％以上的镜子，并且/或者有选择地反射在某些波长范围上的光。
在一些实施方式中，系统100包括刚性耦合到内部核芯135的磁体130，内部核芯135反过来又刚性耦合到壳体140。在一些实施方式中，磁体130可能没有直接耦合到内部核芯，而是耦合到可能被耦合到内部核芯135的端部帽125上。磁体130可以配置为提供轴向极化磁场横贯磁体帽(或端部帽)125与壳体140之间的空隙。磁体130可以配置为响应于绕线筒105相对于壳体140的运动生成强电场。在一些实施方式中，磁体130包括永久磁铁，例如稀土磁体(例如，钕合金、硼铁、钐钴)。在一些实施方式中，磁体130可以包括环形磁体，其中内部环形可以刚性地耦合到内部核芯135。在其他的实施方式中，磁体130可以包括盘形磁体、圆柱形磁体、块状磁体、杯状磁体、或是配置用于提供能够实现在此公开的功能的磁场的常规性状磁体。
在一些实施方式中，磁体帽或端部帽125可以被放置在磁体130之上和/或之下。端部帽125可以耦合到内部核芯135以及/或磁体130。在一些实施方式中，磁体帽125配置为将由磁体130提供的磁场导向横贯端部帽125和壳体140之间的空隙，绕线筒105位于此处。端部帽125可以配置为各种形状从而使得端部帽125可以被放置在磁体130之上和/或之下。例如，如果磁体130为环状磁体，端部帽125可以采用与磁体130相同的环形形状。然而，在各种其他的配置中，端部帽125可以配置为提供在这里所公开的功能性而不用仿制磁体130的形状。
在一些实施方式中，系统100可以包括内部核芯135。该内部核芯135可以刚性耦合到壳体140，磁体130以及/或端部帽125。在一些实施方式中，内部核芯可以采用例如铝的低磁导率材料制成。内部核芯135可以配置为各种形状从而提供在此公开的功能性。例如，内部核芯135可以包括伸长的柱状部分以及耦合到壳体140的凸缘。
在一些实施方式中，系统100包括可以用作传感器外壳的壳体140。壳体140可以采用磁渗透性材料制成从而完整磁路。例如，壳体140可以具有例如足以支持磁体130所提供的磁场的磁渗透性(例如采用铝)。在其他的实施方式中，壳体可以采用非磁非铁材料制成并且配置为提供结构支撑以及/或者将系统100的一个或多个元件耦合到外部环境。例如，壳体140可以将系统100的一个组件耦合到外部地面运动、波动、振动、脉冲、外力或是任何其他具有加速度以及/或速度分量的移动或运动。
在一些实施方式中，系统100包括配置为提供波长在波长范围(例如，850nm+/-1nm)之内的光束160的光源145。例如，在一些实施方式中，光源145可以包括激光或发光二级管。在一些实施方式中，光源可以是固态激光器，例如垂直腔表面发射激光器。在各种实施方式中可以使用任何其他适合的激光源。
系统100可以包括衍射栅格150，其配置为影响由光源145提供的光束160。
在一些实施方式中，系统100包括耦合到绕线圈105的栅格支架155并且配置为支撑衍射栅格150。栅格支架155可以相对于镜子120移动。
在一些实施方式中，系统100包括一个或多个聚焦透镜175配置为对光束160进行聚焦。
在一些实施方式中，系统100包括光电PCB165。在一些实施方式中，光电PCB165可以刚性耦合到壳体140。在另一些实施方式中，光电PCB165可以允许光电PCB165倾斜或是相对于壳体140移动的方式耦合到壳体140。
在一些实施方式中，系统100包括耦合到光电PCB165的光电二极管阵列170。该光电二极管阵列170可以配置为接收反射自镜子120的一个或多个光束160并且进一步配置为探测所接收到的光束的一个方面。例如，光电二极管阵列170可以包括多个光电探测器配置用以探测接收到的光强度并且确定所接收到的光的位置。所探测到的光数据可以产生可用以生成干涉图形的电信号(例如，电压/电流)。在一些实施方式中，光电二极管阵列170包括单一维度的多个光电探测器或是光电二极管。在一些实施方式中，该光电二极管可以包括具有PIN结或是p-n结的半导体二极管。
参照图2，示出了图1A-图1B的传感器的一些实施方式的示意性功能性框图，其中强调了读出电子线路200。该读出电子线路200可以相通讯地并且/或者电气地耦合到包括了线圈110、光源145以及光电二极管阵列170的传感器组件202。在一些实施方式中，来自光电二极管阵列170的光输出到读出电子线路200，此处信号被处理以生成指示着校样质量体105和壳体140的相对位移的信号(如示出的，产生了加速度信号)。两端子线圈连接110(或其他合适的电气连接)可以被电气地连接到读出电子线路200，其可配置为基于所测量的位移信号将反馈力施加到校样质量体105从而可以调整传感器的工作点。
在一些实施方式中，读出电子线路包括配置为基于所测量的位移信号将反馈力施加到校样质量体105的力反馈电路205。
在一些实施方式中，读出电子线路200包括一个或多个精确电压参考210。该精确电压参考210可以位于读出电子线路200和/或系统100的外部或是内部。精确电压参考210可以配置为提供精确的电压参考供系统100和/或读出电子线路200的一个或多个组件使用。例如，MCU220可以利用精确电压来帮助将模拟信号转换为数字信号(例如，ADC功能性)。在另一个示例中，精确电压参考210可以通过电阻被耦合到光源145并且对光源145进行供能。精确电压参考210可以包括一个或多个组件，例如电阻、电感、电容、运算放大器、晶体管、半导体等，配置用以提供精确电压。
在一些实施方式中，读出电子线路200包括一个或多个耦合到一个或多个光电探测器以及/或光电二极管阵列170的跨阻抗放大器215。在一些实施方式中，该跨阻抗放大器215可以配置为将从光电二极管阵列170接收到的电流转换为电压。
在一些实施方式中，读出电子线路200包括配置用以从读出电子线路200的一个或多个组件，包括例如跨阻抗放大器215以及力反馈电路205接收输入并且向这些组件提供输出的微控制器单元(“MCU”)220。该MCU220可以包括多个管脚用以接收并且/或输出模拟以及/或数字信号。模拟输出管脚可以包括，例如针对在X、Y以及Z方向上的正向和负向加速度中的每一个的管脚。
在一些实施方式中，MCU220包括模拟-数字转换器(“ADC”)配置用于接收模拟信号(例如，来自光电二极管阵列170以及/或跨阻抗放大器215的连续光学输出电压/电流)并且将模拟信号转换为与模拟信号的振幅成比例并且/或者代表模拟信号的数字值。在一些实施方式中，MCU220包括线性ADC，因此，输入值的范围可以具有与输出值的线性关系。MCU220可以配置为以一个或多个采样率对模拟信号进行采样，采样率包括例如250Hz、500Hz和1kHz。模拟信号可以24bit、26bit或32bit的分辨率进行采样。传感器可以利用从6V到17V变化的供给电压以5V/g的敏感度对电压进行加速。传感器的通带可以从.01Hz到3kHz。
在一些实施方式中，MCU220可以包括比例-积分-微分控制器(“PID控制器”)以及/或是比例-微分控制器(“PD控制器”)或是其他配置为提供反馈控制器功能性的控制器。例如，MCU220可以将“错误”值计算为指示着所测量的过程变量(例如，所测量的校样质量体105相对于壳体140的位移)的输出电压与期望的设定点(例如，对应于边纹“锁定”以及/或机械零位)之间的差。MCU220可以试图通过调整过程控制输入(例如，线圈110所施加的有效弹簧力)将错误最小化。
在一些实施方式中，MCU220可以配置为将系统100被控制为在图3A的输出电压曲线305上工作。
参照图3A，示出了作为校样质量体105和壳体140相对位移的函数的光电二极管阵列170的输出电压305的示意性绘图。例如，输出电压305可以对应于零阶衍射峰值(I0)以及一阶衍射峰值(I-1和I+1)的相对强度。输出电压305可以为周期性的(例如示出为正弦曲线)，其周期与用以生成干涉图形的光160的波长倒数成正比。如在此所使用的，术语边纹315可以指代输出电压信号的一个半周期。
在各种实施方式中，在操作中，可能期望系统在对应于单边纹315的位移范围内进行操作。在一些实施方式中，可能期望系统在对应于单边纹的部分(如图3B的参考标号325所示)的位移范围内操作，此处输出电压作为位移的函数而基本上或至少接近于线性地变化。
在一些实施方式中，可能进一步期望系统在对应于位于机械零位320处的单边纹315的位移范围内操作。例如，在机械零位320处的边纹可能产生等于或是接近零伏特的光学输出，其可能降低功耗。随着系统100在远离机械零位的边纹处操作，机械弹簧力增加并且因此DC偏移同样增加。该DC偏移的增加还可能导致在模拟-数字转换器(ADC)中的不利于动态范围的问题。
在绘图中可见，位移被索引至系统100的“机械零位”320。当没有反馈电流施加到线圈110时，弹簧质量体系统可以由于例如地面运动而振动。在这种状况下，系统100可以具有相对高的质量(“Q”)因子(例如具有低阻尼系数的欠阻尼系统)并且可以主要以自然频率进行振荡。校样质量体105的平均位置由倾斜角确定，例如，沿着系统100的运动方向的在弹簧质量体系统上的拉伸重力。这可以被视为弹簧115的自然静止点并且被称为“机械零位”320。通过开启反馈控制系统，如这里进一步讨论的，Q因子将会降低，产生具有高阻尼系数的过阻尼系统。这可能导致系统100较少受到噪音影响导致的振荡，例如，系统在平衡时可能不会振荡或是具有最小的振荡频率，并且当由于(例如地面运动)发生位移时也会通过指数式衰减来返回到平衡状态。在一些实施方式中，系统可以具有在0.1-5之间的Q因子(其中Q因子＝1/2*阻尼因子)。
如图3A所示的输出电压响应曲线305可能是响应曲线的理想版本。在一些实施方式中，输出电压响应曲线305可以被修改，例如通过根据镜子120和衍射栅格150之间空隙距离的包络函数而被修改。相应地，边纹315可能具有不同的光学调制。这里所使用的针对给定边纹的光学调制指的是光学曲线的峰-峰摆动归一化到光学曲线的峰值，通常对应于机械零位(100％为完美的调制，大于30％则对于典型的传感器操作来说具有优势)。在各种实施方式中，利用这里所描述的技术，系统可以锁定到具有至少30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或者更多的光学调制(例如在30％-100％或其任何子范围的范围内)的边纹315。
在一些实施方式中，给定的边纹315可能具有例如由光学系统的缺陷所导致的非线性或是其他不期望的特征或是伪像(artifact)。
校样质量体105位移的量取决于地面运动，但是在一些实施方式中即使静止的环境中也有可能在缺乏力反馈的情况下移动多个光学边纹315的等效距离。相应地，反馈线圈110被用来将传感器保持或是“锁定”在期望的工作点以及位移范围。
参照图3B，在一些实施方式中，当传感器被供电，控制系统MCU220(如图2所示)可以配置为将系统100锁定在一个光学边纹325上。MCU220可以提供比例-微分“PD”控制器、比例-积分-微分控制器或是其他合适的控制器的功能性。在一些实施方式中，控制器可以设计为在一个或多个斜坡上进行操作，并且其以类似于具有充分大于开放环路系统的自然频率的自然频率的阻尼质量体弹簧系统的方式来工作。注意到，在各种实施方式中，系统可以基于反馈环路选定的极性从而在光学曲线的一个边纹315的正坡度或负坡度上进行操作。示例性的反馈环路实施例如图6-图8所示。
在一些实施方式中，锁定的初始边纹由传感器开启后的校样质量体105的位置所确定。自然地，其通常位于接近机械零位处，但是确切的位置可以变化。
如图4所示，由弹簧115所施加的机械力的量至少部分取决于校样质量体105相对于机械零位320的相对位置，并且由反馈线圈110所施加的力的量可以由光学系统的输出来确定。例如，为了在或是接近机械零位进行操作，系统可以应用偏移功率(例如，DC偏移或是电流偏移)使得校样质量体105在或是接近机械零位操作或是在边纹内操作。当系统100在非理想边纹(例如，位于一个或多个离开机械零位320的边纹处)处操作，传感器的性能可能受到负面影响。例如，增加的偏移电压可能意味着降低的动态范围、增加的功耗以及降低的随机强度噪音消除。
相应地，在某些情况下，系统配置为在最为接近机械零位320的边纹处操作从而使得机械弹簧力和偏移电压最小化。然而，在某些情况下，可能希望在离开机械零位的边纹处操作。例如，在最接近机械零位的边纹处的输出响应可能由于某些系统中光学镜片的缺陷而扭曲，然而另一个边纹相对而言不太糟糕。在这种情况下，可能会希望在后一个边纹处进行操作。
通过读取偏移电压可以对操作边纹进行监视，并且可以响应于在此所描述的各种条件而采用多种方法对其进行改变。例如，系统100可能经历由于弹簧设置、温度膨胀等导致的加速度所引起的机械漂移。参照图3A，漂移可能导致电压输出曲线305在两个方向上横向平移。当施加了力反馈，系统100可以锁定在一个边纹上。然而，当机械漂移发生时，该边纹可能漂移至远离理想的边纹，从而导致反馈线圈110偏移电压的漂移。在此描述的技术可以通过将工作点从漂移的边纹移位回到更接近于机械零位的边纹来修正漂移。
在一些实施方式中，如果传感器接收到足够大的信号从而压倒了控制系统(例如，临时的机械冲击)，校样质量体105可能会移动越过其操作所位于的边纹。这可能会导致控制系统不再作为过阻尼机械振荡器来操作。取而代之的是，传感器可能展示出开放环路特性(例如在开放环路自然频率处振荡)。随着输入加速度安定下来，系统可以重新锁定到边纹。该边纹可能是也可能不是理想的，并且可能具有实质性的偏移电压。在此描述的技术可以通过将工作点从漂移的边纹移位回到更接近于机械零位的边纹来修正漂移。
图5A为根据一个实施方式的光学信号非理想性(例如，非线性以及衰减的包络)的说明性的示图。在该说明中，该示图针对光学信号水平505和总光学功率510绘制出了光学信号水平(伏特)关于镜子到栅格间隙宽度(微米)的关系图。参考回图1A所示的实施方式，镜子到栅格间隙宽度可以是镜子120到衍射栅格150之间的距离122。
在本例子中，当镜子到栅格间隙宽度122在0到接近70微米之间时，系统可能展现出非线性的光学特性，此时光学信号水平505具有高达-0.8伏特到0.8伏特甚至更高的包络，并且在该包络之间振荡。相应地，对应的总光学功率图510显示出在该非线性区域内变化的光学功率。该非线性光学线性特性区域515可以是一个或多个包括例如内部反射的因素的结果。在区域515内，随着间隙宽度122从0增长到70微米，包络可能从-0.8伏特到0.8伏特衰减到将近-0.6伏特到0.6伏特。
之后，当间隙宽度122增加到超过约70微米时，系统可能达到静态平衡，此时校样质量体落入满意的工作窗口520之中。在这个例子中，当间隙宽度122在将近85微米到将近150微米之间时，系统可以在静态平衡下操作。进一步，在操作窗520中的总光学功率510在例如将近200微瓦特处保持稳定。随着间隙宽度增加到大于150微米，光学信号持续衰减，如区域525所示。
图5B示出了光学曲线的放大视图，其突出了从非线性区域515过渡到操作窗区域520的光学信号。区域540代表了非线性区域515和操作窗区域520之间的区域，此处包络开始实质性地衰减，但是还没有到达静态平衡。
边纹选择技术
如上所述，随着系统100在远离机械零位的边纹操作，机械弹簧力增加，其可以增加DC偏移。在一些实施方式中，当例如利用模拟到数字转换器(ADC)将模拟光学读出信号转换为数字信号时，增加的DC偏移可能增加功率消耗并且不利地影响动态范围。进一步，取决于光学系统的性能，一些边纹可能不够线性并且/或者不具有足够的光学调制。
参照图6，示出了用来提供线圈极性切换从而允许边纹选择的电子线路。该电路可以包括两个通过开关或切换开关620和625耦合到线圈110的相对端的正极线圈驱动605和615，以及通过该开关620和625耦合到正极线圈驱动605和615二者的负极线圈驱动610。当反馈线圈110的极性通过开关620和625进行反转时，系统100的工作点移动到输出电压响应曲线的最接近的相对极斜坡。由于机械弹簧115在机械零位的方向上施加力，系统可以在该方向上移动一个边纹。该系统在两个极性处都稳定。
该过程可以重复，每重复一次就跳跃一个边纹，直到系统100到达期望的边纹，例如到达或是接近机械零位的边纹。在该边纹上的操作可能产生较低的DC偏移并且在最大化动态范围的同时降低功耗。
在各种实施方式中，可以通过使用模拟开关(例如，MOSFET晶体管)、继电器或任何其他电子开关技术620来完成切换。这种切换技术620可以通过微控制器、模拟电路、数字电路或任何其他类型的包括在读出电子线路200中的逻辑来启动。
注意到的是，极性切换仅仅将质量体朝向机械零位处移动。这对于降低偏移是有利的，但是可能对于边纹线性或是调制问题来说没有提供解决方案。
在一些实施方式中，所选择的边纹可以通过施加到线圈110的注入电流来向着机械零位或是离开机械零位来调整。例如，为了降低偏移，质量体可以被推到更加接近于机械零位的边纹。在另一个实施方式中，如果传感器所操作的边纹具有较差的线性或调制，浪涌电流可以用来将质量体推到具有较佳性能的附近边纹。通过发送暂时性压倒反馈系统的足够大的浪涌电流来通过线圈，该浪涌电流可以调整边纹。可以对注入电流脉冲进行校准从而将质量体在两个方向上推送数个边纹。在一些实施方式中，系统100可以降低环路增益从而有助于调整操作边纹。在一些实施方式中，可以通过机械性地移动校样质量体，例如通过机械随动系统，来调整操作边纹。
在一些实施方式中，可以通过利用开放环路切换来完成边纹选择。通过将反馈环路打开，系统可以通过其开放环路传递函数来对地面运动做出响应。当再次应用反馈控制时，系统可以接着将边纹锁定在最接近的工作点，其可能接近机械零位。开放环路切换可以采用多种方式来实施，包括例如：(利用开关、继电器等)临时性地断开反馈环路、(例如通过禁用激光器或光电探测器)临时性地禁用光学位移感测、或是临时性地将功率降低或从系统移开。总体上，开放环路切换具有优势之处在于其易于实施，然而对控制所产生的操作边纹却能力有限。
边纹计数
为了系统确定何时改变边纹，例如利用下面所描述的技术来提供分析当前边纹状态的能力。
对于仅仅期望电压偏移降低的应用来说，系统可以利用任何合适的技术，例如利用微控制器、比较器、伏特计等，通过读取DC偏移来监视边纹位置。
在一些实施方式中，系统100包括第二探测器，配置用于测量壳体和校样质量体之间的位移(例如通过测量如图1所示的镜子和栅格之间的间隙)。该第二探测器可以配置用以解决在对应于激光器波长的距离处的位移。这种技术在用来锁定到边纹的反馈环路中使用了积分器的情况下尤为有用。积分器可以将DC偏移电压从输出中移除(无需使用DC偏移监视)，但是不能解决将质量体从其自然静止点电磁地保持开来所牵涉的所有固有问题，例如增加的功耗。在这种情况下，第二探测器可以用来确定该系统是否在离开机械零位的边纹处操作，并且相应地进行调整。
在一些实施方式中，系统100可以评估边纹质量，例如辨识边纹中的非线性或是不良的调制。例如，可以通过对光学响应曲线进行扫描来确定边纹的调制效率或是线性。可以通过打开反馈环路，并且致动校样质量体使其穿过多个边纹并同时测量来自光学读出系统的生成的输出电压来实现光学扫描。可以利用任何适合的技术，例如利用ADC、比较器结构、施密特触发器等来对所产生的波形进行分析。从该结果，可以确定边纹的调制效率以及线性。在一些实施方式中，利用传感器内部的组件在对传感器进行布局时周期性地进行光学扫描。在一个实施方式中，在进行布局之前例如利用外部测试设置来进行光学扫描，并且将结果存储在传感器的板上以供使用。
光电流减损
如参照图1和图2所描述的，在一些实施方式中，基于光学干涉图形的内部(零阶)和外部(一阶)光学阶之间的差值来确定校样质量体位置信号。在一些实施方式中，读出电子线路200可以配置为确定该差值。该差值信号代表了系统的输出以及反馈环路错误信号。在一些实施方式中，激光器的随机噪声强度(RIN)将在每一阶被捕获。减损这些信号有助于抵消RIN。
图7-图9示出了用于各种减损结构的电路实施。总的看来，图7-图8示出了每个光电流可以被独立放大并且调节的技术的实施方式。例如，图7描述了差分线圈驱动技术的实施方式，其中两个光学阶705和710可以放置在反馈线圈110的相对端并且系统输出(加速度，速度等)可以表现为平衡的信号对并且被馈送到差分放大器中。在另一个例子中，图8描述了有源光电流减损技术的实施方式，其中两个产生的电压可以接着在模拟或数字电路中被减损，该模拟电路或是数字电路可接地参考或是差分，并且可以提供放大。在另一个示例中，图9描述了无源光电流减损的实施方式，其中来自每个光学阶的光电流可以相反的极性而平行放置。
参照图7，并进一步阐释，该电路可以包括多个对应于第一光学阶的光电二极管705和对应于第零光学阶的光电二极管710。例如，第一光学阶可以包括两个可以被两个光电二极管探测到的峰值而第零光学阶可以包括一个被单一光电二极管探测到的峰值。第一光学阶的光电二极管705可以耦合到运算放大器720的V-或是反相端。可由耦合到非反相输入端和Vout的电阻和715(例如，可以调整跨阻抗增益的电阻或是模拟或数字可变电阻/电位计)提供负反馈。类似地，对应于第零光学阶710的光电二极管的输出可以耦合到运算放大器725的非反相输入。运算放大器725可以包括耦合到非反相输入端和Vout的负反馈晶体管730(例如，可以调整跨阻抗增益的电阻或是模拟或数字可变电阻/电位计)。运算放大器的输出被导向用于被提供到线圈110的信号的闭合环路控制的反馈网络740和735。
图8示出了有源光电流减损技术。代表光学阶1的705和光学阶0的710的光电流被独立地放大和调节。例如，光学阶1705光电流可以通过放大器720进行放大和调节，并且光学阶0光电流710可以通过放大器725进行放大和调节。接着在模拟或数字电路中对得到的两个电压进行减损。这种电路可接地参考或是差分，并且还可以应用放大。例如，通过差分放大器810可以得到所产生电压之间的差值。运算放大器810的输出被导向用于被提供到线圈110的信号的闭合环路控制的反馈网络815。
图9示出了无源光电流减损技术。来自每个光学阶的光电流可以相反的极性而平行设置。例如，代表光学阶1705的光电流与代表光学阶0710的光电流相平行。光电流705和710之间在电流域产生差值并且所得到的差值电流可以接着在单一放大器(例如，跨阻抗放大器-“TIA”)720和715中被放大，产生输出以及反馈电压。放大器720的输出被导向用于被提供到线圈110的信号的闭合环路控制的反馈网络905。
调制修正
如上所述，在一些实施方式中，所有的边纹并非具有相同的探测敏感度。边纹探测敏感度(例如安培数/m/s/s)可能基于镜子/栅格间隙(倾斜角)、制备容差以及/或其他因素而发生变化。随着镜子和栅格之间的间隙增加，探测敏感度降低。由此，当传感器放置的定向使得重力将栅格和镜子拉伸开来时探测敏感度可能会衰退。探测敏感度的变化影响了闭合环路系统的动态范围。
在一些实施方式中，干涉图形中的每一阶所接收到的光电流量可能不相等。这可能由于设计、制备容差、倾斜角以及其他问题而变化。如果光电流信号不平衡，由于更敏感的阶更易于钳位住放大器，因此系统的动态范围会受损。其次，当每一阶相等时，可以改善或是最大化RIN抵消(如上参照光电流减损所描述的)。
有若干技术可以用来减缓或消除这些问题，包括，例如可变TIA增益、后置-TIA增益、分流电阻、后置-TIA电压分割器、或是电流镜/有源光电流平衡结构。例如，在可变TIA增益级，可以通过放置在TIA反馈环路中的可变电阻或是电位计提供可变增益放大。在一些实施方式中，其他的可编程增益放大器结构、合适的逻辑元件或是其他控制电子线路可以相应地设置TIA增益。图7和图8示出了其中针对零阶光电二极管和一阶光电二极管对提供了分离的可变增益TIA(例如，715和730)的技术。图9示出了其中在零阶光电流和一阶光电流在电流域中被减损之后所提供的可变增益TIA715的机制。
图10示出了根据一个实施方式的用以调整TIA增益的分流电阻技术。在该描述中，电阻1015和1010(例如，可变电阻或是电位计)可以与一个或是两个光电二极管平行放置从而按照需求虹吸出光电流从而平衡两个阶。
其他的技术可以包括后置-TIA增益级，其中可以利用相似的方法在TIA之后放置附加的可变增益级；包括后置-TIA电压分配器，其中可在TIA级之后(但是在减损之前)放置可变电压分配器用以调整光电压直到零阶和一阶信号平衡；以及包括电流镜/有源光电流平衡结构或是任何其他设计用来平衡光电流的合适的有源电路。
非调制的光电流消除
对本领域技术人员来说明显的是，在一些实施方式中，探测光电二极管输出将包括不是栅格和镜子位置函数的非调制光电流组分。该组分可能由例如在传感器壳体内的杂散光导致(例如，来自光学系统的二次反射)。这种非调制光电流不像信号一样有用，然而却由TIA进行了放大，并且导致放大器进行削波。
在各种实施方式中，下述技术可用来降低或是消除非调制光电流。
在一些实施方式中，无源光电流减损可用来降低或是消除电流域中的恒定光电流，防止了放大器电路带来的问题。
图11描述了根据一个实施方式的可以用来降低或是消除非调制光电流的逆电流注入技术。如所示出的，电流源1105和1110(利用任何合适的拓扑结构，可能地为可变的)可以被放置为与每一个光电流信号705和710平行从而去除非调制或是恒定组分。所产生的独立调节的光电流可以通过放大器1115和1125来独立地进行放大。
在一些实施方式中，除了上述技术或是替代上述技术的是，放大器电压可以增加从而放大器不再削波，为削波问题提供了“强力”解决方案。
可切换的涡电流阻尼“手闸”
图12描述了根据一个实施方式的用于改变开放环路系统的阻尼的技术。如上所述，在一些情况下希望关闭闭合环路反馈并且允许系统在开放环路下运行，并且/或是实时改变开放环路系统的阻尼。如图12所示，并且在一些实施方式中，通过将线圈110分接到阻尼电阻1205可以提供可变的开放环路阻尼。该阻尼电阻1205可以是可变的，并且其可以与例如模拟开关或是继电器的开关元件1210串行放置。开关元件1210可以利用如所选择的工作周期或是所选择的频率进行调制。当分流电阻被切换进电路时，提供了增加的阻尼，从而作为机械系统的所谓“手闸”进行操作。
这种手闸可以被使用在多种包括下述的应用中。当利用线圈极性切换(例如，用于边纹选择)从而防止不希望的振荡时，手闸可以被激活。当系统接收到大信号(例如临时机械冲击)时手闸可以被激活从而辅助削波恢复。当系统关闭从而降低航行过程中由于振动所导致的损坏时，手闸可以被激活。如果系统变得不稳定或是振荡时，手闸可以被激活。
环路增益的实时调整
在一些应用中，可能希望实时精确地调整系统中环路增益的量。在一些实施方式中，确定环路增益的反馈网络可以包括可变的组件。此外，模拟开关或是继电器可以被放置在反馈环路中并且以工作周期和频率进行切换。
应用包括当试图如上面“倾斜边纹选择”一节中所述的重新定位校样质量体时降低环路增益。这降低了压倒反馈系统所需力的量。同样，当从开放环路过渡到闭合环路(例如在开启电源后)，环路增益可以稳定地增加而不是突然开启到其全值。
在一些实施方式中，具有优势的是通过调整传感器的设定点或是工作点来测量并且控制栅格和镜子之间的标称间隙。例如，在一些实施方式中，由于校样质量体自身的重量而存在自然垂度。垂度的水平取决于传感器的定向和倾角。对于传感器而言具有优势的是无论如何倾斜都能到达相同的工作点，并且这种“倾斜补偿”可以通过下述一个或多个技术来获得。作为感测垂度的一种方式，可以使用次传感器(例如测斜计)来感测与垂度相关联的倾角。作为感测垂度的一种方式，将光学读出光的波长用作长度测量从而通过光学曲线的周期性特性来设定优选间隙。作为控制栅格和镜子之间的标称间隙的一种方法，利用任何适合的致动器(即，压电体、磁体线圈、静电场、电机驱动、气动件)来对衍射光学元件进行致动从而达到标称间隙距离。作为控制栅格和镜子之间标称间隙间距的一种方法，利用任何合适的致动器(即，压电体、磁体线圈、静电场、电机驱动、气动件)来对镜子进行致动从而达到标称间隙距离。作为控制垂度的一种方法，可以利用电流来驱动绕线筒上的线圈从而使绕线筒漂浮在希望的位置。
在此所描述的各种实施方式利用了安装在校样质量体和壳体的光学元件(例如，镜子和栅格)来提供校样质量体和壳体之间相对位移的光学读出。这些光学元件可以包括各种特征或是技术来提供光学读出。例如，光学元件可以包括在光学透明基板上的刻划栅格用于将光分割为两束(反射光束和透射光束)。基板可以利用抗反射涂层制备成透明的。在一些实施方式中，刻划栅格可以包括两层，其中第一层以第一反射率进行反射并且第二层以第二反射率进行反射。在一些实施方式中，刻划栅格的刻划线可具有固定节距。例如，刻划线的节距可以基于刻划线(“x”)的宽度以及与刻划线(“y”)之间的间隙宽度，此时节距等于x+y。
在一些实施方式中，刻划栅格的顶部可以包括薄的保护层，其防止刻划线与反射镜子表面相接触。在这个或是其他的实施方式中，保护层可以在镜子的表面上制备。
光学传感器
参照图13，示出了根据一个实施方式的在闭合环路结构中有效将光从光电板165导向栅格150的系统的描述。例如，可以将透镜、光源以及光电板中的一个或多个安装在随动系统(例如，磁性或是压电致动的)上从而引导光束160。为了感测安装成功，可以将电流馈送到绕线筒线圈110从而在监视到反射光束时致动或是振动绕线筒105。
在一些实施方式中，具有优势的是控制镜子120和栅格150表面之间的平面度。可以利用磁性或者压电致动来致动镜子120以及/或栅格150倾斜从而控制平面度。反射光束的属性可以在光电板上进行测量和监视从而确定何时平面度被调整到了期望的位置。线圈可以被馈送电流从而产生用于该调整的信号。
在一些实施方式中，系统可以包括光学定位安装节1305和光束转向镜子1310从而引导光束160。
图14-B描述了在显微干涉仪中利用衍射栅格将光束分割来的理念。这种理念可以被用来测量精确相对位移并且在名为“具有孔板的位移测量光学器件”的美国专利No.7,518,737中公开。图14A和图14B的图示描述了两种情境。在图14A中，第一种情境1401示出当目标表面1404放置在距离参考点(此处为反射衍射栅格1405)一半波长，λ/2处时所发生的情况。在图14B中，第二种情境1402示出了当目标表面1404放置在距离衍射栅格1405四分之一波长，λ/4处时所发生的情况。可以应用标准的衍射原理来找到这种结构的详细衍射图形，从而确定光探测器或是光导向孔的位置和尺寸。
在两种例子中，在透明基板1403上形成反射衍射栅格1405。这种可以用来构建基板的材料的非限制性例子有石英、硅、蓝宝石、玻璃以及其组合。衍射栅格1405可以通过沿着透明基板1403的前边沿等间距排布的衍射栅格鳍1406阵列来形成。衍射栅格鳍1406的高度可以具有微米或是纳米的数量级。
在第一种情境下，当入射光照射透过透明基板1403时，入射光的第一部分从反射衍射栅格1405被反射。入射光的第二部分穿透并且在衍射栅格鳍1406处进行衍射。穿透并且衍射的光在目标表面1404上反射并且通过(未示出)的合适的探测单元进行测量，例如通过光探测器或是光二极管。在情境1401中，目标表面放置在λ/2或是其整数倍处。在这种情况下，穿透入射光的零阶被反射回。总体上，零阶是穿透光，其为直接照射，在这种情况下没有发生衍射或是发生方向上的变化。入射光的第一部分以及已经从目标表面1404反射过的入射光的第二部分彼此干涉。光波两个部分的相位形成助益图形和消减图形。从干涉图形，衍射栅格1405和目标表面1404的相对距离可以被确定。
在情境1402中，建立相同的大致结构。在这种情况下，目标表面1404放置在与衍射栅格1405距离为λ/4处。在实践中，目标表面1404可以放置在λ/4的任意整数倍处并且将会发生相同的结果。当入射光的第一部分与经过反射的入射光的第二部分相加，则消减干涉取消了二者。光的第二部分行进了二倍于目标表面1404和衍射栅格1403之间距离的额外距离后，导致了两个部分之间的π的相位差，全消减干涉。相反地，更高阶衍射域，例如一阶，可以助益性地与入射光的第一部分进行干涉。如图14A和图14B所示，入射光的更高阶第一和第二部分与照射线不是如零阶光束一样是平行的而是呈角度。
图15描述了图13所描述的光学系统的变形，其中利用一个或多个光学元件(如示出的两个镜子)增加光源和衍射光学元件之间的全光束路径长度。如在较低插图处所示的，整体的效果相当于将光源放置在距离栅格和镜子更大的距离处的虚拟位置上。在一些实施方式中，这可能具有优势地提供栅格/镜子的改善的焦深。
图16-图17描述了特别设计的栅格其可以用来提供在目标波长处增强的性能。栅格包括基本上透明的基板(例如，玻璃基板)，在其上已经形成有刻线的衍射栅格。刻线的衍射栅格形成为薄膜，例如小于50nm的总厚度。栅格形成为双层结构。顶层被选择来具有相对低的反射率(例如，小于3％)，而底层具有相对高的反射率(例如，约为50％或更大)。如图17所示，这种结构用以降低栅格和镜子之间的多次反射，从而降低所产生的干涉图形中的非线性以及其他不希望的效果。在各种实施方式中，栅格的尺寸被选择用以针对选择的光波长或多个波长提供希望的性能。如所示，为了使用850nm的光而选择尺寸，但是在各种实施方式中可以使用任何其他适合的尺寸。
参照图18，可以将一个或多个具有如上所述类型的传感器并入设备1800。在一些实施方式中，该设备1800可能是地震传感器。例如，在一些实施方式中，设备1800可以是具有从位于德克萨斯州，Sugarland的FairfieldNodal公司获得的类型的地震节点传感器(例如，用于陆地或是水下)。
如所示，设备包括三个彼此横向定向的传感器，例如用以探测设备1800沿着三个轴的运动。如这里所详细描述的，在各种实施方式中，传感器可以在各种各样的倾斜角度上操作，甚至在所有可能的定向上操作。相应地，设备1800可能在一些实施方式中在各种或在所有或实质上所有的放置位置上进行正确地操作。这在各种应用中具有优势，例如当设备1800是必须放置在不规则表面，经常是在困难情况(例如，深海)下的地震传感器时。
各种实施方式可以包括上述任何特征或是技术，单独地或是任何适当的组合。
虽然在图1-图2中所示出的例子是特征在于尤其适用于地震检波器应用的绕线筒/壳体结构的传感器，可以理解的是在各种实施方式中，这里所公开类型的光学读出技术可以被应用到包括簧片或铰接式弹簧悬置的其他的传感器架构(例如，微机械惯性传感器(MEMS)，或是任何其他的惯性传感器)。替代性结构的例子包括以下所描述的：
a)Garcia，C.T.，Onaran，G.，Avenson，B.，Yocom，B.，和N.A.Hall(2010)的名为“Micro-Seismometers via Advanced Mesoscale Fabrication”，录于Proceedings of the 2010 Monitoring Research Review：Ground-BasedNuclear Explosion Monitoring Technologies，，LA-UR-10-05578，Vol.1，pp.280-288。
b)Hall，N.A.，等的名为“Micromachined accelerometers with opticalinterferometric read-out and integrated electrostatic actuation录于JournalofMicroelectromechanical Systems，2008.17(1)：p.37-44。
这里所描述的各种实施方式涉及物体(例如，壳体和校样质量体)之间相对位移的测量。可以理解的是这些技术可以总体上用来获得关于这些物体的相对以及/或绝对位置和/或运动的信息，例如，运动速度、速率、加速度等。
随着各种新颖的实施方式在此被描述并加以说明，本领域的技术人员将会很容易构思出各种其他的手段和/或结构用来执行这里所描述的功能以及/或获得结果并且/或是获得一个或多个优势，并且这种改变和/或修改中的每一个被视为落入这里所描述的发明实施方式的范围内。更广泛地，本领域的技术人员将容易意识到这里所描述的所有参数、尺寸、材料以及/或是配置是示例性的，并且确定的参数、尺寸、材料以及/或是配置将取决于特定的应用或是多个应用，在这些应用中利用了这里的发明。本领域的技术人员将会认识到或是能够利用不超出常规技术手段来确定很多与这里所描述的特定发明实施方式等同的实施方式。因此，应当理解的是前述的实施方式仅出于示例的目的而给出，并且在所附权利要求及其等同范围之内，可以实现与这里所描述并且要求权利不同的发明性实施方式。本公开的发明性实施方式指向这里所描述的每一个个体特征、系统、物品、材料、套件以及/或者方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、套件以及/或者方法彼此之间并不冲突，则这些特征、系统、物品、材料、套件以及/或者方法的两个或更多的组合也包括在本公开的发明性范围内。
上述的实施方式可以多种方式中的任一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来是想实施方式。当实施为软件时，可在任何适合的处理器或是处理器集合上执行软件代码，无论是提供在单独的计算机还是分布在多个计算机之间。
同样地，计算机可能具有一个或多个输入和输出设备。这些设备可以用于提供用户接口。可以用来提供用户接口的输出设备的例子包括打印机或是用于视觉呈现输出的显示屏以及扬声器或其他用于对输出进行听觉呈现的声音生成设备。可以用于用户接口的输入设备的例子包括键盘、以及例如鼠标、触摸屏的指针设备以及数字化平板电脑。作为另一个例子，计算机可以通过语音识别或是以其他听觉格式接收输入信息。
可以通过一个或多个网络以任何适当的形式来对这种计算机进行互连，包括局域网或广域网，例如企业网络以及智能网络(IN)或是英特网。这种网络可以基于任何适当的技术并且根据任何适当的协议进行操作，可以包括无线网络、有线网络或是光纤网络。
用来实施这里所描述的至少一部分功能的计算机可以包括存储器、一个或多个处理单元(在这里还可以简单地称为“处理器”)、一个或多个通信接口、一个或多个显示单元、以及一个或多个用户输入设备。存储器可以包括任何计算机可读介质，并且可以存储计算机指令(在此还称为“处理器-可执行的指令”)用于实施这里所描述的各种功能性。处理单元可以用来执行指令。通信接口可以耦合到有线或是无线网络、总线或是其他通信装置并且可以因此允许计算机传输通信到其他设备以及/或从其他设备接收通信。例如可以提供显示单元从而允许用户查看与指令执行有关的各种信息。例如可以提供用户输入设备从而允许用户在执行指令期间进行手动调整、进行选择、输入数据或各种其他信息以及/或以各种方式与处理器进行交互。
在此所勾勒出的各种方法和处理可以被编码为软件，其可以在一个或多个采用了各种操作系统或平台的处理器上执行。此外，这种软件可以用多个适合的编程语言以及/或编程或脚本工具中的任何一个来写就，并且还可以编译为在框架或虚拟机器上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在这一方面，各种发明概念可以实施为编码有一个或多个程序的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软性磁盘、光盘、光学盘、磁带、闪存、现场可编程门阵列的电路配置或是其他半导体器件、或其他永久介质或有形计算机存储介质)，当在一个或多个计算机或是其他处理器上执行所述一个或多个程序时，执行实现在此所讨论的发明的各种实施方式的方法。计算机可读介质可以是便携式的，使得其上存储的程序可以被加载到一个或多个不同的计算机上或其他的处理器上，从而实施这里所讨论的本发明的各个方面。
术语“程序”或“软件”一般意义上地用在这里，从而指代可以被实施为对计算机或其他处理器进行编程以实现这里所讨论的实施方式的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。此外，可以理解的是根据一个方面，当被执行的时候完成本发明方法的一个或多个计算机程序并不需要驻留在单一的计算机或处理器上，而是可以模块化的方式分布在多个不同的计算机或处理器上，从而实现本发明的各个方面。
计算机可读指令可以是任何形式的，例如由一个或多个计算机或其他设备执行的程序模块。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，其执行特定任务或是实现特定的抽象数据类型。典型地，如在各种实施方式中所希望的，程序模块的功能性可以合并或是分布式的。
此外，可以任何适当的形式将数据结构存储在计算机可读介质上。为了简化描述，数据结构可以被示出为具有通过数据结构中的位置而关联的字段。这种关联性可以通过对具有在计算机可读介质中的位置的字段分配存储来类似地达到，所述位置传达了字段之间的关联性。然而，可以利用任何适当的机制来建立数据结构字段中的信息之间的关系，包括通过使用指示器、标签或是其他建立数据元素之间关系的机制。
此外，各种发明概念可以被实施为一种或多种方法，已经提供其示例。作为方法的部分而被执行的工作可以任何适当的方式进行排序。相应地，实施方式可以被构建为其中的动作以有别于所示出的顺序而执行，其可以包括同时执行一些动作，虽然在所描述的实施方式中示出为顺序动作。
如在此所使用的，术语“光”、“光学”以及相关术语不应当理解为仅仅指代在可见频谱内的电磁辐射，而是更广泛地指代在紫外(约为10nm到390nm)、可见(390nm到750nm)、近红外(750nm到1400nm)、中红外(1400nm到15,000nm)以及远红外(15,000nm到约1mm)内的电磁辐射。
这里所定义并使用的所有限定，应当被理解为优先于所限定术语的字典定义、通过参考并入的文件定义以及/或被定义项的常规意义。
在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”以及“一个”，除非另外有明确表示，应当被理解为意味着“至少一个”。
在说明书和权利要求中所使用的短语“以及/或”应当被理解为意味着所集合的元素的“择一或二者”，即在一些情况下元素为共同出现而在另一些情况下元素分离出现。与“以及/或”一同列出的多个元素应当以同样的方式进行解读，即，所集合的元素中的“一个或多个”。除了“以及/或”句型所特别标识的元素之外的其他元素，无论与所标识的元素相关或无关，都可选择地呈现。由此，作为非限定的示例，当连同开放语句例如“包括”使用时，谈到“A以及/或是B”可以在一个实施方式中仅指代A(可选择地包括除了B之外的元素)；在另一个实施方式中，仅指代B(可选择地包括除了A之外的元素)；而在又一个实施方式中，指代A和B(可选择地包括其他元素)等。
正如此处在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应当被理解为具有与上面所定义的“以及/或”相同的含义。例如，当分割开列表中各项时，“或”或是“以及/或”应当被解读为包括性的，即，包括至少一个，但是还包括多个元素或元素列表中多于一个的，并且可选地，附加的未列出项。除非相反地指示了术语，例如“仅有一个”或“恰好一个”或是，当使用在权利要求中时，“由...组成”，将指代在多个元素或是元素列表中的恰好一个元素。通体上，在此所使用的术语“或”仅当其前面具有排除性术语时，例如“或”、“仅一个”、或是“恰好一个”，被解释为指示着排除性的选择(即，“一个或另一个但不是二者”)。当在权利要求中使用“基本上包括”时，应当具有其在专利法中的含义。
如同使用在说明书和权利要求中的，参考一个或多个元素列表时，短语“至少一个”应当被理解为意味着从元素列表的一个或多个元素中选择出来的至少一个元素，但是并不必然包括元素列表中特别列出来的至少每一个元素以及每个元素，并且并不排除元素列表中元素的任何组合。该限定还允许除了在元素列表中特别定义的元素之外的元素可选择地出现，所述元素列表即为短语“至少一个”所指代的，无论与这些元素相关或是无关的元素特别地标识出。这样，作为非限定性的例子，“A和B中的至少一个”(或是等同地，“A或B的至少一个”，或等同地“A以及/或B中的至少一个”)可以在一个实施方式中指代至少一个，可选地包括多于一个A，B不存在(并且可选地包括B以外的元素)；在另一个实施方式中，指代至少一个，可选地包括多于一个B，A不存在(并且可选地包括A以外的元素)；而在又一个实施方式中，指代至少一个，可选地包括多于一个A并且至少一个，可选地包括多于一个B(以及可选地包括其他元素，等等。
在权利要求中，如同上面说明书中的，所有的过渡性短语，例如“包括”、“包含”、“承载有”、“具有”、“容纳”、“涉及”、“保有”、“由...组成”以及类似都被理解为开放式描述，即，意为包括但不限于。仅仅过渡短语“由...构成”以及“主要由...构成”应当为封闭或半封闭的过渡短语，正如在美国专利局专利审查指南手册，2111.03章节所列出的。

Claims (29)

1.一种装置，包括：
壳体；
在所述壳体内可移动的校样质量体；以及
光学传感器，配置用于生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学传感器包括：
一个或多个光学元件，配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的光学干涉图形。
3.根据权利要求2所述的装置，包括：
安装在壳体和校样质量体之一上的衍射光学元件；
在壳体和校样质量体中的另一个之上的反射元件；
配置为照亮光学元件和镜子的光源；以及
一个或多个探测器，配置为探测通过从反射元件和衍射元件入射的合并光生成的干涉图形，并且生成位移信号。
4.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括配置为至少部分基于位移信号影响壳体和校样质量体的相对运动的电磁设备。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述电磁设备包括线圈，并且其中所述线圈形成至少部分校样质量体。
6.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包括配置为在壳体内提供磁场的磁体。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述磁体包括永久磁体。
8.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包括将校样质量体耦合到壳体的悬置系统。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述悬置系统包括一个或多个弹簧。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述一个或多个弹簧包括十字形弹簧。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述校样质量体包括在核芯元件周围放置并且可以沿着核芯元件自由滑动的绕线筒。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述绕线筒由基本上非导电的材料制成。
13.根据权利要求3所述的装置，其中所述反射元件和衍射元件为面对彼此放置的平面组件。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括至少一个配置为控制平面组件相对定向的致动器。
15.根据权利要求13或14所述的装置，进一步包括一个或多个配置为当存在机械冲击时防止平面组件彼此接触的设备。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的装置，其中所述平面组件之间间隔距离约为光学传感器所使用的光波长的50倍。
17.根据前述任一权利要求所述的装置，包括至少两个配置为生成位移信号的光学传感器，所述位移信号指示着校样质量体和壳体的相对位移。
18.根据权利要求13所述的装置，其中所述衍射元件配置为抑制光在反射元件和衍射元件之间多次反射。
19.根据前述任一权利要求所述的装置，该装置配置为在相对于重力方向的任何空间定向上进行操作。
20.一种包括至少一个地震传感器的地震节点，所述地震传感器包括权利要求1-19中任一项所述的装置。
21.根据权利要求20所述的地震节点，其中至少一个地震传感器包括至少三个地震传感器，其中每个都与其它的传感器横向定位。
22.根据权利要求20或21所述的地震节点，其中所述地震节点是自主海底节点。
23.一种方法，包括：
提供权利要求1-22中任一项所述的装置，并且
测量校样质量体和壳体的相对位移。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
将壳体耦合到地面；并且
至少部分基于测量校样质量体和壳体的相对位移而探测地震运动。
25.一种用于地震信号探测的系统，包括：
权利要求1-22中任一项所述的装置
配置为或是设计为提供电信号到线圈的电子线路。
26.根据权利要求25所述的系统，其中数字信号处理器与地震传感器进行通信。
27.根据权利要求25或26所述的系统，其中输入到线圈的电流由低频调谐分量和动态分量组成。
28.根据权利要求25所述的系统，其中输入到线圈的电流由所测量到的光学信号来确定。
29.根据权利要求25所述的系统，其中输入到线圈的电流产生了与作用于线圈上的重力相反的力。
CN201380053313.7A 2012-10-11 2013-03-15 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术 Pending CN104884915A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261712652P 2012-10-11 2012-10-11
US61/712,652 2012-10-11
US201261721903P 2012-11-02 2012-11-02
US61/721,903 2012-11-02
PCT/US2013/032584 WO2014058472A1 (en) 2012-10-11 2013-03-15 Closed loop control techniques for displacement sensors with optical readout

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104884915A true CN104884915A (zh) 2015-09-02

Family

ID=50477763

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380053313.7A Pending CN104884915A (zh) 2012-10-11 2013-03-15 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术

Country Status (6)

Country Link
US (6) US9702992B2 (zh)
EP (1) EP2906916A4 (zh)
CN (1) CN104884915A (zh)
CA (1) CA2890298A1 (zh)
RU (1) RU2015112966A (zh)
WO (1) WO2014058472A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106949955A (zh) * 2017-04-18 2017-07-14 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于光学检测的微机电系统平台
CN107490775A (zh) * 2017-09-30 2017-12-19 北京航空航天大学 一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法
CN109477855A (zh) * 2016-05-27 2019-03-15 辛特夫Tto公司 加速计

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2890298A1 (en) * 2012-10-11 2014-04-17 Silicon Audio Seismic, LLC Closed loop control techniques for displacement sensors with optical readout
AU2013409442B2 (en) * 2013-12-31 2017-05-18 Halliburton Energy Services, Inc. Geophone with tunable resonance frequency
NO20140263A1 (no) 2014-02-28 2015-08-31 Pgs Geophysical As Optisk bevegelsessensor
US11234080B2 (en) * 2014-11-18 2022-01-25 Ps Audio Design Oy Apparatus with surface to be displaced
GB201506046D0 (en) 2015-04-09 2015-05-27 Sinvent As Speech recognition
USD812024S1 (en) 2015-04-14 2018-03-06 Hanchett Entry Systems, Inc. Power transfer module housing
US10473706B2 (en) * 2016-02-15 2019-11-12 Hyperion Sensors Inc. Optical sensing methods and systems for power applications, and the construction thereof
US11221354B2 (en) * 2016-07-01 2022-01-11 Intel Corporation Switched closed loop read-out methods and systems for resonant sensing platforms
PL240132B1 (pl) 2017-04-28 2022-02-21 Inphotech Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia Sposób pomiaru drgań oraz urządzenie do pomiaru drgań
GB201708100D0 (en) 2017-05-19 2017-07-05 Sintef Input device
CA3107955A1 (en) 2017-08-01 2019-02-07 Hyperion Sensors Inc. Optical sensing methods and systems for transformers, and the construction thereof
US10830787B2 (en) * 2018-02-20 2020-11-10 General Electric Company Optical accelerometers for use in navigation grade environments
CN109061225B (zh) * 2018-06-29 2020-05-05 京东方科技集团股份有限公司 一种加速度测量装置及其加速度测量方法
CN109870592A (zh) * 2019-03-20 2019-06-11 北京航空航天大学 一种基于电磁力驱动的光学加速度计
US11527946B2 (en) * 2019-06-14 2022-12-13 Apple Inc. Haptic actuator having a double-wound driving coil for temperature- and driving current-independent velocity sensing
US11496034B2 (en) 2019-06-14 2022-11-08 Apple Inc. Haptic actuator having a double-wound driving coil for temperature-independent velocity sensing
BR112022017618A2 (pt) * 2020-03-03 2022-11-08 Schlumberger Technology Bv Sistemas e métodos para intensificar as operações de aquisição de dados em levantamentos sísmicos
FR3108897B1 (fr) * 2020-04-03 2022-04-08 Commissariat Energie Atomique Procédé de commande d’un capteur
CN111692984A (zh) * 2020-06-19 2020-09-22 南京工业大学 一种基于磁悬浮技术的桥梁动挠度测量装置及测量方法
WO2022009520A1 (ja) * 2020-07-06 2022-01-13 ジヤトコ株式会社 回転センサ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5134594A (en) * 1991-07-03 1992-07-28 Shaw Industries, Ltd. Geophone spring
US20040130728A1 (en) * 2002-03-29 2004-07-08 Degertekin Fahrettin Levent Highly-sensitive displacement-measuring optical device

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3047663A (en) * 1957-12-06 1962-07-31 Electronic Secretary Ind Inc Automatic scanning control
US3582875A (en) * 1968-11-12 1971-06-01 Stanley Herbert Van Wambeck Geophone device
US3858169A (en) * 1973-03-26 1974-12-31 Gulf Research Development Co Geophone impulse tester
GB1508228A (en) * 1974-11-12 1978-04-19 Sony Corp Transistor circuits
US4159464A (en) * 1976-07-06 1979-06-26 Western Geophysical Co. Of America Geophone with damping coil
US4285054A (en) * 1979-07-27 1981-08-18 Mark Products, Inc. Geophone
SE422369B (sv) * 1979-08-03 1982-03-01 Arvid Lundbeck Anordning for kompensering av overforingsfunktion
US4298969A (en) * 1979-09-26 1981-11-03 Exxon Production Research Company Method and apparatus for testing the impedances of geophone channels
US4754438A (en) * 1985-05-15 1988-06-28 Union Oil Company Of California Geophone testing apparatus
US5103174A (en) * 1990-02-26 1992-04-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Magnetic field sensor and device for determining the magnetostriction of a material based on a tunneling tip detector and methods of using same
US5119345A (en) * 1991-05-03 1992-06-02 Shaw Industries Ltd. Geophone
US5445971A (en) * 1992-03-20 1995-08-29 Abbott Laboratories Magnetically assisted binding assays using magnetically labeled binding members
US5962782A (en) * 1997-06-11 1999-10-05 The Broken Hill Proprietary Company Limited Gravity gradiometer accelerometers
US6545514B2 (en) * 1999-04-26 2003-04-08 Stmicroelectronics N.V. Drive circuit for inductive loads
US6433543B1 (en) * 2002-01-04 2002-08-13 Mohsen Shahinpoor Smart fiber optic magnetometer
US7239577B2 (en) * 2002-08-30 2007-07-03 Pgs Americas, Inc. Apparatus and methods for multicomponent marine geophysical data gathering
JP3949068B2 (ja) * 2003-02-18 2007-07-25 日本発条株式会社 アクチュエータ、このアクチュエータを用いた物体検出装置
US20050031140A1 (en) * 2003-08-07 2005-02-10 Tymphany Corporation Position detection of an actuator using a capacitance measurement
DE10344558A1 (de) * 2003-09-25 2005-05-12 Send Signal Elektronik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von seismisch bedingten Bewegungen
BRPI0717542A2 (pt) * 2006-09-28 2013-10-22 Cggveritas Services Holding U S Inc Dispositivo de gravação de nó sísmico do fundo do oceano autônomo
CN101681020B (zh) * 2007-06-04 2013-08-14 日本发条株式会社 物体检测装置
JP2009258022A (ja) * 2008-04-18 2009-11-05 Sony Corp 変位検出装置
EP3919298A1 (en) * 2009-05-04 2021-12-08 Fox Factory, Inc. Suspension system for a vehicle
US8125852B2 (en) * 2009-05-25 2012-02-28 Schlumberger Technology Corporation Methods and systems for seismic signal detection
US8990022B2 (en) * 2009-12-23 2015-03-24 Pgs Geophysical As Direct velocity seismic sensing
US8730766B2 (en) * 2010-01-22 2014-05-20 Ion Geophysical Corporation Seismic system with ghost and motion rejection
US7975392B1 (en) * 2010-03-10 2011-07-12 National Oilwell Varco, L.P. Downhole tool
US9250118B2 (en) * 2011-03-31 2016-02-02 The Regents Of The University Of California Leaf-spring optical seismometer using fringe signals for seismic measurements
BR112014003953A2 (pt) * 2011-09-01 2017-06-13 Zoll Medical Corporation dispositivo de tratamento e monitoramento de vestir
US9939551B2 (en) * 2012-09-24 2018-04-10 Schlumberger Technology Corporation Systems, devices and methods for borehole gravimetry
CA2890298A1 (en) * 2012-10-11 2014-04-17 Silicon Audio Seismic, LLC Closed loop control techniques for displacement sensors with optical readout
US9238251B2 (en) * 2013-04-02 2016-01-19 Sas E&P Ltd. Dual-coil geophone accelerometer
US9513145B2 (en) * 2013-10-29 2016-12-06 Baker Hughes Incorporated Apparatus to reduce pressure and thermal sensitivity of high precision optical displacement sensors
US20160116499A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 Silicon Audio Seismic, LLC Apparatus for Sensor with Communication Port for Configuring Sensor Characteristics and Associated Methods

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5134594A (en) * 1991-07-03 1992-07-28 Shaw Industries, Ltd. Geophone spring
US20040130728A1 (en) * 2002-03-29 2004-07-08 Degertekin Fahrettin Levent Highly-sensitive displacement-measuring optical device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NEAL A.HALL 等: "MICRO-SEISMOMETERS VIA ADVANCED MESOSCALE FABRICATION", 《2008 MONITORING RESEARCH REVIEW:GROUND-BASED NUCLEAR EXPLOSION MONITORING TECHNOLOGIES》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109477855A (zh) * 2016-05-27 2019-03-15 辛特夫Tto公司 加速计
CN109477855B (zh) * 2016-05-27 2022-04-29 辛特夫Tto公司 加速计
CN106949955A (zh) * 2017-04-18 2017-07-14 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于光学检测的微机电系统平台
CN107490775A (zh) * 2017-09-30 2017-12-19 北京航空航天大学 一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法
CN107490775B (zh) * 2017-09-30 2020-01-21 北京航空航天大学 一种三轴线圈常数与非正交角一体化测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9702992B2 (en) 2017-07-11
US20150036123A1 (en) 2015-02-05
US20150035544A1 (en) 2015-02-05
RU2015112966A (ru) 2016-12-10
EP2906916A1 (en) 2015-08-19
CA2890298A1 (en) 2014-04-17
US20150042359A1 (en) 2015-02-12
US20150293243A1 (en) 2015-10-15
US20150042981A1 (en) 2015-02-12
WO2014058472A1 (en) 2014-04-17
US20150036124A1 (en) 2015-02-05
EP2906916A4 (en) 2017-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104884915A (zh) 用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术
US12111434B2 (en) MEMS-based rotation sensor for seismic applications and sensor units having same
US7485847B2 (en) Displacement sensor employing discrete light pulse detection
Havskov et al. Instrumentation in earthquake seismology
Willke et al. The GEO 600 gravitational wave detector
RU2473102C2 (ru) Устройство с усовершенствованными источником и приемником света для гравиметра и способ измерения
FR3048085B1 (fr) Un accelerometre de levitation magnetique a haute precision
US20170285332A1 (en) Mems device oscillating about two axes and having a position detecting system, in particular of a piezoresistive type
US10330697B2 (en) Active, in-situ, calibration of MEMS accelerometers using optical forces
CA2892577C (fr) Inclinometre longue base a mesure optique
ITMI20102455A1 (it) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per applicazioni geofisiche particolarmente per il monitoraggio di giacimenti di idrocarburi
ITMI20102453A1 (it) Dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per applicazioni geofisiche particolarmente per il monitoraggio di giacimenti di idrocarburi
CN103792568A (zh) Mems地震检波器
ITMI20102454A1 (it) Metodo di pilotaggio di un sistema laser di un dispositivo di misura gravimetrica assoluta a interferometria atomica per appilcazioni geofisiche particolarmente per il monitoraggio di giacimenti di idrocarburi
JPS61239164A (ja) 光感震器
Van Heijningen et al. A novel interferometrically read out inertial sensor for future gravitational wave detectors
Hofmann et al. Analysis of the acoustic response in water and sand of different fiber optic sensing cables
NO20150020A1 (en) Multi-beam optical displacement sensor.
Havskov et al. Seismic sensors
US9568640B2 (en) Displacement measurements using simulated multi-wavelength light sources
Williams et al. Grating-based acceleration sensors with optical interferometric readout and closed-loop control
CN104568117A (zh) 一种具有宽频响、高灵敏的差动式光纤f-p振动传感器
CN106949955B (zh) 一种基于光学检测的微机电系统平台
EP4134701A2 (en) Lidar module and methods thereof
Gray et al. A simple high-sensitivity interferometric position sensor for test mass control on an advanced LIGO interferometer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150902