Способ преобразования светового потока и реализующий его волоконно-оптический датчик давления

Заявленная группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления в ограниченных по высоте полостях посредством волоконно-оптического датчика давления. Способ преобразования светового потока в волоконно-оптическом датчике давления заключается в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на отражающую поверхность, отраженный от зеркальной поверхности световой поток направляется по отводящим оптическим волокнам на приемники излучения, где преобразуется в электрические сигналы. При этом верхняя половина конуса перекрывается непрозрачной шторкой, ширина которой превышает диаметр сердцевины оптического волокна d_c, перемещающейся параллельно общему торцу оптических волокон под воздействием измеряемой физической величины на значение где - апертурный угол оптического волокна, - расстояние от поверхности шторки до зеркальной поверхности. Причем верхняя часть светового потока, изменяющаяся в соответствии с законом изменения измеряемой физической величины, поступает по верхнему отводящему оптическому волокну на первый приемник излучения, нижняя неизменная часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну поступает на второй приемник излучения. Волоконно-оптический датчик давления содержит подводящий и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, закрепленная на мембране. При этом с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность, толщина шторки (0,5…)d_c, а ширина шторки превышает диаметр сердцевины d_c оптического волокна. Перемещение шторки определяется выражением причем расстояние между общим торцом оптических волокон и зеркальной поверхностью определяется выражением где D - расстояние между оптическими осями подводящего и отводящих оптических волокон. Технический результат - реализация компенсационного преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, повышение чувствительности преобразования оптических сигналов, повышение технологичности конструкции датчика, снижение массогабаритных характеристик датчика, обеспечение безопасной для здоровья пациента диагностики заболевания с помощью данного устройства. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в ограниченных по высоте полостях, например, в медицине в аппаратах искусственной вентиляции легких (ИВЛ), в воздушных и жидкостных тонометрах (располагаться между резиновой и кожаной оболочками манжеты в зоне соприкосновения с телом человека), в стоматологии для измерения давления языка на небо на начальной стадии диагностики заболевания, связанного с врожденными расщелинами верхней губы и неба и другими аномалиями ротовой полости, а также в жестких условиях применения ракетно-космической и авиационной техники, там где установочные полости ограничены в размерах по высоте.

Известен способ преобразования светового потока, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на отражающую поверхность, перемещающуюся под воздействием измеряемой физической величины, отраженный от отражающей поверхности световой поток, изменяющийся в соответствии с законом изменения измеряемой величины, направляется по отводящим оптическим волокнам на приемники излучения [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 73-82, https://doi.org/10.25960/7325-1132-1].

Недостаток известного способа заключается в том, что при реализации измерительных преобразователей, в основе принципа действия которых лежит данный способ, продольные габаритные размеры устройства будут существенны, что неприемлемо при измерении, например, давления в узких полостях.

Известен способ преобразования светового потока, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на вход отводящих оптических волокон, между волокнами перемещается под воздействием измеряемой физической величины аттенюатор (шторка, экран) или непрозрачный или с отверстием, [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е. А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 87-91, https://doi.org/10.25960/7325-1132-1].

Недостаток известного способа заключается в том, что при реализации измерительных преобразователей, в основе принципа действия которых лежит данный способ, для обеспечения высокой чувствительности преобразования и высокой повторяемости функции преобразования от образца к образцу требуется сложная процедура юстировки, обеспечивающая соосность элементов преобразователя, расчетные значения расстояний между оптическими волокнами и отверстием в шторке.

Известен способ преобразования светового потока, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на шторку с отражающей поверхностью в виде горизонтальной полосы, перемещающуюся под воздействием измеряемой физической величины, отраженный от отражающей поверхности световой поток, изменяющийся в соответствии с законом изменения измеряемой величины, направляется по отводящим оптическим волокнам на приемники излучения [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 33-87, https://doi.org/10.25960/7325-1132-1].

Недостаток известного способа заключается в том, что при реализации измерительных преобразователей, в основе принципа действия которых лежит данный способ, для обеспечения высокой повторяемости функции преобразования от образца к образцу требуется сложная процедура юстировки, обеспечивающая точное позиционирование элементов преобразователя, расчетные значения расстояний между оптическими волокнами и отражающей полосой на шторке.

Известны волоконно-оптические датчики давления, принцип действия которых основан на создании микроизгибов оптических волокон под воздействием силы или давления, содержащие набор цилиндрических валиков, которые сдавливаются деформерами, изготовленными в форме двух зубчатых пластин [US Patent No. 4918305, Fiber optic pressure sensor using pressure sensitive fiber different from input and output fibers, issued Apr. 17, 1990 to Μ. T. Wlodarczyk, Μ.K. Krage and D.J. Vickers]. Один из деформеров неподвижен, другой - перемещается при прогибе мембраны. Оптическое волокно окружено эластичным веществом, коэффициент преломления которого больше, чем коэффициент преломления оболочки оптического волокна.

Недостатки указанных датчиков следующие:

- чувствительность преобразования оптического сигнала в зоне измерения недостаточна для измерения давления языка, особенно в том случае, если речь идет о ребенке,

- технологичность конструкции низкая, так как очень сложная процедура юстировки, которая требует прецизионной установки верхней пластины относительно нижней со сдвигом, равным половине диаметра оптического волокна, то есть речь идет о микронах,

- датчик невозможно установить в манжете или в полости рта из-за больших габаритных и установочных размеров, превышающих размеры установочной полости манжеты или полости рта ребенка.

Близким по техническому исполнению к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий соосно расположенные подводящий и отводящие оптические волокна, непрозрачную шторку с отверстием, расстояние между волокнами и шторкой определяются расчетным путем, причем в приемном торце жгута отводящих волокон соосно с подводящим оптическим волокном и отверстием в шторке расположен отрезок технологического волокна, вокруг которого расположены приемные торцы отводящих оптических волокон, разделенные на две равные по количеству волокон группы, симметрично расположенные друг над другом в направлении перемещения шторки [Патент на изобретение РФ 2290605].

Такое расположение оптических волокон, например в корпусе датчика давления, требует крутого изгиба оптического волокна, что ведет, во-первых, к увеличению габаритов датчика, а, во-вторых, снижает уровень сигнала и, соответственно, снижает чувствительность преобразования оптических сигналов в зоне измерения [см. Волоконно-оптические датчики давления аттенюаторного типа для летательных аппаратов / Е.А. Бадеева, В.А Мещеряков, Т.И. Мурашкина и [др.]//Датчики и системы. - 2003. - №.4. - С. 11-14].

Кроме того, для обеспечения высокой чувствительности преобразования и высокой повторяемости функции преобразования от образца к образцу требуется сложная процедура юстировки, обеспечивающая соосность элементов преобразователя, расчетные значения расстояний между оптическими волокнами и отверстием в шторке.

Близким по технической сущности исполнения измерительного преобразователя к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, относительно общего торца которых на начальном расстоянии установлена перемещающаяся поверхность с зеркальной и поглощающей частями, причем зеркальная часть выполнена в виде горизонтальной полосы, оптические волокна расположены друг над другом в вертикальном направлении [Патент на изобретение РФ 2308772]. Недостатки данного технического решения следующие:

- для точного функционирования преобразователя необходимо прецизионное изготовление горизонтальной полосы, шириной, близкой к диаметру сердцевины оптического волокна (50…200 мкм);

- для обеспечения высокой чувствительности преобразования и высокой повторяемости функции преобразования от образца к образцу требуется сложная процедура юстировки, обеспечивающая точное расположение границ отражающей полосы относительно торцов оптических волокон, и расчетные значения расстояний между оптическими волокнами и поверхностью аттенюатора;

- при длительной эксплуатации возможно нарушение целостности оптического волокна, подвергающегося постоянному изгибу;

- достаточно сложная технология изготовления датчика.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены способы и устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявленный технический результат.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является реализация компенсационного преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации, повышение чувствительности преобразования оптических сигналов, повышение технологичности конструкции датчика, снижение массо-габаритных характеристик датчика, обеспечение безопасной для здоровья пациента диагностики заболевания с помощью данного устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что: 1 Способ преобразования светового потока заключается в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на зеркальную поверхность, отраженный от зеркальной поверхности световой поток направляется по отводящим оптическим волокнам на приемники излучения, где преобразуется в электрические сигналы, и отличается тем, что верхняя половина светового конуса перекрывается непрозрачной шторкой, ширина которой превышает диаметр сердцевины оптического волокна d_c, перемещающейся параллельно общему торцу оптических волокон под воздействием измеряемой физической величины на значение

где - апертурный угол оптического волокна;

- расстояние от поверхности шторки до зеркальной поверхности, причем верхняя часть светового потока, изменяющаяся в соответствии с законом изменения измеряемой физической величины, поступает по верхнему отводящему оптическому волокну на первый приемник излучения, нижняя неизменная часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну поступает на второй приемник излучения.

2 Волоконно-оптический датчик давления, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, закрепленная на мембране, отличается тем, что с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность, причем толщина шторки (0,5…2)с/_с, а ширина шторки превышает диаметр сердцевины d_c оптического волокна, перемещение шторки определяется выражением (1), причем расстояние между общим торцом оптических волокон и зеркальной поверхностью определяется выражением

где D - расстояние между оптическими осями подводящего и отводящих оптических волокон.

На фиг. 1 приведены геометрические построения, поясняющие новый способ преобразования оптических сигналов на выходе оптического волокна, на фиг. 2 - упрощенная конструкция волоконно-оптического датчика давления, на фиг. 3 - схема расположения оптических волокон относительного друг друга, шторки, источника и приемников излучения.

Волоконно-оптический датчик давления содержит мембрану 1, закрепленную в корпусе 2. В центре мембраны 1 жестко закреплена непрозрачная шторка 3 (экран, аттенюатор), толщина которой t равна (0,5…2)d_c, а ширина превышает диаметр сердцевины оптического волокна d_c. С одной стороны шторки 3 расположены подводящее оптическое волокно (ПОВ) 4, рабочее отводящее оптическое волокно (ООВ_Р) 5 и компенсационное отводящее оптическое волокно (ООВ_К) 6. С другой стороны шторки 3 на расстоянии расположена неподвижная зеркальная поверхность 7. ООВ_Р 5 располагается вертикально над ПОВ 4. ООВ_К 6 может располагаться как вертикально под ПОВ 4, так и со смещением по окружности в нижней половине отраженного пятна (см. фиг. 1). Общий торец ООВ_Р 5 и ООВ_К 6 закреплен на расстоянии Х₀ от неподвижной зеркальной поверхности 7 и на расстоянии от шторки 3.

ПОВ 4 состыковано с источником излучения (ИИ) 8. ООВ_Р 5 состыковано с рабочим приемником излучения (ПИ_Р) 9, а ООВ_К 6 состыковано с компенсационным приемником излучения (ПИ_К) 10.

Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.

Применение мембраны 1 с закрепленной на ней непрозрачной шторкой 3 позволяет изменять интенсивность излучения на приемных торцах ООВ_Р 5 при прогибе мембраны под воздействием измеряемого давления.

Перемещение шторки на значение, определяемое выражением (1), обеспечивает компенсационное преобразование сигналов, так как перекрывается только верхняя половина светового конуса.

Расстояние между общим торцом оптических волокон и зеркальной поверхностью 7, определяемое выражением (2), обеспечивает максимальную чувствительность преобразования оптических сигналов.

Расположение ПОВ 4, ООВ_Р 5 и ООВ_К 6 с одной стороны шторки 3 обеспечивает снижение габаритных размеров датчика по высоте.

Расположение с другой стороны шторки 3 неподвижной зеркальной поверхности 7 обеспечивает снижение габаритных размеров датчика по высоте, а также позволяет реализовать компенсационное преобразование оптических сигналов, что снижает влияние изгибов оптического волокна, изменения мощности источника излучения при изменении температуры и пр., соответственно ведет к повышению точности датчика.

Расположение ООВ_Р 5 вертикально над ПОВ 4 необходимо для повышения чувствительности преобразования оптического сигнала.

Возможность расположения ООВ_К 6 со смещением по окружности в нижней половине отраженного пятна снижает требования к процедуре юстировки.

Совокупность признаков приводит к повышению точности позиционирования оптических элементов друг относительно друга, технологичности датчика при высокой точности измерений, за счет реализации компенсационного преобразования оптических сигналов.

Способ преобразования оптических сигналов реализуется с помощью предлагаемого датчика давления следующим образом.

Световой поток Ф₀, сформированный источником излучения 8 в виде конуса [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е. А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 68], по ПОВ 4 передается в зону измерения в направлении зеркальной поверхности 7 (см. фиг. 3). Лучи света от ПОВ 4 проходят в прямом направлении расстояние Х₀ до зеркала 7 и расстояние Х₀ в обратном направлении до отводящих оптических волокон под апертурным углом к оптической оси волокна. При этом в плоскости торцов оптических волокон наблюдается освещенная кольцевая зона S_A-Α шириной внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями:

где

где D - расстояние между оптическими осями ПОВ 4 и ООВр 5.

В нейтральном положении при Z=0 шторка 3 установлена относительно общего торца оптических волокон таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона S_A-A, полученная отражением от неподвижной зеркальной поверхности 7, расположенной в непосредственной близости от шторки 3, полностью или частично перекрывала поверхность S_OOB отводящего оптического волокна 5.

Под действием измеряемого давления Ρ прогибается мембрана 1, соответственно шторка 3, расположенная между ООВ_Р 5 и зеркальной поверхностью 7, смещается на значение Ζ, определяемое выражением (1), параллельно общему торцу оптических волокон, расположенных в одной плоскости. При этом перекрывается только верхняя половина светового конуса. Соответственно световой сигнал на входе ООВ_Р 5 и соответственно сигнал на выходе ПИр 9 изменяются в зависимости от измеряемого давления.

При перемещении шторки 3 в направлении Ζ на Ζ=Ζ_i изменяется освещенная отраженным световым потоком площадь S_ПР приемного торца ООВ_Р 5, т.е.

Функция преобразования Ф(Ζ) имеет вид: где Κ(Ζ) - коэффициент передачи тракта "ПОВ - зеркальная поверхность - ООВ"; Ф₀ - световой поток, введенный в зону измерения: где ρ - коэффициент отражения зеркальной поверхности; 5пр - суммарная площадь приемных торцов ООВ_Р 5, освещенная отраженным от зеркальной поверхности световым потоком;

С целю минимизации габаритных размеров датчика целесообразно расстояние D выбрать равным диаметру сердцевины оптического волокна

В соответствии с фиг. 1:

Окончательно коэффициент преобразования К(Z) определится выражением:

Коэффициент преобразования К(Z) зависит от расстояния Х₀ от торца ПОВ до зеркальной отражающей поверхности и от расстояния D между оптическими осями ПОВ и ООВ. Изменяя параметры D, Х₀ можно добиться максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

С учетом выражения (3) функция преобразования оптической системы датчика будет иметь вид:

Но Φ(Ζ)~Ф_Р.

Отраженные световые потоки и Ф_К=const по ООВ_Р 5 и ООВ_К 6 поступают на ПИр 9 и ПИк 10, на которых преобразуются в электрические сигналы соответственно.

Световой сигнал на входе ООВ_К 6 и, соответственно, сигнал на выходе ПИк 10 остаются неизменными.

При обработке сигналов с выхода ПИр 9 и ПИк 10 для улучшения метрологических характеристик датчика целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе первого и второго измерительных каналов к их сумме. В этом случае на выходе датчика формируется сигнал, определяемый следующим выражением:

В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, линеаризация выходной зависимости, снижается влияние на точность измерения изгибов ВОК, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности приемников излучения.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предлагаемые новые способ преобразования оптического сигнала и конструкция волоконно-оптического датчика давления позволяют:

- реализовать компенсационное преобразование оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации,

- повысить чувствительность преобразования оптических сигналов, технологичность конструкции датчика,

- уменьшить массо-габаритные характеристики датчика, соответственно расположить датчик в малом объеме, например во рту пациента,

- использование оптического излучения мощностью не более 10 мкВт исключает электромагнитное излучение в полости рта пациента и любые негативные последствия от электромагнитного воздействие на здоровье пациента и на результаты диагностики, соответственно обеспечивает безопасную для здоровья пациента диагностику заболевания с помощью данного устройства.

1. Способ преобразования светового потока, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, направляющийся на отражающую поверхность, отраженный от зеркальной поверхности световой поток направляется по отводящим оптическим волокнам на приемники излучения, где преобразуется в электрические сигналы, отличающийся тем, что верхняя половина конуса перекрывается непрозрачной шторкой, ширина которой превышает диаметр сердцевины оптического волокна d_c, перемещающейся параллельно общему торцу оптических волокон под воздействием измеряемой физической величины на значение

где - апертурный угол оптического волокна;

- расстояние от поверхности шторки до зеркальной поверхности, причем верхняя часть светового потока, изменяющаяся в соответствии с законом изменения измеряемой физической величины, поступает по верхнему отводящему оптическому волокну на первый приемник излучения, нижняя неизменная часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну поступает на второй приемник излучения.

2. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, закрепленная на мембране, отличающийся тем, что с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность, причем толщина шторки (0,5…2)d_c, а ширина шторки превышает диаметр сердцевины d_c оптического волокна, перемещение шторки определяется выражением (1), причем расстояние между общим торцом оптических волокон и зеркальной поверхностью определяется выражением

где D - расстояние между оптическими осями подводящего и отводящих оптических волокон.