-
Diese Erfindung betrifft einen optischen Drucksensor,
der eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter mit einem
wohldefinierten Endteil und ein Gehäuse aufweist, das einen zylindrischen Hohlraum
mit im wesentlichen demselben Querabmessungen wie die optische Faser
hat, wobei das Ende der optischen Faser an einer ausgewählten axialen
Stelle innerhalb des Hohlraums positioniert ist, um so ein Ende
der Öffnung
zu schließen.
-
Es gibt heutzutage eine Anzahl unterschiedlicher
Typen von Drucksensoren, die auf unterschiedlichen Typen von Membranen
beruhen, die gebogen werden können
und abgelesen werden können
unter Verwendung der elektrischen Leitfähigkeit, der Kapazität, oder
indem man die Entfernung zwischen einem Teil der Membran oder einem
Element, das damit verbunden ist, und einer optischen Faser mißt.
-
Es gibt eine Mehrzahl von Techniken,
um diese Arten von Entfernungen abzulesen, unter Verwendung von
Weißlicht-Interferometrie,
die die Entfernung zweifelsfrei ablesen kann, jedoch nur mit mäßiger Auflösung. Es
kann mit interferometrischen Techniken gemessen werden, die hohe
Kohärenz
haben, die große
Empfindlichkeit für Änderungen
der Entfernung, aber ei ne damit verknüpfte Mehrdeutigkeit in der
Messung haben. Diese Techniken können kombiniert
werden, indem z. B. gleichzeitig kohärentes Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen
verwendet wird.
-
Die Meßtechniken sind allgemeine
Kenntnis und können
sogar bis zu einem gewissen Ausmaß als kommerziell erhältliche
Instrumente gekauft werden.
-
Die optischen Meßtechniken haben die folgenden
Vorteile:
- – Potentiell
große
Auflösung.
- – Nicht
durch elektrische Einflüsse,
wie z. B. elektromagnetische Pulse usw. beeinflußt.
- – Sicher
gegen elektrische Entladungen/Zünder, was
sie bei medizinischen Anwendungen und bei Anwendungen nützlich macht,
die sich auf Sprengstoffe und leicht entflammbare Umgebungen beziehen.
- – Potentiell
sehr kompakt, insbesondere in Bezug auf Lichtleiter.
-
Auf Membranen beruhende optische
Sensoren sind normalerweise teuer und verhältnismäßig groß. Das Anbringen einer Membrar.
gegen eine optische Faser erfordert Präzision, und, da die Membran
auf alle Bewegungen reagiert, es muß die umgebende Konstruktion
sehr starr sein, während
die Membran sehr verformbar sein muß, insbesondere durch niedrige
Drücke.
Dieser Typ von Lösung
ist normalerweise teuer, teilweise aufgrund der Kosten, die sich
auf die Herstellung des Fühlers
beziehen. Die vorliegende Erfindung hat das Potential, kostengünstig zu
sein, und auch eine sehr kompakte Lösung zu sein.
-
Das schwedische Patent Nr. 462,631
zeigt eine Variante des bekannten Standes der Technik, die eine
Membran aufweist, die mit einem reflektierenden Teil verbunden ist,
der vor dem Ende einer optischen Faser nach unten bewegt werden
kann. Die Menge von Licht, die zurückreflektiert wird, hängt so von
dem Druck ab, der auf die Membrane wirkt.
-
Die im schwedischen Patent beschriebenen Lösung ist
verhältnismäßig kompakt
und kann z. B. bei medizinischen Anwendungen nützlich sein, hat jedoch eine
begrenzte Empfindlichkeit, da sie nicht auf Interferometrie beruht.
-
DE
40 35 373 beschreibt ein Fabry-Perot Interferometer, das
am Ende einer optischen Faser positioniert ist. Es wird nicht erwähnt, wie
das Interferometer aufgebaut ist, es wird aber höchstwahrscheinlich in die oben
erwähnte
Kategorie verhältnismäßig teurer
Lösungen
fallen. Auch haben die teilweise reflektierenden Oberflächen in
diesem Interferometer begrenzte Möglichkeiten für Relativbewegungen, was
entweder zu einem begrenzten dynamischen Bereich oder einer begrenzten
Auflösung
führt.
-
Die deutsche Patentveröffentlichung
beschreibt auch ein Beispiel der Verwendung eines solchen Interferometers
und ein Verfahren zum Berechnen des Drucks, beruhend auf den Messungen.
-
Ein anderer Typ von Sensoren, der
auf optischen Fasern beruht, der im Stand der Technik bekannt ist,
verwendet zwei optische Fasern, die Ende an Ende in einem Gehäuse befestigt
sind. Die Deformationen in diesem Gehäuse können gemessen werden, soweit
diese die Entfernung zwischen den Faserenden beeinflußen. Dieses
System ist verhältnismäßig starr
und nicht geeignet zum Messen von Druck, sondern wird zum Messen
von Spannungen verwendet.
-
Die Aufgabe dieser Erfindung ist
es daher, einen Miniaturdruckfühler
zu schaffen, der kostengünstig
herzustellen ist und gleichzeitig die Möglichkeiten des faseroptischen
Systems beibehält,
um exakte Messungen zu machen. Der Druckfühler muß ausreichend klein sein, damit
er bei medizinischen Anwendungen verwendet werden kann, z. B. in
dem Blutkreislauf eines Patienten eingeführt werden kann. Dies wird
unter Verwendung eines optischen Drucksensors erreicht, wie er oben
beschrieben wurde, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Körper in
einem Hohlraum positioniert ist, der eine erste wenigstens teilweise
reflektierende Oberfläche
hat, welche teilweise reflektierende Oberfläche, welche optische Faser
und welches Gehäuse
eine Kammer definieren, welche Kammer ein kompressibles Fluid enthält, wobei
wenigstens einer der aus dem Körper
und der optischen Faser bestehenden Teile mit dem Gehäuse in Axialrichtung
beweglich verbunden ist, um so eine Druckkopplung zwischen der Kammer
und der Umgebung zu schaffen.
-
Auf diese Weise wird ein einfaches
Fabry-Perot-Interferometer enthalten, bei dem der äußere Druck
einen bewegbaren Körper
mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche zu einem teilweise reflektierenden
Ende einer optischen Faser oder eines Lichtleiters hin oder von
dem Ende wegbewegt, wodurch die Entfernung zwischen den Spiegeln
im Resonator beeinflußt
wird.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist die erste optische Faser am Gehäuse befestigt,
während
der bewegbare Körper
eine zweite optische Faser ist, die lose im Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse wird
unter Verwendung der Kapillarwirkung zwischen der zweiten optischen
Faser und dem Gehäuse
abgedichtet, indem entweder eine Flüssigkeit, z. B. Silikonöl, am äußeren Ende
der Faser oder möglicherweise
der zweiten Faser angebracht wird und man sie in dem Raum zwischen
denselben einziehen läßt, oder
indem möglicherweise
die Flüssigkeit,
in der der Druck gemessen werden soll, in den Zwischenraum gezogen
werden kann. Die Flüssigkeitsschicht
zwischen dem Körper
und dem Gehäuse
schafft zusätzlich
dazu, daß sie
die Kammer abdichtet, eine Schmierwirkung und verringert die Reibung
zwischen diesen Teilen. Dies erhöht
die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Messung. Zusätzlich kann
die Empfindlichkeit des Sensors eingestellt werden, indem einfach
die Entfernung zwischen den Fasern vor der Anwendung eingestellt
wird, indem die Menge von Fluid gesteuert wird, das in der Kammer
angeordnet ist.
-
Die Erfindung soll unten unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, die Beispiele von Ausführungsformen
der Erfindung darstellen. Es zeigen:
-
1 einen
Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
-
2–5 Querschnitte alternativer
Ausführungsformen
der Erfindung.
-
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie sie in 1 gezeigt
ist, ist das erste optische Faserende 1 innerhalb eines
Gehäuses 3 positioniert
und definiert zusammen mit einem Körper 2 eine Kammer 5.
Sowohl die Oberfläche 1A des
Faserendes 1 als auch die Oberfläche 2A des Körpers sind
teilweise reflektierend, so daß die
Kammer 5 so ein Fabry-Perot-Interferometer
bildet.
-
Der Endteil 1A der optischen
Faser 1 ist wohldefiniert, was bedeutet, daß er in
solcher Weise ausgebildet ist, daß der Lichtausgang und -eingang am
Faserende kontrolliert wird. Z. B. kann der Endteil 1A flach
sein oder wie eine Linse geformt sein, um so das Licht zu fokussieren.
Die gewählte
Lösung
wird u. a. von der Form des Endteiles 2A des Körpers abhängen.
-
Die Kammer enthält ein Gas oder möglicherweise
eine kompressible Flüssigkeit,
die einen Brechungsindex hat, der verschieden ist vom Brechungsindex
des Körpers 2 und
der ersten optischen Faser 1, wenn die Spiegel 1A, 2A nur
durch die Oberflächen
zwischen den unterschiedlichen Materialien und Fluiden gebildet
sind.
-
Die erste optische Faser 1 ist
an ihrem anderen Ende mit einer Meßeinrichtung 6 von
an sich bekanntem Typ verbunden, wie es z. B. in der oben erwähnten deutschen
Patentveröffentlichung
beschrieben worden ist. Diese Ausrüstung ist nicht Teil dieser Erfindung
und wird hier nicht detailliert beschrieben werden.
-
Um das Gehäuse 3 in der richtigen
Stellung zu halten, ist die erste optische Faser 1 z. B.
unter Verwendung von Cyanoacrylat 7 am Gehäuse befestigt.
Es ist daher nicht notwendig, das Ende 1 der optischen
Faser in genau derselben Stellung zu halten, und das Gehäuse kann
daher alternativ auf andere Arten befestigt sein, z. B. an der Faserummantelung, so
daß die
Faser relativ zum Gehäuse "schwebt". Was in dieser Hinsicht
wichtig ist, ist, daß das
Gehäuse
nicht so stark verschoben wird, daß es die Kammer 5 öffnet.
-
Eine alternative Lösung ist
die symmetrische Lösung,
bei der der Körper 2 am
Gehäuse
befestigt ist, während
die Faser 1 als Reaktion auf Druckänderungen sich bewegen kann.
-
Das Gehäuse 3 kann aus einer
Anzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt werden, hat jedoch
vorzugsweise eine gewisse Starrheit, so daß es nicht durch den Druck
innerhalb der Kammer 5 zusammengedrückt und dadurch beeinflußt wird,
und daß dadurch
nicht die Entfernung zwischen den Spiegeln 1A, 2A beeinflußt wird.
-
In 1 wird
der Körper 2 durch
eine zweite optische Faser gebildet, die einen geeigneten zweiten
Endteil hat. Eine Flüssigkeit 4,
z. B. Silikonöl,
ist am Ende des Gehäuses,
das mit der zweiten optischen Faser 2 zusammenhängt, angebracht,
und die Kapillarkräfte
ziehen die Flüssigkeit
in den Raum 2B zwischen der zweiten optischen Faser 2 und
dem Gehäuse 3.
-
Die Flüssigkeit 4 bewirkt
so eine Dichtung für die
Kammer und eine Schmierschicht, die die Bewegungen der zweiten optischen
Faser erleichtert. Eine entsprechende Flüssigkeit kann verwendet werden, um
die Verbindung zwischen dem Gehäuse
und der ersten optischen Faser zu schmieren, wenn diese nicht befestigt
ist.
-
Wenn das Medium, indem der Druck
gemessen werden soll, eine geeignete Flüssigkeit enthält, kann
die Flüssigkeit
hier weggelassen werden. Die umgebende Flüssigkeit wird in den erwähnten Raum 2B hineingezogen
werden und auf ähnliche
Weise funktionieren.
-
In speziellen Fällen kann die umgebende Flüssigkeit
in das Gehäuse 3 gezogen
werden und den Körper 2 bilden,
so daß der
Sensor selbst, bevor er in das Fluid eingebracht wird, nur aus dem
Gehäuse 3 und
der ersten optischen Faser 1 besteht.
-
In 2 bis 5 sind unterschiedliche Ausführungsformen
gezeigt, in denen die Flüssigkeit 4 eine inerte
Flüssigkeit,
vorzugsweise mit niedriger Verdampfung, ist. Das inerte Gas macht
eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht 8,
die die Gefahr des Anwachsen anderer Phänomene verringert, die die Reibung
zwischen dem sich bewegenden Teil des Sensors und dem feststehenden
Teil vergrößern.
-
In 2 wird
ein Faserstück 2 verwendet, das
sich vollständig
innerhalb des Gehäuses
befindet. Das zweite Ende 2C des Faserstücks ist
unter einem Winkel geschnitten, um so unerwünschte Reflektionen im Interferometer
zu vermeiden. Die inerte Flüssigkeit 4 bedeckt
das zweite Ende 2C des Faserstücks und macht eine Grenzoberfläche 8 zum
umgebenden Medium. Wenn in einer wäßrigen Umgebung gemessen wird,
ist die inerte Flüssigkeit
vorzugsweise hydrophobisch, z. B. ein Öl. Das Gegenteil ist wahr,
wenn in einer öligen
Umgebung gemessen wird.
-
3 zeigt
eine ähnliche
Lösung,
bei der der Körper 2 durch
die Flüssigkeit
gebildet wird. Diese Flüssigkeit
ist ebenfalls vorzugsweise inert und macht eine Grenzoberfläche gegen
die Umgebung. Die Oberfläche,
die zur optischen Faser 1 gerichtet ist, bildet einen teilweise
reflektierenden Spiegel aufgrund der Unterschiede zwischen dem Brechungsindex
des Gases in der Kammer und der Flüssigkeit. Da der entsprechende
Unterschied zwischen dem Brechnungsindex der inerten Flüssigkeit
der Umgebung und den umgebenden Teilen an der zweiten Oberfläche 8 kleiner
ist, werden die Reflektionen von dieser Oberfläche geringer sein. Unerwünschte Reflektionen
dieses Typs können
auch rausgefiltert werden, indem Signalbehandlung verwendet wird,
da die Länge
der Kammer druckabhängig
sein wird, während
die Länge
des Körpers 2 normalerweise
konstant sein wird. Wenn der Körper 2 kein
Lichtleiter ist, können
die Reflektionen des zweiten Endes leicht beseitigt werden, indem
der Körper 2 mit
einer ausreichend großen
Länge versehen
wird, so daß das
Licht gestreut oder absorbiert wird, bis es zu Kammer zurückkehrt.
-
4 und 5 entsprechen den beiden
vorstehenden Ausführungen,
weisen aber auch ein äußeres Gehäuse 9 auf.
Dies gibt dem Gehäuse
einen größeren Durchmesser
am Ende, wodurch die Möglichkeit
verringert wird, daß es
blockiert wird.
-
Eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen
ist auch innerhalb des Bereichs der Erfindung möglich. Das Ende oder die Enden
der optischen Faser können
eben oder gekrümmt
sein, umso das Licht zu fokussieren, und unterschiedliche Spiegel, insbesondere
dielektrische Spiegel, können
an den Enden vorgesehen sein, um die Reflektionscharakteristiken
zu kontrol lieren, z. B. wenn unterschiedlichen Wellenlängen verwendet
werden.
-
In den Zeichnungen sind die Spiegeloberflächen 1A, 2A,
die als die Oberflächen
des ersten Faserendes 1 und des Körpers 2 gezeigt sind,
als aufeinander zugerichtet gezeigt. Es ist jedoch klar, daß auch andere
Spiegel verwendet werden können,
z. B. die entgegengesetzte Seite des Körpers 2 oder ein Spiegel,
der innerhalb des Körpers 2 angeordnet
ist. Zwei Spiegel, möglicherweise
beide Enden des Körpers 2 können gleichzeitig
verwendet werden, um eine Bezugsentfernung innerhalb des Sensors
zu schaffen.
-
Die Flüssigkeit 4, die verwendet
wird, soll wenig Verdampfung oder Diffusion in die Fluide haben,
mit denen sie innerhalb der Kammer oder in der Umgebung in Berührung kommt,
so daß sie
ihre Größe nicht ändert oder
nicht weg verdampft. Das letztere kann besonders relevant sein,
wenn die Flüssigkeit
den Körper 2 bildet,
wie dies in den 3 und 5 gezeigt ist.
-
Da das Volumen der Kammer 5 verhältnismäßig frei
variieren kann, kann der Sensor auch als ein indirekter Temperatursensor
unter sonst stabilen Druckbedingungen verwendet werden.
-
Die Materialien, die verwendet werden,
werden von der Anwendung abhängen.
Das Gehäuse wird,
wie erwähnt,
vorzugsweise aus einem starren Material hergestellt, während die
optische Faser oder die optischen Fasern normalerweise aus Glas
hergestellt werden, wobei Kunststoff jedoch auch möglich ist.
Dasselbe gilt für
die Abmessungen des Sensors. Die Erfindung ist hier unter Bezugnahme
auf optische Fasern beschrieben worden, andere Typen von Lichtleitern
sind natürlich
auch möglich.
Normale optische Fasern werden mit äußeren Abmessungen innerhalb
des Bereiches von 80 bis 125 μm
für Einzelmodefasern
und bis zu 2 mm für
Multimodefasern verwendet werden.
-
Die Umhüllung der optischen Faser kann
von irgendeinem bekannten Typ sein und ist für die Erfindung nicht wichtig.