CN111527372B - 场的检测 - Google Patents

Abstract

场检测器(2)包括场响应元件(10)，当暴露于预定场时其尺寸发生变化；和干涉式读出装置，其布置成检测场响应元件的尺寸变化。光源(4)布置成提供从场响应元件(10)反射的测量光束和不从场响应元件(10)反射的参考光束，光检测器(6)被布置为检测由测量光束和参考光束产生的干涉图案的至少一部分。场响应元件(10)具有包括弯曲表面的形状，并被约束在其至少一个边缘(12)，使得所述尺寸变化导致所述弯曲表面在改变所述测量光束相对于所述参考光束的光程长度的方向上位移，从而改变由所述光检测器检测到的所述干涉图案。

Description

场的检测

本发明涉及用于检测场例如磁场的方法和装置。

在很多情况下，有必要或需要检测场。在许多不同的领域中需要检测场的存在、方向和/或强度。例如，在医疗领域，可能有必要检测磁场以确定生物阻抗。

过去已经提出了能够检测磁场的各种不同的检测器，但是它们都有缺点。特别地，申请人已经认识到可以提高检测器的灵敏度并且可以降低其成本。

从第一方面看，本发明提供一种场检测器，其包括：

场响应元件，当暴露于预定场时其发生尺寸变化；和

干涉式读出装置，其布置为检测所述场响应元件的尺寸变化，并且包括：光源和至少一个光检测器，其中所述光源布置为提供从所述场响应元件反射的测量光束，以及未从所述场响应元件反射的参考光束，所述光检测器设置成检测由所述测量光束和所述参考光束产生的干涉图案的至少一部分；

其中所述场响应元件具有包括弯曲表面的形状，并被约束在其至少一个边缘，使得所述尺寸变化导致所述弯曲表面在改变所述测量光束相对于所述参考光束的光程长度的方向上位移，从而改变由所述光检测器检测到的所述干涉图案。

在其至少一个优选实施例中，干涉式读出装置和被约束在其至少一个边缘处的场响应元件的组合可以提供相对低成本的场检测器。在至少一些优选实施例中，干涉式读出装置和场响应元件的布置还可以提供具有低功耗和对传感器体积比高的场灵敏度的场检测器。

与不被约束的、平坦的场响应元件或面对面地附接到另一表面的场响应元件相比，包括被约束在其至少一个边缘的法向弯曲表面的场响应元件可以提供在存在场的情况下显示尺寸变化增加的元件。响应于场而增加的尺寸变化可以使场检测器具有更高的灵敏度，从而可以更精确地检测场。在至少优选的实施例中，已经发现将场响应元件约束在其至少一个边缘上提高场检测器的效率，特别是当与现有技术的检测器相比时，例如与基于使用磁致伸缩换能器材料的相干光纤传感器的检测器相比时。在这些现有技术的传感器中，场响应元件中的应变被传递至轴向应变，然后传递至光纤，然后可以对其进行测量，但这导致显著的机械负荷，从而降低了传感器的效率。

本申请人已经发现，当与无约束的、平坦的场响应元件相比，场响应元件的弯曲表面也提供了对也可引起尺寸变化的温度变化的改进的阻力，以及在其第2级响应中提供了其动态范围和线性度的改进。

应当将场响应元件的约束理解为，以这样的方式保持场响应元件，即，其被阻止在至少一个方向上移动，但是并不一定需要将该元件固定地保持在适当的位置。将场响应元件约束在其至少一个边缘处有效地将场响应元件悬挂在场检测器内，并且这可以允许场响应元件响应于场而自由地扩展。场响应元件的这种悬挂可以通过以各种方式约束场响应元件来实现。申请人已经认识到元件的约束方式可能影响其灵敏度。如下面将要讨论的，场响应元件被约束的边缘的数量将取决于该元件的特定形状，例如，圆形场响应元件可以被认为具有单个边缘，其被约束或者其部分被约束将适当地悬挂该元件，而带状元件可以被认为具有四个边缘，因此，为了将该元件适当地悬挂，优选的是将该元件约束在其至少两个例如相对的边缘上。通常，除了受约束的(一个或多个)边缘之外，场响应元件在其其他部分将不受约束。例如，场响应元件的由其边缘限定的面通常将不受约束并且因此不与其他任何物体接触。

场响应元件的选择将很可能由场检测器的特定应用，特别是其用于检测的场的类型和/或其用于检测的场的典型强度来决定。在一组实施例中，场响应元件为细长条的形式，例如带。在另一组实施例中，细长条的长度在1-100mm之间，例如10-15mm，例如10.05mm。在另一组实施例中，细长条的宽度在1-10mm之间，例如1mm。

在另一组实施例中，其中场响应元件为细长条的形式，该细长条在其至少两个边缘处受到约束。优选地，两个边缘彼此相对。例如，细长条可以在其每个窄边缘处被约束。以这种方式约束细长条有效地将条带悬挂在约束条带的两个点之间，从而形成可以自由地响应电场的悬挂部分。

在一组可选实施例中，场响应元件包括球形或椭圆形边缘。应当理解，在这样的一组实施例中，该元件可以形成圆顶形结构。在另一组实施例中，被约束的至少一个边缘包括表面的整个连续边缘。然而，在一组可选实施例中，被约束的至少一个边缘仅包括表面的整个外边缘的一部分。

在一组实施例中，通过以定位装置接合场响应元件的至少一个边缘来约束场响应元件。定位装置可以防止场响应元件的横向运动，即，沿一个特定方向的运动，但是允许其他运动，例如，可以允许边缘在定位装置中旋转。

在一组可选实施例中，将场响应元件约束为使得其至少一个边缘被固定地保持在适当位置。这样的一组实施例可受益于场响应元件的增加的侧向刚度。例如，这可以通过可靠地握住场响应元件的至少一个边缘来实现。这可以通过夹持元件的至少一个边缘的夹具来实现。将理解的是，在这组实施例中，当场响应元件经历场时，它可以沿特定方向变形，从而改变测量光束的光路长度。

将理解的是，在以上两个实施例中，场响应元件都以不能沿至少一个方向移动的方式被约束。当然，可能存在约束场响应元件的其他方式，并且单个场响应元件可能受到不同边缘处的不同布置的约束。

在优选的实施例中，场响应元件的面不受约束，即不与任何其他零件接触。

申请人已经认识到各种因素可能影响场检测器的灵敏度，例如，场响应元件的尺寸、场响应元件的材料组成、诸如热磁和/或应变退火的特定处理以及其他因素，例如在磁场响应元件的情况下在切割后在端面的退磁作用。同样，在磁场响应元件的情况下，除了元件的材料混合物之外，还可以利用表面的曲率优化例如磁弹性耦合系数。

如上所述，使用包括在其边缘的至少一个处受约束的弯曲表面的场响应元件可能是有利的，因为场响应元件可以表现出放大的尺寸变化并且因此潜在地增强了场检测器的灵敏度。有多种形成弯曲表面的方式。当场响应元件插入装置中时可以形成弯曲表面。因此，在一组实施例中，通过将场响应元件限制在其至少一个边缘处而通过施加到场检测器中的场响应元件的机械负载来产生弯曲表面，即场响应元件是从其静止形状弯曲以形成弯曲表面并保持在适当位置的自然平坦元件。尽管这样的实施例允许使用平坦的场响应元件，但是申请人已经意识到，这种形式的机械负载不利地影响了场检测器的灵敏度。

因此，在一组替代的优选实施例中，当没有机械负载施加到该元件上时，场响应元件包括弯曲表面，即该元件的自然静止形状是弯曲的。在另一组实施例中，将场响应元件约束为使得其悬挂在检测器内并且不经历或基本上不经历影响其曲率的机械负载。这可以通过提供在受约束之前弯曲的场响应元件来实现。将理解的是，在这样的一组实施例中，场响应元件可以在其边缘处有效地保持悬置，并且场响应元件的其余部分可以在存在场的情况下自由偏转。应当理解，这种弯曲的场响应元件可以具有自然的弯曲形状，或者可选地可以将平坦的场响应元件机械地加载，弯曲或压缩成形状，并且例如通过退火进行处理以去除任何残余应力和/或应变，然后被约束在检测器内。

即使在其具有自然弯曲的形状的情况下，场响应元件也可受到约束，使得其经受机械负载，这确实改变了场响应元件的曲率。例如，该元件可以通过可靠地夹在场响应元件的至少一个边缘上而受到约束，以将场响应元件保持在固定位置，而同时不改变其曲率。

无论场响应元件在被约束之前是否弯曲，都可以通过使用退火技术的磁畴磁化来增强场响应元件的灵敏度。

能够响应磁场的典型材料包括基于金属混合物的非晶态磁致伸缩材料，例如Fe、Co、Ni的混合物。获得具有期望场敏感特性的场响应元件的一种方法是将相关的金属混合物加热到熔融状态，然后将熔融金属快速冷却成期望的场响应元件结构，例如带或线。

在一组实施例中，场响应元件的整个表面是弯曲的。申请人还已经意识到，场响应元件对于整个表面可以不具有相同的曲率，并且实际上在某些部分可以是平坦的。因此，在一组可选实施例中，场响应元件包括至少弯曲的第一部分和与第一部分相比具有不同曲率或没有曲率的至少第二部分。例如，第二部分可以包括平坦部分，这些平坦部分可以使得更容易约束场检测器中的场响应元件。

在一组实施例中，场响应元件的弯曲表面遵循圆弧。在一组可选实施例中，弯曲表面遵循非圆弧。例如，弯曲表面可以具有正弦轮廓。在另一组实施例中，场响应元件的长度与场响应元件受约束的两个点之间的距离之比大于1。优选地，场响应元件的长度与场响应元件受约束的两个点之间的距离之比在1.0001-1.05之间，例如1.001-1.020，例如1.001-1.010。申请人已经发现，以这些低比率可以提高场响应元件的灵敏度。

取决于读出，对于给定的场强度，场检测器的灵敏度可以与场响应元件的尺寸变化成正比。如上所述，申请人已经认识到，当场敏感元件的长度仅略大于受场敏感元件约束的点之间的距离时，场检测器可能是最灵敏的。已经发现具有这种尺寸的场响应元件可能表现出大的尺寸变化。因此，在一组实施例中，例如在场响应元件被约束的点之间有10mm的间隔时，场响应元件的长度在10.02-10.05mm之间。为了达到上述比率，场敏感元件通常将具有相对较小的曲率。

场响应元件可以采取各种形式。在一组实施例中，场响应元件由单层材料形成。在一组可选实施例中，场响应元件由多层材料形成。场响应元件的类型可以决定其制造方式，这可能带来相关的优点和缺点。在另一组实施例中，场响应元件可以由单个场响应元件形成，或者可替代地，它可以由多个场响应元件形成。例如，细长条/带可由彼此相邻放置的多条场响应线形成。在一组实施例中，场响应元件形成为薄片。在一组实施例中，场响应元件的厚度在10-100μm之间，例如30-80μm，例如50μm。

在一组实施例中，场响应元件仅响应于来自单个方向的场。在对磁场有响应的磁致伸缩元件的情况下，这可以通过对场响应元件进行热和磁场退火来实现，以便形成易磁化轴，使得磁畴适当地对准。在这样的一组实施例中，场检测器的方向灵敏度意味着为了准确地测量场，将有必要适当地对准场检测器以使其成为矢量检测器。

场检测器可能能够检测许多不同场之一，例如：磁场或电场。如前所述，场检测器的特定应用将影响场响应元件的选择，特别是在其对特定类型的场做出响应的能力方面。例如，当用于检测磁场时，场响应元件可包括磁致伸缩元件。已知磁致伸缩材料在存在磁场的情况下显示尺寸变化，因此，当在根据本发明的场检测器中使用时，可以检测磁场。因此，在一组实施例中，场响应元件包括磁致伸缩材料，该材料在存在磁场的情况下发生尺寸变化。本领域技术人员将理解，这种场检测器可能能够检测静磁场。由于某些磁致伸缩材料的高响应性或磁弹性耦合，即它们响应于小变化场而迅速改变尺寸的能力，因此也有可能检测高频交变场。磁致伸缩材料通常是铁磁性材料，其由于材料内磁畴的移动而能够伸长。该伸长伴随有相对较高的变形力。由于伸长而发生的形状变化通常是可逆的。

磁致伸缩元件可以由多种不同的材料形成，例如：非晶态金属、Fe、Ni、Co、Metglas^TM、Galfenol、Terfenol-D或多层膜。材料的选择可以取决于场检测器的应用及其相关要求，例如与灵敏度或成本有关的要求。例如，由Metglas^TM形成的带可具有相对较高的磁致伸缩系数和有效的磁弹性耦合。

目前可以购买磁致伸缩材料卷。申请人已经认识到，可以通过将磁致伸缩材料的这种卷切割成适当的长度，将元件弯曲成期望的形状，然后将元件退火以形成有效的检测器结构，制造场响应元件。申请人已经认识到，使用这种方法可以容易地产生磁致伸缩的场响应元件。

或者，可以将磁致伸缩薄膜直接沉积在微结构上。可以通过诸如溅射或脉冲激光沉积的物理气相沉积(PVD)工艺来完成这种沉积。取决于材料，这通常在沉积过程中可能需要磁场偏置，因此为此目的需要专用设备来调整磁性薄膜的性能。薄膜结构然后可以与例如机械硅结构一起用作双晶型结构，或者在使用牺牲层工艺形成仅由磁致伸缩材料制成的桥时使用。这种牺牲层可以是聚合物或氧化硅。可以使用电致伸缩或压电材料检测电场。

可能需要在检测器中提供一种调制和反馈系统，该系统能够考虑没有直接测量的场的存在。例如，当场响应元件响应于磁场时，在一组实施例中，场检测器还包括亥姆霍兹线圈。例如，场检测器可能不希望地受到地球磁场的影响。在这种情况下，可能使用亥姆霍兹线圈创建磁场，从而有效地消除地球磁场。亥姆霍兹线圈可以围绕场响应元件的端部布置。使用亥姆霍兹线圈产生磁场以向场响应元件提供反馈是可能的。

申请人已经意识到，根据本发明的场检测器可以具有许多应用，例如在医疗应用中，例如生物阻抗，在能源应用中，例如碳氢化合物勘探、使用海床测井或受控源电磁波(CSEM)的油气生产监控和大地电磁学(MT)以及在国防应用中，例如岸上、近海和航行中的目标监视。

场检测器的组件以及其他必要的电子和电气组件可以容纳在相对紧凑的MEMS结构中。这种紧凑的MEMS结构可以增加可以应用检测器的应用的总数。场响应元件可以形成场检测器的外部，并且因此可以被认为是场检测器的外膜。

将理解的是，干涉式读出装置允许检测器通过测量场响应元件的偏转即尺寸变化来检测场的存在。如以下更详细地讨论的，当场响应元件在存在场的情况下经历尺寸变化时，测量光束的光路长度改变，而参考光束的光路长度保持相同。干涉式读出装置可以检测两个光束之间的光路长度的变化，并因此检测场响应元件的尺寸变化。

检测器可以被简单地布置以指示场的存在，或者可替代地，其可以被布置为指示场的强度。为了提供关于场强的指示，这将需要了解场响应元件的尺寸变化与场强之间的关系。

应当理解，为了确定上面讨论的关系，可能有必要用具有已知大小的场来校准场检测器。尺寸变化和场强之间的特定关系可以取决于材料的类型、形状和大小以及场的类型。例如，已知对磁场有响应的场响应元件，例如磁致伸缩元件，在适当地准备时，其尺寸变化和场强之间具有二次方关系。

除了以上讨论的组件之外，干涉式读出装置可以包括其他组件以允许确定光程差。在一组实施例中，干涉式读出装置还包括位于测量光束和参考光束的光路中的衍射元件。本领域技术人员将理解，在这样的一组实施例中，直接从衍射元件反射的光形成上述参考光束，并且由衍射元件衍射、由场敏感元件反射、然后被衍射元件再次衍射的光形成上述测量光束。衍射元件可以例如包括衍射光栅或衍射菲涅耳透镜。

在这样的一组实施例中，测量光束的光路长度的变化影响衍射元件的衍射效率，并因此改变被衍射成不同衍射级的光强度。通过比较不同衍射级的光强度，可以确定测量光束的光路长度的变化，从而确定场敏元件的尺寸变化。然后，该尺寸变化可以用于确定场的存在以及可选地确定强度。

在一组实施例中，场响应元件被约束成使得弯曲表面的凹面或凸面面向光源。在一组实施例中，场响应元件和干涉式装置被布置为使得衍射元件和弯曲表面之间的距离，即从弯曲表面反射的光行进的距离的两倍或“路径不平衡”比从光源发出的光的相干长度短。这将确保高对比度和/或可见性。相干长度定义为相干波保持特定相干程度的传播距离。相干长度将取决于在场检测器中使用的光源的光谱宽度和形状，例如，典型的半导体激光器具有比干涉仪路径不平衡大得多的相干长度。在优选的实施例中，路径不平衡在0.1至5mm的范围内。以这种方式布置组件可以确保检测器可以准确地测量场响应元件的尺寸变化。

在一组实施例中，光源包括激光二极管。在一组实施例中，光源包括多个光源。在一组实施例中，检测器包括至少一个光电检测器。

根据本发明的场检测器可以用作单轴传感器，即从单个方向检测场。然而，申请人已经意识到，可能期望从多个方向(例如，三个方向)检测场。申请人已经认识到，可以包装三个彼此正交的场检测器，每个场检测器根据本发明，以形成三轴检测器。

申请人已经认识到，在提供多个检测器以提供多方向检测器的情况下，在每个单独的检测器之间可能存在串扰，这可能是有问题的。在将场检测器设计为检测磁场的情况下，磁串扰可能具有挑战性，如果这样，则可以将磁变化的(正弦波或方波)频率用于不同的装置，以增强串扰和辨别力。

申请人进一步意识到，有可能提供场检测器的阵列。这样的阵列可能能够检测大面积的场，或者可能能够更准确地映射场强。该阵列可以包括多个单轴场检测器或多轴场检测器。

现在将仅通过举例的方式，参考附图描述本发明的某些实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例的场检测器；

图2示出了根据本发明另一实施例的另一场检测器；

图3：被约束在其边缘的场响应元件的放大图；

图4：示出了当暴露于磁场时图3中所示的场响应元件；

图5：以可选方式被约束的可选场响应元件的放大图；

图6：示出了当暴露于磁场时图5中所示的场响应元件；

图7：示出了如图3和图4所示受约束的带的模拟数据表；和

图8：示出了如图5和图6所示受约束的带的模拟数据表。

图1示出了根据本发明的单轴场检测器2的实施例。场检测器2包括光源4、光检测器6、衍射图案8和场响应元件10。光电探测器6和光源4布置在同一平面上。衍射图案8被定位成与光电检测器6和光源4相距固定的距离。场响应元件10在其边缘12处受约束，并且元件10的其余部分自由移动。

当单轴场检测器2工作时，可以是激光二极管的光源4产生指向衍射图案8的辐射。在入射到衍射图案8上的辐射中，第一部分穿过衍射图案8并被衍射。然后，该衍射辐射通过衍射图案被元件10反射到光电检测器6上。第二部分被衍射图案8反射到光电检测器6上。第二部分与第一部分干涉以形成干涉图案，因此在光电检测器6处检测到的光的强度取决于干涉图案或第一部分与第二部分之间的光学相位差，并因此取决于衍射图案8和元件10之间的距离。这为满足相干性和光偏振提供了适当的条件，从而确保了较高的条纹可见性。

由于在光电检测器10处的光强度取决于衍射图案8与元件10之间的距离，因此可以从检测到的强度推断出膜的位置(并因此尺寸的改变)。

当通过磁弹性耦合使场敏感元件10经受例如磁场的场时，场敏感元件10经历弹性应变，并且因此发生场敏感元件10的挠曲。如果衍射光栅8的端面与场响应元件10的表面之间的距离的两倍比光的相干长度短，则产生干涉，并且如果干扰波相对于对于它们的偏振适当对准，则偏转将作为光学相移施加。将该光相移与适当的放大以及对来自光电检测器6的信号的信号处理相结合，可以将相移转换成取决于场敏感元件检测到的场的幅度的输出电压。

引导到衍射图案的第0衍射级的光的分数是光学相移的函数，并且作为双光束干涉仪可以近似为：

其中I是输出信号，A是DC电平，取决于装置中的光强度损失和界面反射，B是常数，还取决于装置中的光强度、损耗和界面反射，还取决于参考光束和信号光束之间的偏振对准和相干性。λ是光波长，Δd是沿场敏感元件的光轴的位移。

引导到第1衍射级(其在衍射图案由衍射菲涅尔透镜提供的情况下聚焦)的光的部分将具有与方程1相反的相位并且可表示为：

在磁致伸缩元件的特定情况下，磁致伸缩通常是二次方的，并且挠度可以表示为：

Δd＝C_effH² 方程3

其中C_eff是常数，取决于磁致伸缩材料的材料特性、去磁作用、制造后使用退火处理材料的程度(温度、应变、磁场)、其尺寸和形状。典型的形状可以是弯曲的、细长的矩形带，即弯曲的带或球形表面的一部分。

为了从非线性方程1、2获得线性，可以同时应用干涉式解调和反馈信号。这可以从例如图2中看到，其中使用I.R.Johansen、M.Lacolle、T.Bakke、A.Vogl、D.T.Wang、S.Knudsen、O.

H.

和Zeljko Skociac,"Optisk Bevegelsessensor,专利申请号P4598NO00-DT,Patentstyret中描述的技术解调光学干涉信号。此信号也可以使用K.P.Koo、A.Dandridge、F.Bucholtz和A.B.Tveten,"An analysis of a fiber-opticmagnetometer with magnetic feedback,"IEEE J.of Lightwave Technology,Vol.LT-5,No.12,pp.1680-1685,1987中描述的A.C.和D.C.归零方案在磁性上线性化。与感兴趣的磁信号成比例的光电检测器6信号将成为反馈信号的低频部分。如图2所示，场检测器2包括场敏感元件10和两个亥姆霍兹线圈。使用这种布置，可以如上所述将反馈信号提供给场敏感元件10。可以使用磁性AC抖动以及使用锁定放大器技术的同步检测以及低频反馈信号使磁换能器元件归零，将二阶应变(偏转)线性化为光学相移。当通过抖动信号正确混合并经过低通滤波后，反馈信号将成为期望的感兴趣的线性化的低频输出信号。

图3示出了在其边缘12'处受约束的场响应元件10'的放大图。在此可以看出，场响应元件10′具有均匀的曲率。场响应元件10'的边缘12'搁置在L形支撑件16中，该L形支撑件在水平方向上而不在垂直方向上约束场响应元件10。因此，场响应元件10被支撑在检测器中。为了使干涉式读出装置检测场响应元件10'的尺寸变化，必须使场响应元件10'在Z方向上偏转，如图3中的箭头所示。这样就增加了测量光束的光程长度，从而可以如上说明测量偏转。使用L形支撑件16约束场响应元件10'确保了场响应元件10'在暴露于场时的任何伸长导致场响应元件10'在Z方向上偏转。由于端部12'被约束在L形支撑件16中而不是固定的，因此场响应元件10'的端部12'可以在L形支撑件16中扭曲。L形支撑件隔开固定距离，场响应元件的长度为L。

图4示出了当暴露于磁场时与图3所示相同的场响应元件10'。条形磁铁和相应的磁力线说明了磁场的存在。磁场的存在导致场响应元件10'伸长，其长度从第一长度L改变为第二长度L+ΔL。由于场响应元件10'在其边缘12'处受约束的事实，这种伸长导致场响应元件的至少中心偏移量Δz。

图5示出了场响应元件10”的另一实施例的另一放大图，该场响应元件通过在其边缘12”处被固定地夹紧在U形支撑件16'中而以不同的方式受到约束。因此，场响应元件10”被固定地支撑在检测器中。可以看出，场响应元件10”具有浅的弯曲表面。场响应元件10”可以具有已知的长度L，并且U形支撑件16'也可以分开已知的距离。

图6示出了暴露于磁场的与图5相同的场响应元件10”。条形磁铁和相应的磁力线说明了磁场的存在。当经历磁场时，场响应元件的长度可以从第一长度L改变为第二长度L+ΔL。由于受约束在其边缘处，至少场响应元件10”的中心将偏移量Δz。

当然，本领域技术人员将认识到，场响应元件可以具有许多不同的轮廓并且可以以各种不同的方式进行约束。在图3-6中看到的例子仅仅是具有特定曲率轮廓曲线和约束场响应元件的方式的可能的场响应元件的说明性例子。

申请人已经对图3-6中所示的实施例进行了一些建模。在下面的数据中，场响应元件的末端从末端到末端的固定距离限制为10mm。

申请人已经进行了Ni带的许多模拟，当暴露于固定磁场时其如图3-6所见被约束。从这些模拟中获得的数据可以在图7和8中看到。图7是一个表，其中包含来自如图3和4所示受约束的带模拟的数据。该表详细说明了带的垂直挠度(Δz位移)、带的线性热膨胀以及带的z膨胀比。为长度L的范围为10.25mm-15mm的带提供此数据。

图8说明了对如图5和图6所示安装的带进行模拟的数据。为长度L的范围为10.05mm-15mm的带提供此数据。

从这些图中看到的数据，很明显，带的长度越短，当暴露于场时带的垂直偏转(Δz位移)越大。更大的垂直偏转将意味着场检测器将更加灵敏。

申请人已经发现，对于特别短的带，特别是长度为11mm和更短的带，与未弯曲的、具有线性热膨胀的未悬垂的带相比，可以实现更大的垂直偏转。

比较图7和8所示表格的数据，本申请人还发现，约束场响应元件的特定方式未显著影响元件的垂直偏转。然而，申请人已经认识到，如图5和图6所示，受约束的元件将受益于额外的侧向刚度。

Claims (29)

1.一种磁场或电场的场检测器，其包括：

场响应元件，其在暴露于磁场或电场时发生尺寸变化；

定位装置，所述定位装置被布置为在所述场响应元件的至少一个边缘处约束所述场响应元件；和

干涉式读出装置，其布置为检测所述场响应元件的尺寸变化，并且包括：光源和至少一个光检测器，其中所述光源布置为提供从所述场响应元件反射的测量光束，以及未从所述场响应元件反射的参考光束，所述光检测器设置成检测由所述测量光束和所述参考光束产生的干涉图案的至少一部分；

其中所述场响应元件具有包括弯曲表面的形状，并被约束在其至少一个边缘，使得所述尺寸变化导致所述弯曲表面在改变所述测量光束相对于所述参考光束的光程长度的方向上位移，从而改变由所述光检测器检测到的所述干涉图案，其中，所述场响应元件是自然弯曲的、或者通过所述定位装置的机械加载而弯曲。

2.根据权利要求1所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件的形式为细长条。

3.根据权利要求2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述细长条的长度在1-100mm之间。

4.根据权利要求2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述细长条的宽度在1-10mm之间。

5.根据权利要求2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述细长条在其至少两个边缘上被约束。

6.根据权利要求5所述的磁场或电场的场检测器，其中所述两个边缘彼此相对。

7.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件包括球形或椭圆形边缘。

8.根据权利要求7所述的磁场或电场的场检测器，其中被约束的至少一个边缘包括表面的整个连续的边缘。

9.根据权利要求7所述的磁场或电场的场检测器，其中被约束的至少一个边缘包括表面的整个外边缘的仅一部分。

10.根据权利要求1所述的磁场或电场的场检测器，其中所述定位装置防止所述场响应元件的横向运动，但是允许一些其它运动。

11.根据权利要求1所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件被约束为使得其至少一个边缘被固定地保持在适当位置。

12.根据权利要求1所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件包括弯曲表面，所述定位装置通过机械负载使所述场响应元件发生弯曲。

13.根据权利要求12所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件被约束为使得其悬挂在所述检测器内并且基本上不经历影响其曲率的机械负载。

14.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件的整个表面被弯曲。

15.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件包括至少弯曲的第一部分和与第一部分相比具有不同曲率或没有曲率的至少第二部分。

16.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件的长度与所述场响应元件受约束的两个点之间的距离之比大于1。

17.根据权利要求16所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件的长度与所述场响应元件受约束的两个点之间的距离之比为1.0001-1.05。

18.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件的厚度为10-100μm之间。

19.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件仅响应于来自单个方向的场。

20.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件包括在磁场的存在下经历尺寸变化的磁致伸缩材料。

21.根据权利要求20所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件由非晶态金属、Fe、Ni、Co、MetglasTM、Galfenol、Terfenol-D或多层膜的至少一种形成。

22.根据权利要求20所述的磁场或电场的场检测器，还包括亥姆霍兹线圈。

23.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件形成所述场检测器的外部部件。

24.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述干涉式读出装置还包括位于所述测量光束和所述参考光束的光路中的衍射元件。

25.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件被约束成使得所述弯曲表面的凹面或凸面面向所述光源。

26.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述场响应元件和所述干涉式读出装置被布置为使得衍射元件和弯曲表面之间的距离的两倍或路径不平衡比从所述光源发出的光的相干长度短。

27.根据权利要求26所述的磁场或电场的场检测器，其中所述路径不平衡在0.1至5mm的范围内。

28.根据权利要求1或2所述的磁场或电场的场检测器，其中所述光源包括激光二极管。

29.一种三轴检测器，其包含布置为彼此正交的三个磁场或电场的场检测器，每一个所述磁场或电场的场检测器根据权利要求1或2所述。

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