RU2829195C1 - Fibre-optic pressure sensor - Google Patents
Fibre-optic pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2829195C1 RU2829195C1 RU2024106459A RU2024106459A RU2829195C1 RU 2829195 C1 RU2829195 C1 RU 2829195C1 RU 2024106459 A RU2024106459 A RU 2024106459A RU 2024106459 A RU2024106459 A RU 2024106459A RU 2829195 C1 RU2829195 C1 RU 2829195C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- protrusion
- housing
- diameter
- base
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 29
- 235000001674 Agaricus brunnescens Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 18
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000003254 palate Anatomy 0.000 description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 5
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 description 4
- 210000000214 mouth Anatomy 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 206010010356 Congenital anomaly Diseases 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001010 compromised effect Effects 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003562 morphometric effect Effects 0.000 description 1
- 238000013425 morphometry Methods 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
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.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure low pressures in medicine: in neonatology to measure the pressure of a newborn's tongue in the first days of its life, in dentistry to measure the pressure of the tongue on the palate at the initial stage of diagnosing a disease associated with congenital clefts of the upper lip and palate and other anomalies of the oral cavity, as well as other moving objects in cavities limited in height that have a non-linear surface profile, for example, in air and liquid tonometers (located between the rubber and leather shells of the cuff in the area of contact with the human body), in artificial lung ventilation devices.
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].A similar in its functional purpose fiber-optic sensor of the force (pressure) of the tongue on the palate is known, comprising two plates, between which an optical fiber is located, one end of which is connected to the radiation source, and the second to the radiation receiver, the upper plate is made in the form of an inverted glass, the lower plate is made flat, with a thickness close to the thickness of the bottom of the upper plate, and which is attached along the contour to the protrusion of the upper plate, the free space between the plate, the glass and the optical fibers is filled with a sealant, and the turns of the optical fiber are located between the plates either in the form of the letter "O", or in a spiral, or in the form of the letter "B", or the number "6", or in the form of two mutually perpendicular letters "P" [patent for invention of the Russian Federation 2741274 Fiber-optic sensor of the force of the muscles of the tongue - pressure of the tongue on the palate and the method for assembling it].
Недостатки данного технического решения следующие:The disadvantages of this technical solution are as follows:
- чувствительность преобразования оптического сигнала в зоне измерения невысокая для измерения силы (давления) языка, особенно в том случае, если речь идет о ребенке,- the sensitivity of the optical signal conversion in the measurement zone is low for measuring the force (pressure) of the tongue, especially when it comes to a child,
- при длительной эксплуатации возможно нарушение целостности оптического волокна, подвергающегося постоянному изгибу;- during long-term use, the integrity of the optical fiber may be compromised due to constant bending;
- достаточно сложная технология изготовления датчика;- a fairly complex sensor manufacturing technology;
- неточное позиционирование датчика относительно неба из-за неопределенности профиля неба у пациента;- inaccurate positioning of the sensor relative to the palate due to uncertainty in the patient's palate profile;
- 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.- a large (up to 30%) component of instrumental error: the error in the interaction of the measuring instrument with the measurement object (the patient’s palate and tongue), caused by the complex profiles of both the patient’s palate and tongue.
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].A fiber-optic pressure sensor, which contains supply and return optical fibers, an opaque shutter fixed to a membrane moves parallel to the common end of which, on one side of the shutter, a mirror surface is fixedly installed perpendicular to the optical axis of the optical fibers, wherein the thickness and width of the shutter and the distance between the common end of the optical fibers and the mirror surface are determined by the parameters of the optical fiber and the distance between the optical axes of the optical fibers [RU Patent for Invention 2740538 IPC G01L 13/00. Method for converting a luminous flux and a fiber-optic pressure sensor implementing it / E.A. Badeeva, T.I. Murashkina, D.I. Serebryakov, A.V. Badeev // Published: 2021.01.15, Bulletin 2].
Недостатки данного технического решения следующие:The disadvantages of this technical solution are as follows:
- 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);- a large (up to 30%) component of instrumental error: the error in the interaction of the measuring instrument with the object of measurement (the patient’s palate and tongue), caused by the complex profiles of both the patient’s palate and tongue, and the morphometric parameters of the human cavity are different for different people (different sexes, different ages, different pathologies of the oral cavity);
- 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.- a large (up to 10%) error in measuring the pressure of the tongue on the palate if the pressure is unevenly distributed over the surface of the membrane, for example, the main pressure is exerted on the peripheral part of the membrane, while the curtain can move at an angle relative to the ends of the optical fibers.
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.As a result of the search of sources of patent and technical information, no devices were found with a set of essential features that coincide with the proposed invention and provide the declared technical result.
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.The technical result of the proposed invention is a reduction in the error of interaction between the measuring instrument and the measurement object (by 5...6 times) with minimal weight and dimensions (no more than the dimensions of the prototype), the possibility of use in narrow spaces on objects with uneven surfaces.
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, чтоThe specified technical result is achieved in that the fiber-optic pressure sensor, comprising a housing, a membrane, supply and discharge optical fibers, parallel to the common end of which an opaque shutter moves, on the other side of the shutter perpendicular to the optical axis of the optical fibers at a distance from it a mirror surface is fixedly mounted, is characterized in that
1) зеркальная поверхность сформирована на неподвижной вставке, установленной в корпусе;1) the mirror surface is formed on a fixed insert installed in the housing;
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;2) an opaque curtain is made on the inner end of the flat protrusion of the newly introduced sensing element with two cylindrical protrusions of variable diameter, the outer diameter of the sensing surface of which is greater than the diameter of the membrane;
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;3) in the center of the membrane there is a hollow cylindrical protrusion, the base of which the membrane is hermetically mounted on the first protrusion of the sensing element, and the inner surface of the cylinder is mounted on the second protrusion of the sensing element, wherein the inner diameter and height of the cylindrical protrusion of the membrane are equal to the diameter and height of the second protrusion of the sensing element;
4) мембрана герметично по внешнему контуру соединена с нижней частью корпуса;4) the membrane is hermetically connected along the outer contour to the lower part of the housing;
5) в верхней части корпуса установлено основание, герметично по контуру соединенное с верхней частью корпуса.5) a base is installed in the upper part of the body, hermetically connected along the contour to the upper part of the body.
Внешняя поверхность воспринимающего элемента может быть выполнена плоской, может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.The outer surface of the sensing element can be made flat and can repeat the profile of the surface of the object on which the sensor is installed.
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.The outer end of the base can be made flat, in the form of a mushroom - a hemisphere, or the profile of the outer end of the base can repeat the profile of the surface of the object on which the sensor is installed.
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.A protrusion can be made in the center of the outer end of the base, on the threaded part of which a part is fixed along the thread, the outer profile of which is made in the form of a mushroom - a hemisphere or repeating the profile of the surface of the object on which the sensor is installed.
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.Fig. 1 shows the design of a fiber-optic pressure sensor (FOPS), Fig. 2 shows geometric constructions explaining the transformations of optical signals in the measurement zone and the connection of optical fibers to the radiation source and receivers, Fig. 3 shows possible designs of a base with a protrusion.
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)dc, а ширина превышает диаметр сердцевины dc оптического волокна.The optical fiber detector comprises a membrane 1 fixed in a housing 2, a sensing element (SE) 3 in the form of a pyramid with two cylindrical projections of variable diameter, a base 4, an insert 5 with a mirror surface 6 fixedly installed in the housing 2 (for example, using screws or glue) (Fig. 1). On the inner end of the SE 3, a flat projection is formed - an opaque shutter 7 (screen, attenuator), the thickness of which is equal to (0.5...2)d c , and the width exceeds the core diameter d c of the optical fiber.
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.In the center of the membrane 1 there is a hollow cylindrical protrusion 8, the base of which the membrane 1 is hermetically (for example, by welding) installed on the first protrusion 9 of the sensing element 3, and the inner surface of the cylinder 8 is installed on the second protrusion 10 of the sensing element 3 (for example, by an interference fit), wherein the inner diameter and height of the cylindrical protrusion 8 of the membrane 1 are equal to the diameter and height of the second protrusion 10 of the sensing element 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.The outer diameter of the receiving surface VE 3 is greater than the diameter of the membrane 1. The membrane 1 is hermetically (for example, by welding) connected along the outer contour to the lower part of the housing 2.
Основание 4 герметично (например, с помощью сварки) по контуру соединено с верхней частью корпуса 2.The base 4 is hermetically (for example, by welding) connected along the contour to the upper part of the body 2.
С одной стороны шторки 7 на расстоянии l1 расположены подводящее оптическое волокно (ПОВ) 11, рабочее отводящее оптическое волокно (ООВР) 12 и компенсационное отводящее оптическое волокно (ООВК) 13. С другой стороны шторки 7 на расстоянии l2 расположена неподвижная зеркальная поверхность 6. Общий торец ООВР 12 и ООВК 13 закреплен на расстоянии Х0 от неподвижной зеркальной поверхности 6.On one side of the shutter 7, at a distance l 1 , there are a supply optical fiber (FOF) 11, a working diverting optical fiber ( WDOF ) 12, and a compensating diverting optical fiber (CDOF K ) 13. On the other side of the shutter 7, at a distance l 2, there is a fixed mirror surface 6. The common end of the WDOF 12 and CDOF K 13 is fixed at a distance X 0 from the fixed mirror surface 6.
ООВР 12 располагается вертикально над ПОВ 11. ООВК 13 может располагаться как вертикально под ПОВ 11, так и со смещением по окружности в нижней половине отраженного пятна (см. фиг. 2).OOV P 12 is located vertically above POV 11. OOV K 13 can be located either vertically below POV 11 or with a circumferential offset in the lower half of the reflected spot (see Fig. 2).
ПОВ 11 состыковано с источником излучения (ИИ) 14 (фиг. 2). ООВР 12 состыковано с рабочим приемником излучения (ПИР) 15, а ООВК 13 состыковано с компенсационным приемником излучения (ПИК) 16.The POV 11 is connected to the radiation source (RS) 14 (Fig. 2). The OOV R 12 is connected to the working radiation receiver ( WR ) 15, and the OOV K 13 is connected to the compensation radiation receiver ( CRR ) 16.
С небом контактирует вновь введенное основание 4.The newly introduced base 4 is in contact with the sky.
Внешняя поверхность ВЭ 3 может быть выполнена плоской, может повторять профиль поверхности объекта, на который устанавливается датчик.The outer surface of the VE 3 can be made flat and can repeat the profile of the surface of the object on which the sensor is installed.
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.The outer end of the base 4 can be made either flat or in the form of a mushroom-hemisphere, or the profile of the outer end of the base 4 can repeat the profile of the surface of the object on which the sensor is installed.
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).In the center of the outer end of the flat base 4, a projection 17 can be made, on the threaded part of which a part 18 is fixed along the thread, the outer profile of which is made either in the form of a mushroom - a hemisphere, or repeats the profile of the surface of the object on which the sensor is installed (Fig. 3). The height of the part 18 depends on the height of the measurement object (for example, on the height of the patient's palate).
ВОДД работает следующим образом.The VOD works as follows.
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 ООВР 12 и ООВК 13 под апертурным углом ΘNA к оптической оси волокна. При этом в плоскости торцов ООВР 12 и ООВК 13 наблюдается освещенная кольцевая зона SA-А шириной h=2rC, внешний и внутренний радиусы которой определяются выражениями:The luminous flux Ф 0 , formed by the radiation source 14, is transmitted via the POW 11 to the measurement zone in the direction of the mirror surface 6 (see Fig. 2). The light rays from the POW 11 in the form of a cone pass in the forward direction the distance Х 0 to the mirror 6 and the distance Х 0 in the opposite direction to the OOV R 12 and OOV K 13 at an aperture angle Θ NA to the optical axis of the fiber. In this case, in the plane of the ends of the OOV R 12 and OOV K 13, an illuminated annular zone S A-A of width h=2r C is observed, the outer and inner radii of which are determined by the expressions:
где ΘNA - апертурный угол оптического волокна;where Θ NA is the aperture angle of the optical fiber;
X0=D/2tgΘNA,X 0 = D/2tgΘ NA ,
где D - расстояние между оптическими осями ПОВ 11 и ООВР 12.where D is the distance between the optical axes POV 11 and OOV P 12.
В нейтральном положении при Z=0 шторка 7 установлена относительно общего торца оптических волокон таким образом, чтобы освещенная кольцевая зона SA-A полностью или частично перекрывала поверхность SOOB отводящего оптического волокна ООВр 12 (см. фиг. 2).In the neutral position at Z=0, shutter 7 is installed relative to the common end of the optical fibers in such a way that the illuminated annular zone S AA completely or partially covers the surface S OOB of the diverting optical fiber OOBr 12 (see Fig. 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 ООВР 12 и зеркальной поверхностью 6 вставки 7, смещается вверх в направлении Z на значение Z=Zi параллельно общему торцу оптических волокон, расположенных в одной плоскости. При этом перекрывается только половина светового конуса напротив ООВр 12. Соответственно световой сигнал на входе и выходе ООВР 12 и сигнал на выходе ПИР 15 изменяются в зависимости от измеряемого давления Р.Under the influence of the pressure P of the tongue, the base 4 rests against the palate, whereby the VE 13 rises upward and pulls the membrane 1 upward with it, which, when the pressure is removed, returns the VE 13 to its original neutral position. In this case, the shutter 7, located between the OOV P 12 and the mirror surface 6 of the insert 7, shifts upward in the direction Z by the value Z=Z i parallel to the common end of the optical fibers located in the same plane. In this case, only half of the light cone opposite the OOV p 12 is blocked. Accordingly, the light signal at the input and output of the OOV P 12 and the signal at the output of the PI P 15 change depending on the measured pressure P.
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 - ООВР 12''; К(Z)=ρSПР/SA-A, где ρ - коэффициент отражения зеркальной поверхности 6; SПР - суммарная площадь приемных торцов ООВр 12, освещенная отраженным от зеркальной поверхности 6 световым потоком; SA-A=4πrc(2X0tgΘNA-rc).The transformation function Ф(7) has the form: Ф(Z)=К(Z)Ф 0 , where Ф 0 is the luminous flux introduced into the measurement zone; К(Z) is the transmission coefficient of the path "POV 11 - mirror surface 6 - OOV R 12''; К(Z)=ρS PR /S AA , where ρ is the reflection coefficient of the mirror surface 6; S PR is the total area of the receiving ends of OOVr 12, illuminated by the luminous flux reflected from the mirror surface 6; S AA =4πr c (2X 0 tgΘ NA -r c ).
С целю минимизации габаритных размеров датчика целесообразно расстояние D выбрать равным диаметру сердцевины оптического волокна dc=2rC. В соответствии с фиг. 2:In order to minimize the overall dimensions of the sensor, it is advisable to select the distance D equal to the diameter of the core of the optical fiber d c =2r C . In accordance with Fig. 2:
Окончательно:Finally:
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.The conversion coefficient K(Z) depends on the distance X 0 from the end of the optical reflector 11 to the mirror reflective 6 surface and on the distance D between the optical axes of the optical reflector 11 and the optical reflector 12. By changing the parameters D, X 0, it is possible to achieve maximum conversion sensitivity with the maximum achievable linearity of the conversion function and modulation depth of the optical signal.
С учетом выражения (4) функция преобразования оптической системы датчика будет иметь вид:Taking into account expression (4), the transformation function of the optical system of the sensor will have the form:
При этом Ф(Z)~ФР.In this case, Ф(Z)~Ф Р.
Отраженные световые потоки ФР=ƒ(Р) и ФК=const по ООВР 12 и ООВК 13 поступают на ПИр 15 и ПИк 16, на которых преобразуются в электрические сигналы Ip(Р) и Iк(X0=const) соответственно.The reflected light fluxes Ф Р =ƒ(Р) and Ф К =const via ООВ Р 12 and ООВ К 13 are fed to ПИР 15 and ПИК 16, where they are converted into electrical signals И p (Р) and И к (X 0 =const), respectively.
Световой сигнал на входе ООВК 13 и, соответственно, сигнал на выходе ПИк 16 остаются неизменными.The light signal at the input of OOV K 13 and, accordingly, the signal at the output of PIK 16 remain unchanged.
При обработке сигналов с выхода ПИР 15 и ПИК 16 для улучшения метрологических характеристик датчика целесообразно сформировать отношение разности сигналов на выходе первого и второго измерительных каналов к их сумме:When processing signals from the output of PI R 15 and PI K 16, in order to improve the metrological characteristics of the sensor, it is advisable to form the ratio of the difference in signals at the output of the first and second measuring channels to their sum:
[IP(P)-IК(Х0)]/[IP(P)+IК(Х0)].[I P (P) - I K (X 0 )]/[I P (P) + I K (X 0 )].
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.In this case, there is a doubling of the conversion sensitivity, linearization of the output dependence, and a reduction in the influence of optical fiber bends, changes in the radiation power of the radiation source, and the sensitivity of the radiation receivers on the measurement accuracy.
Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.We will establish the cause-and-effect relationship between the claimed features and the achieved technical effect in the following way.
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.The use of membrane 1 with cylindrical protrusion 8 ensures its rigid contact with VE 3, tightness of the sensor structure (for example, by welding) and return of VE 3 to the neutral position when the load is removed.
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.The presence of a high cylindrical protrusion 8 in the center of the membrane 1 makes it possible to reduce the measurement error caused by the displacement of the point of contact of the base 4 with the surface of the object (for example, with the sky), since it will not allow the curtain 7 to deviate from the vertical position.
Внешний диаметр воспринимающей поверхности ВЭ 3 выполняется больше диаметра мембраны 1, чтобы уменьшить влияние на точность измерения формы объекта измерения со стороны ВЭ 3.The outer diameter of the receiving surface VE 3 is made larger than the diameter of the membrane 1 in order to reduce the influence of VE 3 on the accuracy of measuring the shape of the measurement object.
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.Sealed connections of membrane 1 with the lower part of housing 2 and VE 3 and base 4 with the upper part of housing 2 (for example, by welding) eliminate the occurrence of condensation in the optical system when the ambient temperature changes and, accordingly, reduce additional temperature error.
Перемещение шторки 7 на значение Z позволяет изменять интенсивность излучения на приемных торцах ООВР 12 при воздействии давления Р и обеспечивает компенсационное преобразование сигналов, так как перекрывается только одна (рабочая) половина светового конуса.Moving the shutter 7 by the value Z allows changing the radiation intensity at the receiving ends of the optical fiber 12 under the influence of pressure P and ensures compensatory signal conversion, since only one (working) half of the light cone is blocked.
Расположение ПОВ 11, ООВР 12 и ООВК 13 с одной стороны шторки 7 обеспечивает снижение габаритных размеров датчика по высоте.The location of POV 11, OOV R 12 and OOV K 13 on one side of the curtain 7 ensures a reduction in the overall dimensions of the sensor in height.
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.The arrangement of a fixed insert 5 with a mirror surface 6 on the other side of the curtain 7 ensures a reduction in the overall dimensions of the sensor in height, and also allows for the implementation of compensatory conversion of optical signals, which reduces the influence of bends in the optical fiber, changes in the power of the radiation source with changes in temperature, etc., and accordingly leads to a reduction in sensor errors.
Возможность расположения ООВК 13 с небольшим смещением по окружности снижает требования к процедуре юстировки.The possibility of locating the OOV K 13 with a slight offset along the circumference reduces the requirements for the adjustment procedure.
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.The combination of features leads to an increase in the accuracy of positioning optical elements relative to each other, the manufacturability and tightness of the sensor design with high measurement accuracy due to a decrease in the error of interaction between the measuring instrument and the measurement object and the implementation of two-channel compensatory conversion of optical signals.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.The technical result of the proposed invention is as follows.
Предлагаемый волоконно-оптический датчик давления позволяет:The proposed fiber optic pressure sensor allows:
- реализовать компенсационное преобразование оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации;- implement compensatory transformation of optical signals directly in the zone of perception of measurement information;
- повысить чувствительность преобразования оптических сигналов, технологичность конструкции датчика;- increase the sensitivity of optical signal conversion and the technological design of the sensor;
- уменьшить массо-габаритные характеристики датчика, соответственно расположить датчик в малом объеме, например во рту пациента;- reduce the mass and dimensions of the sensor, and accordingly place the sensor in a small volume, for example, in the patient’s mouth;
- 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;- reduce by 5...6 times the error in the interaction of the measuring instrument with the measurement object (the patient’s palate and tongue), caused by the complex profiles of both the patient’s palate and tongue;
- 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;- to increase the accuracy of measuring the pressure of the tongue on the palate due to the uniform distribution of pressure on the surface of the VE and the base and, accordingly, the vertical movement of the curtain relative to the ends of the optical fibers;
- 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.- eliminate electromagnetic radiation in the patient's oral cavity and any negative consequences of electromagnetic impact on the patient's health and on diagnostic results, since optical radiation with a power of no more than 10 μW is used.
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2829195C1 true RU2829195C1 (en) | 2024-10-25 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5127269A (en) * | 1990-05-02 | 1992-07-07 | Dynisco, Inc. | Optical pressure transducer |
US6820488B2 (en) * | 2002-06-11 | 2004-11-23 | Robert Bosch Gmbh | Fiber-optic pressure sensor |
RU2740538C1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-01-15 | Елена Александровна Бадеева | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5127269A (en) * | 1990-05-02 | 1992-07-07 | Dynisco, Inc. | Optical pressure transducer |
US6820488B2 (en) * | 2002-06-11 | 2004-11-23 | Robert Bosch Gmbh | Fiber-optic pressure sensor |
RU2740538C1 (en) * | 2020-06-09 | 2021-01-15 | Елена Александровна Бадеева | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4711246A (en) | Fiber optic coupled pressure transducer using single fiber and method of fabrication | |
US1756785A (en) | Optical measuring instrument | |
EP2320197B1 (en) | Linear displacement sensor using a position sensitive photodetector | |
CN204064535U (en) | Pressure transducer | |
US4665747A (en) | Flight instrument using light interference for pressure sensing | |
Lindstrom | Miniaturized pressure transducer intended for intravascular use | |
WO1990001678A1 (en) | Inclination detector | |
CN111007478B (en) | Laser radar detection device | |
US8795205B2 (en) | Optical displacement sensor and apparatus for measuring displacement | |
US4799751A (en) | Detection device using fiber optic techniques | |
RU2829195C1 (en) | Fibre-optic pressure sensor | |
US4631401A (en) | Optic sensors | |
JP2874813B2 (en) | Electro-optical sensor for linear value measurement | |
US4314760A (en) | Optical sensing device | |
JP4290338B2 (en) | Biomedical pressure measurement planar transducer | |
RU229892U1 (en) | FIBER OPTIC PRESSURE SENSOR | |
JPH0198934A (en) | Barometer or barometric altimeter | |
GB2184830A (en) | Optical displacement transducer | |
RU2740538C1 (en) | Light flux conversion method and fibre-optic pressure sensor realizing said light flux | |
CN209589303U (en) | A kind of pressure meter structure | |
US4694159A (en) | Optic sensor with reference and detecting optic circuits | |
CN112146770B (en) | Passive radiation temperature measuring device and method based on confocal reflection principle | |
Badeeva et al. | Determination of Design Parameters of Fiber-Optic Pressure Converter of Attenuator-Reflective Type | |
JPS6280529A (en) | Optical system pressure measuring instrument | |
RU2741276C1 (en) | Fibre-optic sensor of liquid and air flow parameters |