Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам



Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам
Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам
Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам
Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам
Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам
Устройства и способы, относящиеся к оптическим датчикам

 


Владельцы патента RU 2618478:

Зе Боинг Компани (US)

Заявлена группа изобретений, относящаяся к оптическим датчикам. В одном из вариантов реализации способ включает операцию направления света к первому концу оптического волокна, при котором происходит регистрация света, отраженного по меньшей мере одним датчиком из числа первого фотонно-кристаллического датчика, соединенного со вторым концом оптического волокна, и второго фотонно-кристаллического датчика, соединенного со вторым концом оптического волокна. Первый фотонно-кристаллический датчик демонстрирует первый спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром, а второй фотонно-кристалличский датчик демонстрирует второй спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром. Значение параметра для по меньшей мере одного параметра из первого и второго измеряемого параметра определено на основании зарегистрированного света. Технический результат - повышение точности определения заданных параметров. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к оптическим датчикам.

Уровень техники

Во многих системах многочисленные параметры, например, могут быть измерены для отслеживания условий работы, таких как рабочие температуры, давления, уровни текучих сред и т.д. Монтаж датчиков и связанной с ними проводки может значительно увеличивать вес системы и затраты на нее. При использовании нескольких датчиков в определенной области несколько проводов могут быть использованы для соединения датчиков с устройством управления, собирающим информацию от датчиков. Монтаж нескольких датчиков может потребовать проводки большого количества проводов через структуры, что может быть дорогостоящей и трудоемкой последовательностью операций. Например, устройства индикации топливного резервуара самолета могут содержать несколько датчиков в топливном резервуаре. Каждый датчик может быть связан с устройством управления посредством провода. Кроме того, каждый датчик может быть связан с необходимостью врезки в резервуар для прохождения проводов от датчика к устройству управления. Поскольку устройство управления может быть размещено па некотором удалении от топливного резервуара, каждый провод может также быть проведен через другие структуры самолета, например, переборки. Выполнение врезок для проводки (в топливном резервуаре и в других структурах самолета), а также прокладка проводки могут быть проблемой и во время конструирования самолета и при производстве и техобслуживании самолета. Кроме того, проводка и сами датчики могут значительно увеличивать стоимость и вес самолета.

Раскрытие изобретения

Оптические датчики могут обладать определенными преимуществами перед электрическими датчиками. Например, оптические датчики обычно не чувствительны к электромагнитным помехам. Кроме того, оптические датчики могут быть выполнены относительно малыми по сравнению с некоторыми морально устаревшими датчиками. Раскрытые здесь определенные оптосенсорные устройства и оптосенсорные системы могут быть выполнены относительно недорогими и могут обеспечивать весьма точную индикацию. Например, в оптосенсорной системе могут быть использованы герметизированные матрицы из многомодового волокна с датчиками типа волоконного пишущего узла, предназначенные для одновременного измерения температуры, давления или других параметров. Такая система может быть простой по конфигурации, гибкой, весьма устойчивой к флуктуациям источника света и недорогой. Кроме того, система может обеспечивать высокую точность при работе в неблагоприятной окружающей среде. Например, раскрытые оптические датчики могут быть использованы в авиационных двигателях и топливных резервуарах, где такие условия, как нагрев, и проблемы безопасности могут приводить к трудностям при использовании электрических систем индикации. Кроме того, оптические датчики могут быть выполнены значительно меньшими, чем электрические датчики и могут использовать меньше мощности. Кроме того, поскольку оптические датчики не чувствительны к электромагнитным помехам, не нужна металлическая экранировка, что может приводить к значительному уменьшению стоимости и веса.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оптосенсорное устройство содержит подложку, первый фотонно-кристаллический датчик, соединенный с подложкой, и второй фотонно-кристаллический датчик, соединимый с подложкой. Первый фотонно-кристаллический датчик выполнен с возможностью отражения первой части падающего света, соответствующей первому спектру отражения. Изменение первого диапазона длин волн первого спектра отражения происходит под воздействием изменений первого измеряемого параметра. Второй фотонно-кристаллический датчик выполнен с возможностью отражения второй части падающего света, соответствующей второму спектру отражения. Изменение второго диапазона длин волн второго спектра отражения происходит под воздействием изменений второго измеряемого параметра. Первый спектр отражения и второй спектр отражения могут быть различными.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оптосенсорная система содержит оптическое волокно и оптосенсорное устройство, связанное с наконечником оптического волокна. Оптосенсорное устройство содержит первый фотонно-кристаллический датчик, выполненный с возможностью демонстрации первого спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром, и второй фотонно-кристаллический датчик, выполненный с возможностью демонстрации второго спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром. Первый спектр отражения и второй спектр отражения могут быть различными.

В одном варианте реализации настоящего изобретения способ включает операцию введения света в первый конец оптического волокна. Происходит измерение интенсивности света, отраженного по меньшей мере от одного датчика из первого фотонно-кристаллического датчика, соединенного со вторым концом оптического волокна, и второго фотонно-кристаллического датчика, соединенного со вторым концом оптического волокна. Первый фотонно-кристаллический датчик демонстрирует первый спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром, а второй фотонно-кристаллический датчик демонстрирует второй спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром. Способ также включает операцию определения значения параметра по меньшей мере для одного параметра из первого измеряемого параметра и второго измеряемого параметра на основании детектированного света.

Описанные отличительные признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть объединены в других вариантах реализации, дополнительные подробности которых раскрыты со ссылками на последующее описание и чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана блок-схема первого определенного варианта реализации оптосенсорной системы.

На фиг. 2 показан упрощенный перспективный чертеж первого определенного варианта реализации оптосенсорной системы.

На фиг. 3 показан упрощенный перспективный чертеж второго определенного варианта реализации оптосенсорной системы.

На фиг. 4 показан упрощенный перспективный чертеж третьего определенного варианта реализации оптосенсорной системы.

На фиг. 5 показана диаграмма второго определенного варианта реализации оптосенсорной системы, развернутой в самолете.

На фиг. 6 показана блок-схема одного варианта реализации способа определения значения параметра посредством оптосенсорной системы.

На фиг. 7 показана блок-схема компьютерной системы, предназначенной для определения значения параметра посредством оптосенсорной системы.

Подробное описание изобретения

Некоторые системы индикации используют несколько независимо работающих пакетов электрических или электромагнитных датчиков. Например, отдельные датчики могут быть использованы для измерения давления, температуры, ускорения и т.д. В определенных приложениях, таких как авиационные топливные резервуары, использование отдельных датчиков для каждого измеряемого параметра может приводить к существенным усложнениям. Например, каждый датчик может быть соединен проводом с устройством управления и может сообщать системе управления информацию об измеряемом параметре посредством электрических сигналов. Прокладка провода от каждого датчика к устройству управления может потребовать выполнения врезок в структуру и врезок в резервуар, что может быть существенной проблемой при конструировании. Например, каждая врезка в структуру и врезка в резервуар может приводить к необходимости рассмотрения вопросов безопасности. Кроме того, каждая врезка в структуру и врезка в резервуар связана с определенным временем монтажа и затратами. В современных самолетах, использующих обшивки и структуры из углеродного волокна, больше не доступно экранирование, которое было связано с металлическими обшивками и структурами. Таким образом, могут возникнуть дополнительные затруднения и затраты, обусловленные проектированием и монтажом устройств экранировки и изоляции, предназначенных для экранировки проводки и датчиков.

Оптические технологии и оптические датчики могут быть использованы для устранения некоторых из этих проблем, связанных с системами электрических датчиков. Например, оптосенсорное фотонно-кристаллическое устройство может быть значительно меньше и легче соответствующего электрического датчика. Кроме того, электромагнитные помехи не существенны для оптических технологий; таким образом, связанные с экранировкой и изоляцией затруднения могут быть значительно ослаблены. Кроме того, раскрытые здесь варианты реализации настоящего изобретения дают возможность снятия показаний от нескольких оптических датчиков посредством одного оптического волокна, что уменьшает количество врезок в структуру и врезок в резервуар, предназначенных для монтажа нескольких датчиков в определенной области. Использование одного оптического волокна вместо нескольких оптических волокон или нескольких электрических соединений может значительно уменьшить затраты на монтаж и ремонт, а также вес системы датчиков. В соответствии с этим стоимость, надежность, время монтажа и другие факторы могут быть улучшены при использовании оптосенсорных систем, особенно оптосенсорных систем, содержащих несколько датчиков в виде фотонных кристаллов, присоединенных к одному оптическому волокну.

Кроме того, фотонные кристаллы могут быть по существу химически и электрически инертны и долговечны. Таким образом, датчики в виде фотонных кристаллов в состоянии надежно работать в неблагоприятной окружающей среде, например, в окружающих средах с высокой температурой, в химически агрессивных окружающих средах и в окружающих средах с высоким уровнем ударных воздействий или ускорения или вибраций. Например, стеклянные оптические волокна и узлы индикации фотонных кристаллов могут работать при экстремальных температурах свыше 900 градусов по Цельсию. В менее экстремальных окружающих средах для оптических волокон могут быть использованы дешевые полимерные материалы, что может уменьшить стоимость и вес.

Оптический фотонно-кристаллический датчик содержит материал, структурированный с возможностью реагирования на изменения в окружающей его среде посредством изменения показателя преломления материала. Это изменение показателя преломления может приводить к частотным сдвигам в спектре отражения оптического фотонно-кристаллического датчика. Таким образом, спектр отражения оптического фотонно-кристаллического датчика может реагировать на параметр, измеряемый в пределах окружающей среды. Например, в зависимости от конфигурации оптического фотонно-кристаллического датчика показатель преломления оптического фотонно-кристаллического датчика может претерпевать изменение под воздействием изменения температуры, изменения давления, вибраций, ускорения, магнитных сил и т.д. В соответствии с этим, посредством направления света в оптический фотонно-кристаллический датчик и регистрации спектра отражения от оптического фотонно-кристаллического датчика может быть выполнена индикация одного параметра или большего количества измеряемых параметров в среде, окружающей оптический фотонно-кристаллический датчик.

На фиг. 1 показана блок-схема первого определенного варианта реализации оптосенсорной системы 100. Система 100 может содержать подложку 102, связанную с оптическим волокном 110. Подложка 102 может содержать несколько участков 104 и 105, соответствующих отдельным физическим участкам на подложке 102. Первый фотонно-кристаллический датчик 106 может быть соединен с первым участком 104 или расположен в пределах первого участка подложки 102, а второй фотонно-кристаллический датчик 107 могут быть соединен со вторым участком 105 или расположен в пределах второго участка подложки 102. В одном варианте реализации настоящего изобретения датчики в виде фотонных кристаллов 106-107 выполнены как часть подложки 102. Например, подложка 102 может быть подвергнута травлению, абляции или иной обработке для образования первого фотонно-кристаллического датчика 106, второго фотонно-кристаллического датчика 107 или обоих датчиков. В другом варианте реализации настоящего изобретения датчики 106-107 в виде фотонных кристаллов выполнены отдельно от подложки 102 и затем механически прикреплены к подложке 102 (например, посредством клейкого материала или технологической операции).

Первый фотонно-кристаллический датчик 106 может быть выполнен с возможностью отражения первой части падающего света, соответствующей первому спектру отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106. Диапазон длин волн первого спектра отражения может претерпевать изменение под воздействием изменений значения первого измеряемого параметра. Например, первый фотонно-кристаллический датчик 106 может содержать первую структуру, образуемую из двух или большего количества материалов, например, из первого материала с первым показателем преломления и второго материала со вторым показателем преломления. Под воздействием изменений в положении или ориентации этих двух или большего количества материалов (например, вследствие изменения давления, температуры, ускорения, вибрации, напряженности магнитного поля или других физических параметров или сил) может иметь место изменение показателя преломления (и спектра отражения) первого фотонно-кристаллического датчика 106. В качестве иллюстрации представим, что первая структура первого фотонно-кристаллического датчика 106 содержит отверстия или другие "дефекты" (например, нерегулярности) в пределах первого материала, заполненные вторым материалом. Например, первый материал может быть твердым, стеклоподобным или кристаллическим материалом, а второй материал может быть газом, жидкостью или другим твердым материалом (например, воздухом, окружающим газом или другим материалом). Поскольку эти два материала или большее количество материалов обладают различными показателями преломления, изменения в структуре первого материала могут приводить к изменениям относительного показателя преломления этих двух материалов, что приводит к общему сдвигу в первом спектре отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106.

Аналогичным образом второй фотонно-кристаллический датчик 107 может содержать вторую структуру, образованную из двух или большего количества материалов. Эти два материала или большее количество материалов, используемых для второго фотонно-кристаллического датчика 107, могут быть теми же самыми материалами, что использованы для первого фотонно-кристаллического датчика 106, или второй фотонно-кристаллический датчик 107 может содержать один материал или большее количество материалов, отличных от материалов первого фотонно-кристаллического датчика 106. Второй фотонно-кристаллический датчик 107 может быть выполнен с возможностью отражения второй части падающего света, соответствующей второму спектру отражения. Диапазон длин волн второго спектра отражения может претерпевать изменение в ответ на второй измеряемый параметр (например, давление, температура, ускорение, вибрация, напряженность магнитного поля и т.д.). В одном варианте реализации настоящего изобретения первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106 может быть отличен от второго спектра отражения второго датчика 107. Таким образом, первый датчик 106 и второй датчик 107 могут отражать свет с различными длинами волн. Первый измеряемый параметр и второй измеряемый параметр могут быть одним и тем же параметром или могут быть различными параметрами.

Оптическое волокно 110 может быть соединено с устройством 120 опрашивания. Устройство 120 опрашивания может содержать один источник 122 света или большее количество источников 122 света и один детектор 124 или большее количество детекторов 124. Один источник 122 света или большее количество источников 122 света могут вырабатывать падающий свет 112, который может быть подан к первому фотонно-кристаллическому датчику 106 и ко второму фотонно-кристаллическому датчику 107 через оптическое волокно 110. В одном варианте реализации настоящего изобретения падающий свет 112 может быть подан к первому и второму фотонно-кристаллическим датчикам 106-107 по существу одновременно. Например, один источник 122 света или большее количество источников 122 света могут одновременно излучать свет на длине волны, соответствующей первому спектру отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106, и свет на длине волны, соответствующей второму спектру отражения второго фотонно-кристаллического датчика 107. Например, один источник 122 света или большее количество источников 122 света могут представлять собой широкополосный источник света. В другом примере один источник 122 света или большее количество источников 122 света могут представлять собой два или большее количество отдельных источников света со сравнительно узким спектром, например, лазерные источники света. Один источник 122 света или большее количество источников 122 света, устройство 120 опрашивания, оптическое волокно 110 или подложка 102 могут содержать фильтр (не показан), задерживающий части спектра падающего света 112, которые не используемы или не нужны фотонно-кристаллическим датчикам 106, 107.

Первый датчик 106 может отражать первый отраженный свет 114, реагируя на первые измеряемые параметры. Поскольку спектр отражения первого датчика 106 претерпевает изменение под воздействием первого измеряемого параметра, первый отраженный свет 114 может иметь длину волны, характеризующую значение первого измеряемого параметра. Второй датчик 107 может отражать второй отраженный свет 115. Второй отраженный свет 115 может иметь вторую длину волны, характеризующую значение второго измеряемого параметра.

Один детектор 124 или большее количество детекторов 124 могут измерять первый отраженный свет 114 и второй отраженный свет 115. Один детектор 124 или большее количество детекторов 124 могут быть соединены с одним процессором 126 или большим количеством процессоров 126. Один процессор 126 или большее количество процессоров 126 могут получать информацию, характеризующую длину волны первого отраженного света 114, второго отраженного света 115, или и того и другого, от одного детектора 124 или от большего количества детекторов 124. В ответ на информацию, предоставленную детекторами 124, процессор 126 может определить значение по меньшей мере одного параметра из первого измеряемого параметра и второго измеряемого параметра.

В одном варианте реализации настоящего изобретения список измеряемых параметров может включать температуру, давление, ускорение, вибрацию, напряженность магнитного поля, один другой параметр или большее количество других параметров, или комбинацию этих параметров. Хотя на фиг. 1 показаны два фотонно-кристаллических датчика 106, 107, оптосенсорная система 100 может содержать больше двух фотонно-кристаллических датчиков, а датчики в виде фотонных кристаллов в системе 100 могут быть выполнены с возможностью измерения одного измеряемого параметра или большего количества измеряемых параметров. В одном варианте реализации настоящего изобретения первый фотонно-кристаллический датчик 106 реагирует на тот же измеряемый параметр, что и второй фотонно-кристаллический датчик 107. В другом варианте реализации настоящего изобретения первый датчик 106 реагирует на другой измеряемый параметр, чем второй датчик 107. При наличии более чем двух фотонно-кристаллических датчиков каждый фотонно-кристаллический датчик может реагировать на один и тот же измеряемый параметр, или один датчик или большее количество фотонно-кристаллических датчиков может реагировать на другой измеряемый параметр, чем один другой датчик или большее количество других фотонно-кристаллических датчиков. Кроме того, оптическое волокно 110 может быть выполнено в виде многомодового оптического волокна, способного передавать несколько длин волн света, включая длины волн падающего света 112, первого отраженного света 114, второго отраженного света 115, другие длины волн или комбинации этих длин волн.

В одном варианте реализации настоящего изобретения первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106 может претерпевать изменение в ответ на значение первого измеряемого параметра и в ответ на значение второго измеряемого параметра. Например, если первый датчик 106 представляет собой датчик давления, спектр отражения датчика давления может претерпевать изменение в результате изменений физических размеров структуры первого датчика 106, вызываемых изменениями давления. Второй фотонно-кристаллический датчик 107 может быть датчиком температуры. Спектр отражения датчика температуры может претерпевать изменение в результате изменений физических размеров структуры второго датчика 107, вызываемых изменениями температуры. В этом примере изменение температуры первого датчика 106 может также изменить физические размеры структуры первого датчика 106. Это может ввести некоторую ошибку в значение давления, измеряемое первым датчиком 106. В этом варианте реализации настоящего изобретения процессор 126 может иметь доступ к калибровочным соотношениям, которые могут быть использованы процессором 126 для определения значения первого измеряемого параметра, основанного на первом отраженном свете 114 от первого датчика 106, втором отраженном свете 115 от второго датчика 107, и на калибровочных соотношениях, связывающих изменения в первом спектре отражения с изменениями в первом измеряемом параметре и изменениями во втором измеряемом параметре. Например, посредством сопоставления информации об изменениях в первом спектре отражения и изменениях во втором спектре отражения процессор 126 может удалить вклад изменения температуры из определенного значения давления.

В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере часть оптосенсорной системы 100 может быть расположена внутри топливного резервуара самолета. В этом варианте реализации настоящего изобретения свет, отраженный первым датчиком 106 и вторым датчиком 107, может быть использован для предоставления информации, указывающей на количество топлива в топливном резервуаре. Например, посредством измерения давления топлива на датчик можно выполнить оценку количества топлива (например, на основании плотности топлива или на основании калибровочных соотношений, например, справочной таблицы). Более точная оценка может быть получена на основании определения нескольких показаний давления (возможно, полученных в различных местах внутри топливного резервуара), измерения, наряду с давлением, температуры топлива, для получения более точной оценки плотности топлива, или на основании и того и другого. Таким образом, оптосенсорная система 100 может быть использована для устранения некоторых из проблем, связанных с использованием систем электрических датчиков в топливном резервуаре. Например, оптосенсорная система 100 может быть значительно меньше и легче соответствующей системы электрических датчиков. Поскольку лишь одно оптическое волокно (например, оптическое волокно 110) может быть использовано для соединения нескольких фотонно-кристаллических датчиков (например, первого фотонно-кристаллического датчика 106 и второго фотонно-кристаллического датчика 107) с устройством 120 опрашивания, может быть уменьшено количество врезок в структуру и врезок в резервуар, которые могут быть использованы для монтажа оптосенсорной системы 100. Кроме того, использование лишь одного оптического волокна 110 может уменьшить затраты на монтаж и ремонт, а также вес оптосенсорной системы 100 относительно системы электрических датчиков. Таким образом, стоимость, надежность, время монтажа и другие факторы могут быть улучшены при использовании оптосенсорной системы 100. Система 100 может также быть по существу неуязвимой для электромагнитных помех. Кроме того, система 100 в состоянии надежно работать в неблагоприятной окружающей среде, например, в окружающих средах с высокой температурой, в химически агрессивных окружающих средах и в окружающих средах с высоким уровнем ударных воздействий или ускорения или вибраций.

На фиг. 2 показан упрощенный перспективный чертеж первого варианта реализации оптосенсорного устройства 200. Устройство 200 содержит оптическое волокно 210, содержащее наконечник или конец 212. Подложка 202 может быть прикреплена к концу 212 оптического волокна 210. Подложка 202 может содержать один датчик или большее количество фотонно-кристаллических датчиков. Например, подложка 202 может быть разделена на квадранты (или другие пространственные участки), причем каждый квадрант связан с отдельным оптическим фотонно-кристаллическим датчиком, например, с первым фотонно-кристаллическим датчиком 206, вторым фотонно-кристаллическим датчиком 207, третьим фотонно-кристаллическим датчиком 208 и четвертым фотонно-кристаллическим датчиком 209.

Каждый из датчиков 206-209 может быть связан с различным отражательным спектром. Спектр отражения каждого из датчиков 206-209 может претерпевать изменение, реагируя на один измеряемый параметр или на большее количество измеряемых параметров. Например, каждый спектр из спектров отражения первого датчика 206 и второго датчика 207 может претерпевать изменение, реагируя на один и тот же измеряемый параметр, например температуру. В другом примере каждый спектр из спектров отражения третьего датчика 208 и четвертого датчика 209 может претерпевать изменение, реагируя на второй измеряемый параметр, например, давление. Информация, описывающая изменения измеряемых параметров, может быть передана через оптическое волокно 210 посредством отражательных спектров датчиков 206-209. Информация от одного датчика из датчиков 206-209 может быть отделена от информации от другого датчика из датчиков 206-209 на основании различных длин волн спектров отражения от датчиков 206-209. Таким образом, оптосенсорное устройство 200 может содержать два датчика или большее количество фотонно-кристаллических датчиков, которые вместе обеспечивают индикацию одного измеряемого параметра или большего количества измеряемых параметров.

На фиг. 3 показан упрощенный перспективный чертеж второго определенного варианта реализации оптосенсорного устройства 300. Устройство 300 содержит оптическое волокно 310, содержащее наконечник или конец 313. Подложка 303 может быть прикреплена к концу 313 оптического волокна 310. Два датчика или большее количество фотонно-кристаллических датчиков, например первый фотонно-кристаллический датчик 305, второй фотонно-кристаллический датчик 306, третий фотонно-кристаллический датчик 307, четвертый фотонно-кристаллический датчик 308 и пятый фотонно-кристаллический датчик 309 могут быть соединены с подложкой 302. Оптосенсорное устройство 300 иллюстрирует другую физическую конфигурацию фотонно-кристаллических датчиков 305-309 по сравнению с конфигурацией датчиков фотонно-кристаллических 206-209 из оптосенсорного устройства 200 по фиг. 2. Конфигурация фотонно-кристаллических датчиков 305-309 дает возможность оптосенсорному устройству 300 содержать больше фотонно-кристаллических датчиков, чем у основанной на квадрантах конфигурации оптосенсорного устройства 200 по фиг. 2. В других вариантах реализации настоящего изобретения оптосенсорное устройство может содержать больше датчиков чем пять фотонно-кристаллических датчиков 305-309, показанных на фиг. 3, или меньше чем пять фотонно-кристаллических датчиков.

На фиг. 4 показан упрощенный перспективный чертеж третьего определенного варианта реализации оптосенсорного устройства 400. Устройство 400 содержит оптическое волокно 410, содержащее наконечник или конец 412. Подложка 402 может быть прикреплена к концу 412 оптического волокна 410. Два датчика или большее количество фотонно-кристаллических датчиков, например, первый фотонно-кристаллический датчик (например, эталонный фотонно-кристаллический датчик 405), второй фотонно-кристаллический датчик 406, третий фотонно-кристаллический датчик 407, четвертый фотонно-кристаллический датчик 408 и пятый фотонно-кристаллический датчик 409 могут быть соединены с подложкой 402. Устройство 400 иллюстрирует другую физическую конфигурацию фотонно-кристаллических датчиков 405-409 по сравнению с конфигурацией фотонно-кристаллических датчиков 206-209 из оптосенсорного устройства 200 по фиг. 2 и по сравнению с конфигурацией фотонно-кристаллических датчиков 305-309 из оптосенсорного устройства 300 по фиг. 3. Например, оптосенсорное устройство 400 содержит эталонный фотонно-кристаллический датчик 405, который может быть, по меньшей мере частично, изолирован от среды, окружающей оптосенсорное устройство 400. Например, эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 может быть заключен в капсулу или иметь покрытие (например, покрывающий слой 404).

Эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 может действовать как эталон относительно одного другого датчика или большего количества других фотонно-кристаллических датчиков 406-409. Покрывающий слой 404 может, по меньшей мере частично, экранировать эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 от окружающей среды, обеспечивая возможность дифференциации различных измеряемых параметров. Например, эталонный датчик 405 может быть подвержен воздействию температуры окружающей среды, но может быть, по меньшей мере частично, экранирован от изменений давления в окружающей среде. Таким образом, информация от эталонного датчика 405 может быть использована для отделения изменения температуры от изменения давления, измеряемого одним другим датчиком или большим количеством других фотонно-кристаллических датчиков 406-409. Например, второй фотонно-кристаллический датчик 406 может иметь спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром и реагирующий на второй измеряемый параметр. Аналогично, третий фотонно-кристаллический датчик 407 может иметь спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром и реагирующий на второй измеряемый параметр. Эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 может иметь спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии только со вторым измеряемым параметром. Таким образом, эталонный датчик 405 может быть использован для определения значения первого измеряемого параметра независимо от второго измеряемого параметра, для определения значения второго измеряемого параметра независимо от первого измеряемого параметра, или обоих, посредством отделения влияния одного измеряемого параметра от влияния другого измеряемого параметра.

На фиг. 5 показана блок-схема второго определенного варианта реализации оптосенсорной системы 500. В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 5, система 500 расположена на части самолета 502. Система 500 может содержать устройство 504 опрашивания, соединенное с одним волокном или большим количеством оптических волокон, таких как оптическое волокно 506. Оптическое волокно 506 может иметь первый конец с наконечником, присоединенным к оптосенсорному устройству 508. Например, устройство 508 может быть размещен в месте, в котором должны быть собраны данные измерений, например, внутри топливного резервуара 512 самолета 502, внутри двигателя самолета 502, вне самолета 502 и т.д.

Оптосенсорное устройство 508 может содержать первый фотонно-кристаллический датчик 510 и второй фотонно-кристаллический датчик 511. Первый фотонно-кристаллический датчик 510 может быть выполнен с возможностью демонстрации первого спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром. Второй фотонно-кристаллический датчик 511 может быть выполнен с возможностью демонстрации второго спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром. Первый измеряемый параметр и второй измеряемый параметр могут быть одинаковыми или различными. Например, первый фотонно-кристаллический датчик 510 и второй фотонно-кристаллический датчик 511 способны измерять давление внутри топливного резервуара 512 самолета. В другом примере первый фотонно-кристаллический датчик 510 способен измерять давление, а второй фотонно-кристаллический датчик 511 способен измерять температуру внутри топливного резервуара 512 самолета.

Спектры отражения первого фотонно-кристаллического датчика 510 и второго фотонно-кристаллического датчика 511 могут быть различными. Таким образом, устройство 504 опрашивания способно идентифицировать и дифференцировать информацию от фотонно-кристаллических датчиков 510, 511, основываясь на длине волны света, отраженного от оптосенсорного устройства 508. Оптосенсорная система 500 может обеспечить возможность оценки количества топлива в топливном резервуаре 512 на основании света, отраженного к детектору света системы 504 опрашивания. Таким образом, интенсивность света, связанного с несколькими датчиками внутри топливного резервуара 512, можно уменьшить, а также уменьшить количество врезок, необходимых для обеспечения возможности датчикам предоставлять измерительную информацию бортовым устройствам, поскольку несколько датчиков выполнены с возможностью предоставления информации лишь через одно оптическое волокно 506. Оптосенсорная система 500 может быть использована для устранения некоторых затруднений, связанных с системами электрических датчиков. Например, система 500 может быть значительно меньше и легче соответствующей системы электрических датчиков. Поскольку лишь одно оптическое волокно (например, оптическое волокно 506) может быть использовано для присоединения нескольких фотонно-кристаллических датчиков (например, первого фотонно-кристаллического датчика 510 и второго фотонно-кристаллического датчика 511) устройству 504 опрашивания, обеспечена возможность уменьшения количества врезок в структуру и врезок в резервуар для монтажа системы 500. Кроме того, использование лишь одного оптического волокна 506 обеспечивает возможность уменьшения затрат на установку и ремонт, а также веса системы 500 относительно системы электрических датчиков. В соответствии с этим стоимость, надежность, время монтажа и другие факторы могут быть улучшены при использовании системы 500. Система 500 может также быть по существу неуязвимой для электромагнитных помех. Кроме того, система 500 в состоянии надежно работать в неблагоприятной окружающей среде, например, в окружающих средах с высокой температурой, в химически агрессивных окружающих средах и в окружающих средах с высоким уровнем ударных воздействий или ускорения или вибраций.

На фиг. 6 показана блок-схема определенного варианта реализации способа определения значения параметра посредством использования оптосенсорной системы. Способ может включать, на этапе 602, операцию направления света к первому концу оптического волокна. Например, один источник или большее количество источников света системы опрашивания, например, один источник 122 света или большее количество источников 122 света из системы опрашивания 120 по фиг. 1, могут направлять свет, имеющий одну длину волны или большее количество определенных длин волны, к оптическому волокну 110 в качестве падающего света 112.

В качестве реакции на свет, направленный к первому концу оптического волокна, свет может быть измерен на этапе 604. Измеренный свет может быть отражен первым фотонно-кристаллическим датчиком, соединенным со вторым концом оптического волокна, вторым фотонно-кристаллическим датчиком, соединенным со вторым концом оптического волокна, или и первым фотонно-кристаллическим датчиком и вторым фотонно-кристаллическим датчиком. Как ранее объяснено, больше чем два фотонно-кристаллических датчика могут быть соединены со вторым концом оптического волокна, например, четыре фотонно-кристаллических датчика 206-209 по фиг. 2, пять фотонно-кристаллических датчиков 305-309 по фиг. 3 или четыре фотонно-кристаллических датчика 406-409 и эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 по фиг. 4. Таким образом, измеряемый свет может быть отражен больше чем от двух фотонно-кристаллических датчиков.

При использовании в качестве примера двух фотонно-кристаллических датчиков первый фотонно-кристаллический датчик может быть выполнен с возможностью демонстрации первого спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром. Второй фотонно-кристаллический датчик может выполнен с возможностью демонстрации второго спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром. Первый измеряемый параметр и второй измеряемый параметр могут быть одинаковыми или различными. Длина волны первого спектра отражения и длина волны второго спектра отражения могут быть различными.

Способ может также включать, на этапе 606, операцию определения значения параметра для по меньшей мере одного параметра из первого измеряемого параметра и второго измеряемого параметра, на основании измеренного света. Например, значение некоторого параметра может быть определено на основании света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком, на основании света, отраженного вторым фотонно-кристаллическим датчиком, или на основании и того и другого. Например, первый фотонно-кристаллический датчик может демонстрировать изменение, связанное с первым измеряемым параметром и связанное со вторым измеряемым параметром. Свет, отраженный вторым фотонно-кристаллическим датчиком, может быть использован для определения значения первого измеряемого параметра посредством предоставления информации о воздействии второго измеряемого параметра на первый фотонно-кристаллический датчик. В другом варианте система может содержать третий датчик. Третий датчик может представлять собой другой фотонно-кристаллический датчик, например эталонный фотонно-кристаллический датчик 405 по фиг. 4, или может быть выполнен в виде датчика другого типа (такого как неоптический датчик, например, электрический датчик). Третий датчик может предоставлять информацию о первом измеряемом параметре, втором измеряемом параметре или об обоих. Таким образом, значение параметра может быть определено на основании информации от третьего датчика и на основании света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком. Кроме того, свет, отраженный вторым фотонно-кристаллическим датчиком, может быть использован при определении значения параметра. В одном варианте реализации настоящего изобретения первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика не проявляет значительных изменений при реакции на изменения во втором измеряемом параметре. Например, первый фотонно-кристаллический датчик может быть эталонным датчиком, физически или механически изолированным от влияния второго измеряемого параметра. Таким образом, первый спектр отражения может быть независимым от изменений второго измеряемого параметра.

На фиг. 7 показана блок-схема компьютерной системы 700 общего назначения, обеспечивающей возможность выполнения реализуемых компьютером способов или обработки выполняемых компьютером команд по обработке данных от одного датчика или большего количества датчиков, например фотонно-кристаллических датчиков 106-107 по фиг. 1, фотонно-кристаллических датчиков 206-209 по фиг. 2, фотонно-кристаллических датчиков 305-309 по фиг. 3, фотонно-кристаллических датчиков 406-409 по фиг. 4, эталонного датчика 405 по фиг. 4, фотонно-кристаллических датчиков 510-511 по фиг. 5, других датчиков или любой комбинации таких датчиков. Например, вычислительная система 700 может содержать устройство 120 опрашивания по фиг. 1 или устройство 504 опрашивания по фиг. 5 или быть внутри таких устройств.

В иллюстративном варианте реализации настоящего изобретения вычислительное устройство 710 из вычислительной системы 700 может содержать по меньшей мере один процессор 720. Процессор 720 может быть выполнен с возможностью выполнения команд, предназначенных для выполнения способа определения значения параметра при использовании оптосенсорной системы, например, способа, описанного со ссылками на фиг. 6. Процессор 720 может иметь связь с устройством 730 системной памяти, одним устройством или большим количеством устройств 740 хранения данных и одним устройством или большим количеством устройств 770 ввода/вывода через интерфейсы 750 ввода/вывода.

Устройство 730 системной памяти может содержать устройства энергозависимой памяти, например, устройства памяти произвольного доступа (RAM), и устройства энергонезависимой памяти, например, устройства постоянной памяти (ROM), программируемой постоянной памяти и флэш-памяти. Устройство 730 системной памяти может содержать операционную систему 732, способную содержать базовую систему ввода/вывода (BIOS) для загрузки вычислительного устройства 710, а также полную операционную систему, обеспечивающую вычислительному устройству 710 возможность взаимодействия с пользователями, другими программами и другими устройствами. Устройство 730 системной памяти может также содержать одну прикладную программу 734 или большее количество 734 прикладных программ.

Процессор 720 также может поддерживать связь с одним устройством или большим количеством устройств 740 хранения данных. Устройства 740 хранения данных могут содержать энергонезависимые устройства хранения данных, например магнитные диски, оптические диски или устройства флэш-памяти. В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения устройства 740 хранения данных могут выполнены с возможностью хранения операционной системы 732, прикладных программ 734, данных 736 о программе или любой их комбинации. Процессор 720 способен поддерживать связь с одним интерфейсом или большим количеством интерфейсов 760 связи, обеспечивая возможность вычислительному устройству 710 поддерживать связь с другими вычислительными системами 780. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройства 740 хранения данных могут хранить информацию, используемую процессором для определения значения параметра посредством использования оптосенсорной системы. Например, устройства 740 хранения данных могут содержать калибровочное соотношение, связывающее изменения в одном спектре или в большем количестве спектров отражения с изменениями в измеряемых параметрах.

Как показано на фиг. 1-7 и в сопутствующем тексте выше, раскрыта оптосенсорная система 100, 500, содержащая оптическое волокно 110, 510 и оптосенсорное устройство 200, 300, 400, 508, соединенный с наконечником оптического волокна 110, 210, 310, 410, 506. Оптосенсорное устройство 200, 300, 400, 508 может содержать первый фотонно-кристаллический датчик 106, выполненный с возможностью демонстрации первого спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром, и второй фотонно-кристаллический датчик 107, выполненный с возможностью демонстрации второго спектра отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром, причем первый спектр отражения и второй спектр отражения различны. В одном варианте реализации оптическое волокно 110, 210, 310, 410, 506 представляет собой многомодовое оптическое волокно. В еще одном варианте реализации источник света может быть соединен с оптическим волокном, причем источник света подает свет к оптосенсорному устройству 200, 300, 400, 508 через оптическое волокно 10, 210, 310, 410, 506 и по меньшей мере часть света, подаваемого источником 122 света, обладает длиной волны внутри по меньшей мере одного спектра из первого спектра отражения и второго спектра отражения. В еще одном варианте реализации детектор 124 света может быть соединен с оптическим волокном 110, 210, 310, 410, 506 и выполнен с возможностью детектирования света, отраженного по меньшей мере одним датчиком из первого фотонно-кристаллического датчика 106 и второго фотонно-кристаллического датчика 107.

В одном альтернативном варианте реализации процессор 126, 720 может быть соединен с детектором 124 света и выполнен с возможностью определения значения первого измеряемого параметра и значения второго измеряемого параметра на основании света, детектированного детектором 124 света. В еще одном варианте реализации первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика 106 претерпевает дальнейшие изменения под воздействием изменений во втором измеряемом параметре, причем оптосенсорная система 100, 500 дополнительно содержит процессор 126, 720 для определения значения первого измеряемого параметра на основании света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком 106, света, отраженного вторым фотонно-кристаллическим датчиком 107 и калибровочного соотношения, связывающего изменения в первом спектре отражения с изменениями в первом измеряемом параметре и с изменениями во втором измеряемом параметре. В одном варианте реализации оптосенсорное устройство 200, 300, 400, 508 может быть расположен внутри топливного резервуара 512 самолета и выполнен с возможностью отражения света к детектору 124 света на борту самолет для оценки количества топлива в топливном резервуаре 512.

Иллюстрации описанных здесь вариантов реализации настоящего изобретения предназначены для обеспечения общего понимания структуры различных вариантов реализации. Иллюстрации не предназначены для полного описания всех элементов и отличительных признаков устройств и систем, использующих описанные здесь структуры или способы. Многие другие варианты реализации настоящего изобретения могут быть очевидными для специалистов в данной области техники после рассмотрения настоящего раскрытия. Другие варианты реализации настоящего изобретения могут быть использованы и получены из раскрытия, так что структурные и логические замены и изменения могут быть проведены без выхода за пределы объема раскрытия. Например, этапы способа могут быть выполнены в другом, чем показано на фигурах, порядке или одна операция или большее количество этапов способа могут быть опущены. В соответствии с этим описание и фигуры должны быть расценены как иллюстративные, а не ограничивающие.

Кроме того, хотя отдельные варианты реализации настоящего изобретения были иллюстрированы и описаны здесь, нужно иметь ввиду, что любая последующая конфигурация, разработанная для достижения тех же самых или подобных результатов, может заменить показанные определенные варианты реализации. Настоящее изобретение предназначено для охвата любых и всех последующих адаптации или вариаций различных вариантов реализации. Комбинации вышеупомянутых вариантов реализации настоящего изобретения и других вариантов реализации, здесь определенным образом не описанных, очевидны для специалистов в данной области техники после рассмотрения описания.

Резюме изобретения представлено с пониманием того, что оно не будет использовано для интерпретации или ограничения области или значения пунктов формулы. Кроме того, в предшествующем подробном описании различные отличительные признаки могут быть сгруппированы или описаны в лишь в одном варианте реализации настоящего изобретения с целью упрощения раскрытия. Настоящее раскрытие не должно быть интерпретировано как отражающее намерение, что описанные в пунктах формулы варианты реализации требуют большего количества отличительных признаков, чем явно указано в каждом пункте. Скорее, как показывают последующие пункты формулы, заявляемый объект изобретения может быть нацелен на меньшее количество отличительных признаков, чем все отличительные признаки в любом из раскрытых вариантов реализации настоящего изобретения.

1. Оптосенсорное устройство, содержащее

- подложку (102, 202, 302, 402),

- первый фотонно-кристаллический датчик (106), соединенный с подложкой (102, 202, 302, 402), причем

первый фотонно-кристаллический датчик (106) выполнен с возможностью отражения первой части падающего света, соответствующей первому спектру отражения, а

в ответ на изменения в первом измеряемом параметре происходит изменение первого диапазона длин волн первого спектра отражения, и

- второй фотонно-кристаллический датчик (107), соединенный с подложкой (102, 202, 302, 402), причем

второй фотонно-кристаллический датчик (107) выполнен с возможностью отражения второй части падающего света, соответствующей второму спектру отражения, причем

в ответ на изменения второго измеряемого параметра происходит изменение второго диапазона длин волн второго спектра отражения, причем

- первый спектр отражения и второй спектр отражения различны.

2. Оптосенсорное устройство по п. 1, в котором

первый фотонно-кристаллический датчик (106) имеет первую структуру, выполненную из первого материала с первым показателем преломления и второго материала со вторым показателем преломления, а

второй фотонно-кристаллический датчик (107) имеет вторую структуру, выполненную из первого материала и второго материала, причем

первая структура и вторая структура различны.

3. Оптосенсорное устройство по п. 1, в котором

первый фотонно-кристаллический датчик (106) имеет первую структуру, выполненную из двух или большего количества материалов, имеющих два или большее количество различных показателей преломления, а

второй фотонно-кристаллический датчик (107) имеет вторую структуру, выполненную из по меньшей мере одного материала, отличного от указанных двух или большего количества материалов первой структуры.

4. Оптосенсорное устройство по любому из пп. 1-3, в котором

первый измеряемый параметр представляет собой один из параметров из числа температуры, давления, ускорения и вибрации.

5. Оптосенсорное устройство по любому из пп. 1-3, в котором

первый измеряемый параметр отличен от второго измеряемого параметра.

6. Оптосенсорное устройство по п. 1, в котором

первый фотонно-кристаллический датчик (106) соединен с первым участком (104) подложки (102, 202, 302, 402), а

второй фотонно-кристаллический датчик (107) соединен со вторым участком (105) подложки (102, 202, 302, 402), причем

первый участок (104) отличен от второго участка (105).

7. Оптосенсорное устройство по п. 1, в котором

падающий свет направлен по существу одновременно к первому фотонно-кристаллическому датчику (106) и ко второму фотонно-кристаллическому датчику (107) посредством оптического волокна (110, 210, 310, 410, 506), причем

подложка (102, 202, 302, 402) присоединена к концу оптического волокна (110, 210, 310, 410, 506).

8. Способ определения параметров объекта, включающий

- направление света к первому концу оптического волокна,

- регистрацию света, отраженного по меньшей мере одним датчиком из числа первого фотонно-кристаллического датчика (106), соединенного со вторым концом оптического волокна, и второго фотонно-кристаллического датчика (107), соединенного со вторым концом оптического волокна, причем

первый фотонно-кристаллический датчик (106) демонстрирует первый спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии с первым измеряемым параметром, а

второй фотонно-кристаллический датчик (107) демонстрирует второй спектр отражения, изменение которого происходит в соответствии со вторым измеряемым параметром, и

- определение на основании зарегистрированного света значения параметра для по меньшей мере одного параметра из числа первого измеряемого параметра и второго измеряемого параметра.

9. Способ по п. 8, в котором

свет, направленный в оптическое волокно (110, 210, 310, 410, 506), имеет диапазон длин волн, содержащий первый диапазон длин волн, соответствующий первому спектру отражения, и второй диапазон длин волн, соответствующий второму спектру отражения.

10. Способ по любому из пп. 8 или 9, в котором

первый измеряемый параметр и второй измеряемый параметр представляют собой один и тот же параметр, причем

значение указанного параметра определяют на основании света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком (106), и на основании света, отраженного вторым фотонно-кристаллическим датчиком (107).

11. Способ по любому из пп. 8 или 9, в котором

первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика (106) не претерпевает изменения в ответ на изменения во втором измеряемом параметре.

12. Способ по п. 8, в котором

первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика (106) изменяется в ответ на изменения во втором измеряемом параметре, причем

определение значения параметра включает в себя использование света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком (106), и света, отраженного вторым фотонно-кристаллическим датчиком (107), для определения значения, соответствующего первому измеряемому параметру.

13. Способ по любому из пп. 8 или 9, в котором

первый спектр отражения первого фотонно-кристаллического датчика (106) изменяется в ответ на изменения во втором измеряемом параметре, причем

способ дополнительно содержит получение информации от третьего датчика, причем

значение параметра определяют на основании информации от третьего датчика и на основании света, отраженного первым фотонно-кристаллическим датчиком (106).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в системах защиты периметра территорий и помещений от несанкционированного доступа. Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией содержит лазерный источник импульсов, оптический приемник, циркулятор, несбалансированный интерферометр Маха-Цендера, оптоволоконный кабель и блок управления и обработки.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике. Система содержит широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям перемещений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения физических параметров (температуры, давления и т.п.) преимущественно в условиях, характеризующихся повышенными требованиями к помехозащищенности канала передачи информации, а также необходимостью гальванической изоляции источника и приемника информации.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в гравиметрах, сейсмоприемниках, а также в акселерометрах, вибропреобразователях.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин: линейных и угловых перемещений, силы, давления и др.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.).
Наверх