專利名稱:檢測運動的儀器和方法
本發(fā)明涉及測定運動的儀器。在諸如導航系統(tǒng)，穩(wěn)定器等的許多情況中，都需要能夠用來測定運動的設備，而且通常是借助陀螺儀來實現(xiàn)這一要求的。常規(guī)的陀螺儀是以如此飛速旋轉輪的形式安裝在構架內(nèi)，以使其可自由地向任何方向傾斜。這種輪能夠保持其原始方向，而與其上裝有陀螺儀的運載工具的后來的運動無關。因此，它可以作為確定運載工具運動/方向的方向指示器。
常規(guī)的陀螺儀有若干固有的缺點。對飛速旋轉輪的性能要求，使其機械構造復雜且調(diào)整困難。此外，輪必須保持旋轉，所以需要有諸如馬達或噴氣射流之類的驅(qū)動力。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種用以精確地測定運動，而且能夠免與常規(guī)陀螺儀旋轉輪有關的上述問題的儀器。
本發(fā)明所提供的用以測定運動的相應儀器包含一個殼體，其上或其內(nèi)裝有一個或多個光源和一個或多個檢波器，這個或每一個光源適于沿著一條光路向一個檢波器傳送多色光，這個或每一個檢波器適于檢測若干不同波長輻射的入射光強，所提供的測定運動的儀器還包含有由殼體支承的輻射調(diào)制裝置其支承方式，致使殼體沿著至少一個方向的運動變化能引起輻射調(diào)制裝置沿所述路徑的位移，從而改變到達一個或幾個檢波器的光線分布光譜的組成成分。
由該儀器檢測的殼體運動的變化，可以用來表示一個殼體離開靜止位置的運動。因此，該儀器也能作為振動檢測器。換言之，殼體運動的變化可以是運動著的殼體的速度變化，或者是其運動方向上的改變。所以，該儀器還能夠作為加速度計或方向指示器，并且可以實現(xiàn)一個常規(guī)的、旋轉輪式的陀螺儀全部功能。
該儀器最好包括用以分折分布光譜組成成分的變化以便測定殼體運動變化的裝置。典型的辦法是借助監(jiān)測兩個獨立的光波波長的光強比來實現(xiàn)的。在另一個最佳的方案中，一個或多個檢波器每個都包含至少第一和第二光敏元件，第一光敏元件對于波長的響應度與第二光敏元件的響應度不同，來自光敏元件的信號被饋送給分析裝置，該裝置根據(jù)來自光敏元件的信號計算入射在一個或幾個檢波器上的輻射顏色，正如在色品圖(國際照明委員會CIE)上以兩個或多個參數(shù)所表示的那樣。在一個簡便的裝置中;使用了兩個不同的光敏元件，每一元件分別具有各目的波長響應度特性曲線。另一方案，一個或者兩個光敏元件包括濾色器以便給出顏色響應特性曲線，因此，如果愿意的話，也允許使用兩個相同的光敏元件。關于至少第一和第二光敏元件的波長響應度，最好使它們各自的波長/光強曲線至少有一部分波長光譜相重迭。
通過使用(至少)第一和第二光敏元件，顏色的變化可以由許定所選擇部分的光譜的整體變化(顏色調(diào)制)來確定這與僅僅測定一個或多個所選擇的波長處的變化(波長調(diào)制)不同。這樣，從顏色A(由波長/光強曲線A表示)到顏色B(由波長/光強曲線B表示)的變化，將根據(jù)兩條曲線之向的區(qū)域來計算，從而給出對“真正”顏色的更完整的分析，盡管給出該變化的指示，但波長調(diào)制的局限性，在于它是根據(jù)所選擇的波長的兩條曲線間的距離來進行計算的。無論使用哪種方法，所監(jiān)測到的分布光譜組成成分的變化都要與殼體的運動的不同程度的變化和方向的標定規(guī)范相比較。
“多色光”這一術語，在這里的意思是指任何多種波長的輻射，特別是意味著包括可見光和紅外線兩種輻射。盡管為了便于理解而在這里使用“顏色”這一術語，則一點也不意味著只能使用可見光。如果儀器使用輻射超出可見光譜的范圍發(fā)射源，則術語“顏色”指的是輻射的光譜分布。
在殼體上或殼體內(nèi)至少可方便地安裝有兩對光源和檢波器，每對限定一條多色光的傳播路徑，至少兩對的路徑方向是不同的，其設置方式應使殼體在至少兩個方向的任一個方向上的運動變化，都能引起輻射調(diào)制裝置沿著至少各對光源和檢波器中之一的路徑發(fā)生位移，以便使達到這個或各檢波器的光線的分布光譜組成成分發(fā)生改變。由于這種設置方式，能確定兩維運動，能從本發(fā)明的儀器具有測定預定平面內(nèi)任一方向的運動的能力?？煞奖愕嘏渲弥辽賰蓪庠春蜋z波器，以使各光路處在同一平面內(nèi)。
更好的方案是至少提供三對光源和檢波器，每對限定一條多色光傳播路徑，這樣的設置方式可以使殼體沿任何方向的運動變化都能引起輻射調(diào)制裝置沿著這三對光源和檢波器中至少一條路徑上發(fā)生位移，從而致使到達一個或幾個檢波器的光線的分布光譜的組成成分有所改變。最好是使三對光源和檢波器的三條傳播路徑在三個不同方向上，并且第三對光路所在平面與另外一條或二條路徑成一角度θ(其中θ≠0)，這樣的設置方式可以測定三維運動?？梢韵胍?，輻射調(diào)制裝置和這幾對光源和檢波器使殼體在任何方向的運動變化，都能夠引起輻射調(diào)制裝置沿著至少兩對光源和檢波器的路徑發(fā)生位移，從而致使到達兩個或多個檢波器的光線的分布光譜組成成分發(fā)生變化。
輻射調(diào)制裝置及各對光源和檢波器最好使殼體在任何方向的運動變化能引起一個輻射調(diào)制裝置發(fā)生位移，致使產(chǎn)生到達檢波器的，對于那個運動方向來說是唯一的光線的分布光譜組成成分。所以，分析裝置能夠從來自各檢波器的信號的任何特定組合中確定出關于運動的幅度和方向的明確的單值。
輻射調(diào)制裝置最好包含一個或多個濾波器元件，濾波器元件可以將不同的光波衰減到不同的程度。殼體的運動引起一個或多個濾波器元件的運動，從而調(diào)制到達一個或多個檢波器輻射光線的“顏色”。分折該顏色調(diào)制，可以用來確定殼體的運動。以一種簡便形式設置的一個或者幾個濾波器元件包含一個或多個有色的透明球體，即通常所謂的紅寶石球體，這些球體不僅能對輻射線進行調(diào)制，而且還有助于將其聚焦到一個或幾個檢波器上，因而提供了更靈敏的分辨率以便對非常小的運動量作更精確地檢測。
可以設想可借助一個或者多個固定在殼體上的柔韌而細長的元件懸掛一個或者多個對體。這種一個或多個柔韌而細長的元件可以是金屬線或者彈性元件，并且應使一個或多個球體能被安裝在殼體上，其安裝方式使之能沿著任何三維方向相對于該處運動。另一種可選方案是，一個或多個球體借助于若干來自安裝在殼體上的噴嘴的流體(典型是空氣)射流束來懸浮。
在另一個方案中，一個或多個濾波器元件包含縱向延伸構件或被安裝在其上。至少其中一個濾波器元件包含一根光纖。另一方案或此外其中至少一個濾波器元件包含一個濾波條(filter strip)，或者包含一個安裝在縱向延伸構件上的帶色的透明球體。
在一個簡便的設置方式中，一個或多個縱向延伸構件中至少有一個構件是在或靠近其端部之一固定到殼體上、而其另一端則可在其縱向通路上橫向地自由移動的懸臂梁形式。殼體的運動則引起這個懸臂梁的自由端擺動，從而產(chǎn)生輻射調(diào)制裝置沿著一對或多對光源和檢波器的路徑上的位移。另一可選方案是，一個或多個縱向延伸構件之一是呈橫衍形式在或接近其兩端固定在殼體上，而其中央部分則可以在其縱向通路上橫向地自由移動。在另一設置方案中，如上面所描述的那樣借助固定到殼體的一根或多根柔韌而細長元件而將一個或多個縱向延伸的構件之中至少有一個構件懸掛起來。
在一個或多個濾波器元件包含縱向延伸構件或者安裝在其上的情況下，殼體沿著濾波器元件之一的縱軸方向的運動，可能不會造成那個濾波器元件沿著其各對光源和檢波器的路徑上的位移。即使出現(xiàn)這一位移，它也不能導致到達檢波器的光線的調(diào)制。因此在這種情況下，輻射調(diào)制裝置適于至少包括分別包含一個縱向延伸構件或被安裝在其上的第一和第二濾波器元件，第一、第二濾波器元件的縱軸在不同的平面內(nèi)，這樣設置方式就可做到殼體沿至少一個方向的運動變化，可以引起第二濾波器元件沿著第三對光源和檢波器路徑發(fā)生位移;而殼體沿著另一方向的運動變化，則可以引起第一濾波器元件沿著第一和第二對光源和檢波器的一條或兩條路徑發(fā)生位移。只要提供其縱軸在不同平面的兩個濾波器元件的條件下，即使殼體的運動是沿著兩個濾波器元件之一的縱軸方向，那么至少對另一個濾波器元件的縱軸說來是橫向的。
一個或多個光源最好適宜于產(chǎn)生白色光信號。本發(fā)明還在于使用上述儀器測定運動的方法。具體地說，測定一個殼體運動變化的方法包含有將多色光至少沿著一條光線路徑傳播到一個或多個檢波器;這樣支承輻射調(diào)制裝置，以使該物體沿著至少一個方向的運動變化引起該輻射調(diào)制裝置沿至少一條光線路徑發(fā)生位移，以便改變到達這個或各檢波器的光線的分布光譜的組成成分;根據(jù)到達這個或各檢波器的光線的分布光譜組成成分的變化來計算物體的運動變化。
下面僅僅作為例子，結合附圖將進一步地描述本發(fā)明的各種實施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的儀器透視圖;
圖2是沿著圖1中A-A線的一個剖面圖;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的儀器透視圖;和圖4至圖6是根據(jù)本發(fā)明的其它可供選擇的實施例的儀器的部分示意圖。
參照圖1和圖2，圖中表示構架1形式的殼體，其橫截面通常是方形并且具有縱向延伸通過其中心的圓孔2。安裝在構架1上的是兩個光源3和4，各光源被安放在構架上表面6的凹槽5內(nèi)。鄰接光源3的是光纖7，其作用在于將光線從光源3發(fā)送至孔徑2的區(qū)域。在孔徑2的對面是與光纖7成直線、且其間間隔為11的另一光纖9。在光纖9運離間隔11的另一端是一個電荷耦合器件(CCD)陣列12形式的檢波器，該陣列12安放在構架1的相應凹槽13內(nèi)。以類似的方式，光纖8和10將光線從光源4越過間隔11并且發(fā)送至安放在構架的凹槽15內(nèi)的CCD陣列14。陣列12和14經(jīng)過線路16、17實現(xiàn)同微處理器18的通訊聯(lián)系，圖1中把微處理器18畫到了外面，但它同樣可直接安裝在構架上。
懸臂光纖19置于間隔11中，懸臂光纖19的縱軸與光纖7和9、及8和10的縱軸相正交。懸臂光纖19的下端20被固定在一個U型支座21上。支座21則安裝在起著封閉孔徑2且使殼體1同懸壁光纖19的下端實現(xiàn)機械聯(lián)動作用的基盤22上。一旦懸臂光纖19彎曲，則其上端23可以在間隔11內(nèi)自由運動。
現(xiàn)在來描述圖1和圖2所示裝置的操作。多色光從光源3，沿著由光纖7和9組成的、且越過間隔11穿過懸臂光纖19的第一條光路，傳送至陣列12。同樣，光線從光源4沿著由光纖8和10組成、且包含間隔11和懸臂光纖19在內(nèi)的第二條光路進行傳送。通過懸臂光纖19的光經(jīng)受顏色調(diào)制，因為光線光譜的組成成分在這一點上由于某些波長比其他波長被衰減得大些或者小些而被改變。入射的光線被陣列12和14檢測出來，并且信號被送至微處理器18，微處理器18計算由陣列接收到的所選波長的光強。微處理器18確定波長調(diào)制系數(shù)，例如兩個被接收的不同波長的光強之比。
殼體1的運動變化，不論由于施加其上的振動導致殼體速度上的變化還是其運動方向的變化，都會引起懸臂光纖19的彎曲。如圖1所示的沿X方向的運動分量，引起懸臂光纖的上端23橫切光纖8和10的光路的運動。類似地，沿Y方向的運動分量，則引起該上端23橫切光纖7和9的光路的運動。懸臂光纖沿著一條或兩條光路的運動，改變了到達CCD陣列的光線的顏色調(diào)制。微處理器18監(jiān)測著波長調(diào)制系數(shù)的變化，并且將其同作為運動的已知變化的預定標定值相比較。這樣，波長調(diào)制中的變化表現(xiàn)為殼體1運動的一種運算。所以，圖1和圖2中所示設備能測定出X向和Y向確定的平面內(nèi)的任何運動變化。
沿著Z方向的運動分量，不會引起懸臂光纖19的彎曲，因而測不出來。如果希望監(jiān)測三維運動，可以使用諸如圖3所示的設備。因為圖3所示的設備是根據(jù)圖1所示設備得來的，所以相似的元件都標以類似的標號。由于提供了相對于光纖19被轉了90°的懸臂光19′及一起的另外一個殼體1′，從而使殼體1及其有關部件的性能有所提高。這意味著，懸臂光纖19′的縱向通路沿著X軸方向安放，這與懸臂光纖19沿Z向安放的作法不同。兩個殼體被固定在一起以便使一個殼體的運動會傳到另一個殼體，因此，施加給殼體1和殼體1′上沿Z方向任何運動分量，都會使懸臂光纖19′產(chǎn)生彎曲，從而使之作橫切光纖8′和光纖10′之間的光路的運動。光纖7′和9′之間的光路并不是必不可缺少的，但可以用作為對光纖7和9之間的光路所檢測到的沿Y向運動的驗證。利用圖3所示的裝置，任何方向上的運動變化都會至少使光纖19和光纖19′中的一個產(chǎn)生彎曲，該彎曲量可通過微處理器18分析處理，以便計算運動的范圍和/或方向。
圖4至圖6表示本發(fā)明的一些實施例，在這些實施例中，用紅寶石球體25代替了懸臂光纖。同光纖作用相似，紅寶石球體也能夠?qū)碜怨庠吹墓饩€聚焦，以便提高儀器的靈敏度。另外，因為球體能夠?qū)ρ厝魏畏较蛲ㄟ^的光進行顏色調(diào)制，所以適當?shù)匕惭b球體使其能作三維運動，就可以利用單個球體計算出任何方向的運動，而不必象圖3那樣要求兩套光學元部件。
圖4表示借助一根懸臂金屬絲26來安裝紅寶石球體25。該金屬絲的一端固定在殼體1上，而球體25則固定在金屬絲的另一端上。三對光纖27和28、29和30、31和32，以相互垂直的三個方向提供了射透過球體25的三條光路。金屬絲26被彎成弧形，其彎弧程度應能使各個光纖都剛好通向球體。殼體1運動中的變化，引起球體25沿著光纖之間一條或多條光路發(fā)生位移。如前所述，這種位移會導致光信號的顏色調(diào)制，可被用來計算殼體的運動。
圖5所示的裝置，借助由噴嘴33噴射的氣流來支撐紅寶石球體25。這種方式也允許光纖不受限制地射向球體，也使球體可以沿任何方向自由移動。
圖6表示的是借助例如金屬絲34那樣的柔性元件來懸掛紅寶石球體25。這些金屬絲應這樣連接到球體上，即，既要使球體能沿任何方向運動，又要保證對光纖27至32的光路來說光線能毫無阻礙地透射過球體。
可以理解得到在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，對上述儀器是可以做出一些改進的。例如，不需要三對光源和檢波器而借助，紅寶石球體的聚焦作用就能夠作出三維運動計算，因為所發(fā)送光束的聚焦點的變化使沿著光路的縱向運動會導至顏色調(diào)制。
要檢測預定頻率的振動的另一個合理的改進，是將輻射調(diào)制裝置安裝在例如膜片那樣的元件上，膜片的自然諧振頻率就是待檢測的預定頻率。在該預定頻率上的振動使輻射調(diào)制裝置，產(chǎn)生比其他頻率上振動要大得多的位移。對于本領域的技術人員來說，根據(jù)本發(fā)明所做這些和其他變動和改進，都是顯而易見的。
權利要求
1.用以測定運動的儀器，其包含一個殼體(1)安裝在該殼體上或該殼體內(nèi)的一個或多個光源(3，4)和一個或多個檢波器(12，14)這個或各光源適于沿著一條路徑傳播多色光至檢波器，這個或各檢波器適于檢測以若干不同波長輻射的入射光強，其特征在于安裝有被殼體支撐的輻射調(diào)制裝置(19；25)，以使殼體至少沿一個方向的運動的變化能夠引起該輻射調(diào)制裝置沿所述路徑發(fā)生位移，從而改變到達一個或多個檢波器的光線的分布光譜組成成分。
2.根據(jù)權利要求
1所述的儀器，其特征在于其中裝設有用以分析分布光譜組成成分變化，從而確定殼體(1)的運動變化的裝置(18)。
3.根據(jù)權利要求
2所述的儀器，其特征在于其中一個或多個檢波器(12;14)每一個適于監(jiān)測以兩個或多個選定波長入射的光強的比率。
4.根據(jù)權利要求
2所述的儀器，其特征在于其中一個或多個檢波器(12;14)每一個都至少包含有第一和第二光敏元件，第一光敏元件對波長的響應度同第二光敏元件對波長的響應度不同，來自這兩個光敏元件的信號被饋送至分析裝置(18)該裝置根據(jù)來自光敏元件的信號計算，入射在一個或多個檢波器上的輻射顏色，正如在色晶圖(CIE)上以一個或多個參數(shù)所表示的那樣。
5.根據(jù)權利要求
1至4中的任何一個所述的儀器，其特征在于其中至少兩對光源和檢波器被安裝在殼體(1)之上或之內(nèi)，每對限定一條多色光路，該至少兩對的光路的方向不同，這種設置方式使殼體(1)沿至少兩個方向中的任何一個方向的運動變化，能引起輻射調(diào)制裝置(19;25)至少沿一對光源和檢波器的路徑的位移，從而改變到達這個或各檢波器的光線的分布光譜組成成分。
6.根據(jù)權利要求
1至5中的任何一個所述的儀器，其特征在于其中至少裝有三對光源和檢波器，每對限定一條多色光的路徑，這種設置方式使殼體(1)沿任何方向的運動的變化，能引起輻射調(diào)制裝置(19;25)沿至少一對光源和檢波器的路徑發(fā)生位移，從而改變到達一個或多個檢波器的光線的分布光譜組分。
7.根據(jù)權利要求
6所述的儀器，其特征在于其中至少三對光源和檢波器的路徑的方向不同，并且第三對光源和檢波器(4′;14′)的光路所在平面與另外兩對光源和檢波器(3，12;4，14)的路徑或之一的路徑成一角度θ(其中θ≠0)。
8.根據(jù)權利要求
6或7所述的儀器，其特征在于其中輻射調(diào)制裝置和各對光源和檢波器設置成能使殼體沿任何方向的運動變化，引起輻射調(diào)制裝置沿至少兩對光源和檢波器的路徑發(fā)生位移，從而改變到達兩個或多個檢波器的光線的分布光譜組成成分。
9.根據(jù)權利要求
6至8中的任何一個所述的儀器，其特征在于其中輻射調(diào)制裝置和那些光源和檢波器對設置成使殼體沿任何方向的運動變化，能引起輻射調(diào)制裝置發(fā)生位移，從而產(chǎn)生一個到達檢波器的對于那一方向的運動是唯一的光線的分布光譜組成成分。
10.根據(jù)權利要求
1至9中的任何一個所述的儀器，其特征在于其中輻射調(diào)制裝置包含可以將不同波長的光衰減到不同程度的一個或多個濾波元件。
11.根據(jù)權利要求
10所述的儀器，其特征在于其中一個或多個濾波元件包含一個或多個有色的、透明的球體(25)。
12.根據(jù)權利要求
11所述的儀器，其特征在于其中一個或多個球體(25)是借助固定到殼體(1)的一個或多個柔韌而細長元件(26;24)而被懸掛的。
13.根據(jù)權利要求
10所述的儀器，其特征在于其中一個或多個濾波元件包含縱向延伸元件(19)或者安裝在縱向延伸元件(19)上。
14.根據(jù)權利要求
6至9中的任何一個所述儀器，其特征在于其中輻射調(diào)到裝置至少包含每個都包含有或者被安裝在一個縱向伸延元件上的第一和第二濾波元件(19;19′)，第一濾波元件(19)的縱軸所在平面與第二濾波元件(19′)的縱軸所在平面不同，其設置方式使殼體(1)至少沿一個方向的運動變化能引起第二濾波元件(19′)沿第三對光源和檢波器(4′;14′)的路徑上發(fā)生位移，而殼體(1)沿另一方向的運動變化能引起第一濾波元件(19)沿著第一對和第二對光源和檢波器(3，12;4，14)之一或兩者的路徑上發(fā)生位移。
15.一種測定殼體(1)運動變化的方法，其特征在于包括以下步驟-至少沿著一條光線路徑傳播多色光至一個或幾個檢波器(12，14)，-支撐輻射調(diào)制裝置(19;25)以使殼體(1)至少在一個方向上的運動變化能引起輻射調(diào)制裝置在至少一條光路發(fā)生位移，從而改變到達這個或各檢換波器的光線的分布光譜組成成分，-根據(jù)到達這個或各檢波器的光線的分布光譜組成成分的變化，來計算殼體運動的變化。
專利摘要
殼體(1)的運動被安裝其上或其內(nèi)的一個或幾個光源(3，4)和一個或幾個檢波器(12，14)所測定，其每個光源沿著一條路徑將多色光傳送給一個檢波器。殼體支撐輻射調(diào)制裝置(19，25)的方式，使殼體運動的變化能引起輻射調(diào)制裝置沿至少一條光路發(fā)生位移，從而改變到達檢波器光線的分布光譜組成成分。每一個檢波器都適于檢測以若干不同波長輻射的入射光強，而分析裝置(18)按照殼體運動來解釋每個檢波器的輸出。
文檔編號C12N9/99GK87103299SQ87103299
公開日1987年11月18日 申請日期1987年5月1日
發(fā)明者戴維·特納·帕爾 申請人:比克有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan