ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L13/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения низких давлений в медицине: в неонатологии для измерения давления языка новорожденного в первые дни его жизни, 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 других подвижных объектов в ограниченных по высоте полостях, имеющих нелинейный профиль поверхности, например, в воздушных и жидкостных тонометрах (располагаться между резиновой и кожаной оболочками манжеты в зоне соприкосновения с телом человека), в аппаратах искусственной вентиляции легких.

Известен близкий по своему функциональному назначению волоконно-оптический датчик силы (давления) языка на небо, содержащий две пластины, между которыми расположено оптическое волокно, один торец которого подстыкован к источнику излучения, а второй - к приемнику излучения, верхняя пластина выполнена в виде перевернутого стакана, нижняя пластина выполнена плоской, толщиной, близкой к толщине донышка верхней пластины, и которая по контуру крепится на выступе верхней пластины, свободное пространство между пластиной, стаканом и оптическими волокнами залито герметиком, причем витки оптического волокна расположены между пластинами или в виде буквы «О», или по спирали, или в виде буквы «В», или цифры «6», или в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П» [патент на изобретение РФ 2741274 Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо и способ его сборки].

Недостатки данного технического решения следующие:

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

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

- достаточно сложная технология изготовления датчика;

- неточное позиционирование датчика относительно неба из-за неопределенности профиля неба у пациента;

- большая (до 30%) составляющая инструментальной погрешности: погрешность взаимодействия средства измерений с объектом измерений (небо и язык пациента), обусловленная сложными профилями как неба, так и языка пациента.

Близким по техническому исполнению к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик давления, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, закрепленная на мембране, с одной стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон неподвижно установлена зеркальная поверхность, причем толщина и ширина шторки и расстояние между общим торцом оптических волокон и зеркальной поверхностью определяются параметрами оптического волокна и расстоянием между оптическими осями оптических волокон [патент на изобретение РФ 2740538 МПК G01L 13/00. Способ преобразования светового потока и реализующий его волоконно-оптический датчик давления / Е.А. Бадеева, Т.И. Мурашкина, Д.И. Серебряков, А.В. Бадеев // Опубликовано: 2021.01.15, бюл. 2].

Недостатки данного технического решения следующие:

- большая (до 30%) составляющая инструментальной погрешности: погрешность взаимодействия средства измерений с объектом измерений (небо и язык пациента), обусловленная сложными профилями как неба, так и языка пациента, причем морфометрические параметры полости человека различны у разных людей (разного пола, разного возраста, разных патологий полости рта);

- большая (до 10%) погрешность измерения давления языка на небо, если давление будет неравномерно распределено по поверхности мембраны, например основное давление будет оказано на переферийную часть мембраны, при этом шторка может переместиться под углом относительно торцов оптических волокон.

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

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение погрешности взаимодействия средства измерений с объектом измерений (в 5…6 раз) при минимальных массо-габаритных размерах (не более размеров прототипа), возможность применения в узких пространствах на объектах с неровными поверхностями.

Указанный технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, мембрану, подводящий и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность, отличается тем, что

1) зеркальная поверхность сформирована на неподвижной вставке, установленной в корпусе;

2) непрозрачная шторка выполнена на внутреннем торце плоского выступа вновь введенного воспринимающего элемента с двумя переменными по диаметру цилиндрическими выступами, внешний диаметр воспринимающей поверхности которого больше диаметра мембраны;

3) в центре мембраны имеется полый цилиндрический выступ, основанием которого мембрана герметично установлена на первом выступе воспринимающего элемента, а внутренней поверхностью цилиндра - на втором выступе воспринимающего элемента, причем внутренний диаметр и высота цилиндрического выступа мембраны равны диаметру и высоте второго выступа воспринимающего элемента;

4) мембрана герметично по внешнему контуру соединена с нижней частью корпуса;

5) в верхней части корпуса установлено основание, герметично по контуру соединенное с верхней частью корпуса.

Внешняя поверхность воспринимающего элемента может быть выполнена плоской, может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

Внешний торец основания может быть выполнен плоским, в виде грибка - полусферы, или профиль внешнего торца основания может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

В центре внешнего торца основания может быть выполнен выступ, на резьбовой части которого по резьбе закреплена деталь, внешний профиль которой выполнен в виде грибка - полусферы или повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

На фиг. 1 приведена конструкция волоконно-оптического датчика давления (ВОДД), на фиг. 2 - геометрические построения, поясняющие преобразования оптических сигналов в зоне измерения и подстыковки оптических волокон к источнику и приемникам излучения, на фиг. 3 - возможные конструкции основания с выступом.

ВОДД содержит мембрану 1, закрепленную в корпусе 2, воспринимающий элемент (ВЭ) 3 в виде пирамиды с двумя переменными по диаметру цилиндрическими выступами, основание 4, вставку 5 с зеркальной поверхностью 6, неподвижно установленную в корпусе 2 (например, с помощью винтов или клея) (фиг. 1). На внутреннем торце ВЭ 3 сформирован плоский выступ - непрозрачная шторка 7 (экран, аттенюатор), толщина которой равна (0,5…2)d_c, а ширина превышает диаметр сердцевины d_c оптического волокна.

В центре мембраны 1 имеется полый цилиндрический выступ 8, основанием которого мембрана 1 герметично (например, с помощью сварки) установлена на первом выступе 9 воспринимающего элемента 3, а внутренней поверхностью цилиндра 8 - на втором выступе 10 воспринимающего элемента 3 (например, по посадке с натягом), причем внутренний диаметр и высота цилиндрического выступа 8 мембраны 1 равны диаметру и высоте второго выступа 10 воспринимающего элемента 3.

Внешний диаметр воспринимающей поверхности ВЭ 3 больше диаметра мембраны 1. Мембрана 1 герметично (например, с помощью сварки) по внешнему контуру соединена с нижней частью корпуса 2.

Основание 4 герметично (например, с помощью сварки) по контуру соединено с верхней частью корпуса 2.

С одной стороны шторки 7 на расстоянии l₁ расположены подводящее оптическое волокно (ПОВ) 11, рабочее отводящее оптическое волокно (ООВ_Р) 12 и компенсационное отводящее оптическое волокно (ООВ_К) 13. С другой стороны шторки 7 на расстоянии l₂ расположена неподвижная зеркальная поверхность 6. Общий торец ООВ_Р 12 и ООВ_К 13 закреплен на расстоянии Х₀ от неподвижной зеркальной поверхности 6.

ООВ_Р 12 располагается вертикально над ПОВ 11. ООВ_К 13 может располагаться как вертикально под ПОВ 11, так и со смещением по окружности в нижней половине отраженного пятна (см. фиг. 2).

ПОВ 11 состыковано с источником излучения (ИИ) 14 (фиг. 2). ООВ_Р 12 состыковано с рабочим приемником излучения (ПИ_Р) 15, а ООВ_К 13 состыковано с компенсационным приемником излучения (ПИ_К) 16.

С небом контактирует вновь введенное основание 4.

Внешняя поверхность ВЭ 3 может быть выполнена плоской, может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

Внешний торец основания 4 может быть выполнен или плоским, или в виде грибка - полусферы, или профиль внешнего торца основания 4 может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

В центре внешнего торца плоского основания 4 может быть выполнен выступ 17, на резьбовой части которого по резьбе закреплена деталь 18, внешний профиль которой выполнен или в виде грибка - полусферы, или повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик (фиг. 3). Высота детали 18 зависит от высоты объекта измерения (например, от высоты неба пациента).

ВОДД работает следующим образом.

Световой поток Ф₀, сформированный источником излучения 14, по ПОВ 11 передается в зону измерений в направлении зеркальной поверхности 6 (см. фиг. 2). Лучи света от ПОВ 11 в виде конуса проходят в прямом направлении расстояние Х₀ до зеркала 6 и расстояние Х₀ в обратном направлении до ООВ_Р 12 и ООВ_К 13 под апертурным углом Θ_NA к оптической оси волокна. При этом в плоскости торцов ООВ_Р 12 и ООВ_К 13 наблюдается освещенная кольцевая зона S_A-А шириной h=2r_C, внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями:

где Θ_NA - апертурный угол оптического волокна;

X₀=D/2tgΘ_NA,

где D - расстояние между оптическими осями ПОВ 11 и ООВ_Р 12.

В нейтральном положении при Z=0 шторка 7 установлена относительно общего торца оптических волокон таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона S_A-A полностью или частично перекрывала поверхность S_OOB отводящего оптического волокна ООВр 12 (см. фиг. 2).

Под воздействием давления Р языка основание 4 упирается в небо, при этом ВЭ 13 поднимается вверх и тянет вверх за собой мембрану 1, которая при снятии давления возвращает ВЭ 13 в исходное нейтральное положение. При этом шторка 7, расположенная между ООВ_Р 12 и зеркальной поверхностью 6 вставки 7, смещается вверх в направлении Z на значение Z=Z_i параллельно общему торцу оптических волокон, расположенных в одной плоскости. При этом перекрывается только половина светового конуса напротив ООВ_р 12. Соответственно световой сигнал на входе и выходе ООВ_Р 12 и сигнал на выходе ПИ_Р 15 изменяются в зависимости от измеряемого давления Р.

Функция преобразования Ф(7) имеет вид: Ф(Z)=К(Z)Ф₀, где Ф₀ - световой поток, введенный в зону измерения; К(Z) - коэффициент передачи тракта "ПОВ 11 - зеркальная поверхность 6 - ООВ_Р 12''; К(Z)=ρS_ПР/S_A-A, где ρ - коэффициент отражения зеркальной поверхности 6; S_ПР - суммарная площадь приемных торцов ООВр 12, освещенная отраженным от зеркальной поверхности 6 световым потоком; S_A-A=4πr_c(2X₀tgΘ_NA-r_c).

С целю минимизации габаритных размеров датчика целесообразно расстояние D выбрать равным диаметру сердцевины оптического волокна d_c=2r_C. В соответствии с фиг. 2:

Окончательно:

Коэффициент преобразования К(Z) зависит от расстояния Х₀ от торца ПОВ 11 до зеркальной отражающей 6 поверхности и от расстояния D между оптическими осями ПОВ 11 и ООВр 12. Изменяя параметры D, Х₀ можно добиться максимальной чувствительности преобразования при максимально достижимых линейности функции преобразования и глубине модуляции оптического сигнала.

С учетом выражения (4) функция преобразования оптической системы датчика будет иметь вид:

При этом Ф(Z)~Ф_Р.

Отраженные световые потоки Ф_Р=ƒ(Р) и Ф_К=const по ООВ_Р 12 и ООВ_К 13 поступают на ПИр 15 и ПИк 16, на которых преобразуются в электрические сигналы I_p(Р) и I_к(X₀=const) соответственно.

Световой сигнал на входе ООВ_К 13 и, соответственно, сигнал на выходе ПИк 16 остаются неизменными.

При обработке сигналов с выхода ПИ_Р 15 и ПИ_К 16 для улучшения метрологических характеристик датчика целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе первого и второго измерительных каналов к их сумме:

[I_P(P)-I_К(Х₀)]/[I_P(P)+I_К(Х₀)].

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

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

Применение мембраны 1 с цилиндрическим выступом 8 обеспечивает жесткий контакт ее с ВЭ 3, герметичность конструкции датчика (например, с помощью сварки) и возвращение ВЭ 3 в нейтральное положение при снятии нагрузки.

Наличие высокого цилиндрического выступа 8 в центре мембраны 1 позволяет снизить погрешность измерения, обусловленную смещением точки соприкосновения основания 4 с поверхностью объекта (например, с небом), так как не позволит шторке 7 отклониться от вертикального положения.

Внешний диаметр воспринимающей поверхности ВЭ 3 выполняется больше диаметра мембраны 1, чтобы уменьшить влияние на точность измерения формы объекта измерения со стороны ВЭ 3.

Герметичные соединения мембраны 1 с нижней частью корпуса 2 и ВЭ 3 и основания 4 с верхней частью корпуса 2 (например, с помощью сварки) исключают возникновение конденсата в оптической системе при изменении температуры окружающей среды и, соответственно, снижение дополнительной температурной погрешности.

Перемещение шторки 7 на значение Z позволяет изменять интенсивность излучения на приемных торцах ООВ_Р 12 при воздействии давления Р и обеспечивает компенсационное преобразование сигналов, так как перекрывается только одна (рабочая) половина светового конуса.

Расположение ПОВ 11, ООВ_Р 12 и ООВ_К 13 с одной стороны шторки 7 обеспечивает снижение габаритных размеров датчика по высоте.

Расположение с другой стороны шторки 7 неподвижной вставки 5 с зеркальной поверхностью 6 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 снижению погрешностей датчика.

Возможность расположения ООВ_К 13 с небольшим смещением по окружности снижает требования к процедуре юстировки.

Совокупность признаков приводит к повышению точности позиционирования оптических элементов друг относительно друга, технологичности и герметичности конструкции датчика при высокой точности измерений за счет снижения погрешности взаимодействия средства измерений и объекта измерений и реализации двухканального компенсационного преобразования оптических сигналов.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик давления позволяет:

- 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;

- снизить в 5…6 раз погрешность взаимодействия средства измерений с объектом измерений (небо и язык пациента), обусловленную сложными профилями как неба, так и языка пациента;

- повысить точность измерения давления языка на небо за счет равномерного распределения давления на поверхность ВЭ и основания и, соответственно, вертикального перемещения шторки относительно торцов оптических волокон;

- исключить электромагнитное излучение в полости рта пациента и любые негативные последствия от электромагнитного воздействия на здоровье пациента и на результаты диагностики, так как используется оптическое излучение мощностью не более 10 мкВт.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения низкого давления в ограниченных по высоте полостях. Волоконно-оптический датчик давления содержит корпус, мембрану, подводящее и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность. Зеркальная поверхность сформирована на неподвижной вставке, установленной в корпусе. Непрозрачная шторка выполнена на внутреннем торце плоского выступа вновь введенного воспринимающего элемента с двумя переменными по диаметру цилиндрическими выступами, внешний диаметр воспринимающей поверхности которого больше диаметра мембраны. В центре мембраны имеется полый цилиндрический выступ, основанием которого мембрана герметично установлена на первом выступе воспринимающего элемента, а внутренней поверхностью цилиндра - на втором выступе воспринимающего элемента, причем внутренний диаметр и высота цилиндрического выступа мембраны равны диаметру и высоте второго выступа воспринимающего элемента. Мембрана герметично по внешнему контуру соединена с нижней частью корпуса. В верхней части корпуса установлено основание, герметично по контуру соединенное с верхней частью корпуса. Устройство позволяет снизить погрешности взаимодействия средства измерений с объектом измерений при минимальных массо-габаритных размерах и обеспечивает возможность применения в узких пространствах на объектах с неровными поверхностями. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, мембрану, подводящее и отводящие оптические волокна, параллельно общему торцу которых перемещается непрозрачная шторка, с другой стороны шторки перпендикулярно оптической оси оптических волокон на расстоянии от нее неподвижно установлена зеркальная поверхность, отличающийся тем, что зеркальная поверхность сформирована на неподвижной вставке, установленной в корпусе; непрозрачная шторка выполнена на внутреннем торце плоского выступа вновь введенного воспринимающего элемента с двумя переменными по диаметру цилиндрическими выступами, внешний диаметр воспринимающей поверхности которого больше диаметра мембраны; в центре мембраны имеется полый цилиндрический выступ, основанием которого мембрана герметично установлена на первом выступе воспринимающего элемента, а внутренней поверхностью цилиндра - на втором выступе воспринимающего элемента, причем внутренний диаметр и высота цилиндрического выступа мембраны равны диаметру и высоте второго выступа воспринимающего элемента; мембрана герметично по внешнему контуру соединена с нижней частью корпуса; в верхней части корпуса установлено основание, герметично по контуру соединенное с верхней частью корпуса.

2. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность воспринимающего элемента выполнена плоской.

3. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность воспринимающего элемента повторяет профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

4. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что внешний торец основания выполнен плоским.

5. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что внешний торец основания выполнен в виде грибка - полусферы.

6. Волоконно-оптический датчик по п.1, отличающийся тем, что профиль внешнего торца основания повторяет профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.

7. Волоконно-оптический датчик по п.4, отличающийся тем, что в центре внешнего торца основания имеется выступ, на резьбовой части которого по резьбе закреплена деталь, внешний профиль которой выполнен в виде грибка - полусферы.

8. Волоконно-оптический датчик по п.4, отличающийся тем, что в центре внешнего торца основания имеется выступ, на резьбовой части которого по резьбе закреплена деталь, внешний профиль которой повторяет профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.