HU231440B1 - Szenzorrendszer és eljárás erő mérésére,valamint a szenzorrendszert tartalmazó lapos termék - Google Patents

Description

129320-6604 SZT

Szenzorrendszer és eljárás erő mérésére, valamint a szenzorrendszert tartalmazó LAPOS TERMÉK

A jelen találmány tárgya szenzorrendszer és eljárás erő mérésére, továbbá a szenzorrendszert tartalmazó lapos termék. Közelebbről tekintve a találmány tárgya optikai elven működő szenzorrendszer és eljárás erő több tartományban történő mérésére, illetve ilyet magában foglaló lapos termék.

Számos megoldás létezik erő mérésére, melyek egy része elektromos úton, egy másik része optikai elven működik. Az optikai elven működő erőmérők egy része azt a hatást használják ki, hogy egy hullámvezetőben, például optikai szálban terjedő elektromágneses hullám egy része a hullámvezető deformálódásakor a hullámvezetőből kilép. Ez a hullámvezető kimeneti oldalán az elektromágneses hullám veszteségeként jelentkezik, a deformáció környezetében a hullámvezetőn kívül pedig elektromágneses hullám kibocsátásaként. A hullámvezetőből a deformáció helyén kilépő elektromágneses hullám mennyisége arányos hullámvezető meghajlításának mértékével és fordítottan arányos a meghajlítás görbületi sugarával. Ennek megfelelően az ilyen erőmérőkben elterjedten használt megoldás, hogy az érzékenység és/vagy a mérési pontosság növeléséhez a hullámvezetőket egy viszonylag kemény, egyenetlen felületen, vagy két ilyen felület között helyezik el, melyet biztosíthatnak például dombornyomott lapok vagy rácsok, dróthálók. Ekkor a hullámvezető és az egyenetlen felület összenyomásakor a hullámvezető fokozott deformációnak van kitéve és ezáltal egy adott hosszúságú szakaszra kifejtett ugyanakkora erőhatás nagyobb mértékben változtatja meg az említett veszteségeket, mint az egyenetlen felületek nélkül tenné.

Az US 5,118,931 sz. szabadalom optikai elven működő többzónás szenzort ismertet, amelyben fényjelet hordozó egy vagy több optikai szálon egyes mérési szakaszokban deformációra fokozottan érzékeny részek vannak kialakítva és az egyes mérési szakaszok között keskeny sávszélességű optikai szűrők vannak elhelyezve. Az optikai szál, illetve a sorba kapcsolt optikai szálak sorozatának egyik végén történik a fény bejuttatása. A keskeny sávú optikai szűrőkről visszaverődött fény érzékelése detektorokkal ugyanennél a végnél hullámhossz-osztásos demultiplexelés alkalmazásával, vagy pedig a szálak szétválasztásával a bejuttatással átellenes végnél történik. A hullámhossz-osztásos multiplexelés és a szálak szétválasztásával végzett mérés esetén is a mérési tartományok számával megegyező számú fényérzékelő és ugyanennyi nyalábosztó/szűrő, valamint optikaiszál-szakasz szükséges.

A DE 102013019774 sz. közzétételi irat optikai elven működő olyan többzónás szenzort ismertet, melyben egy hullámvezetőből a deformáció hatására kilépő fény intenzitását mérik a deformáció

- 2 helyén és ebből következtetnek a szenzorrendszert hordozó lapanyag deformációjának helyére és mértékére. A szenzorrendszer közvetlenül a deformáció helyén méri a kilépő fény intenzitását, a detektálási helyek között nem tartalmaz nyomás hatására fokozott deformációt kiváltó részeket, ezáltal egyrészt a szenzorrendszert hordozó lapanyag egészét behálózzák a fényérzékelők elektromos huzalai, továbbá nyomásra való érzékenysége nem elegendően nagy szilárd felületen történő nyomásérzékeléshez, ahol nagy nyomások is csupán kicsiny deformációt okoznak.

Az US 10,082,418 sz. szabadalom optikai elven működő többzónás síkbeli szenzort ismertet, amely a szenzorra ható nyomás síkbeli eloszlásának meghatározására is alkalmas. A szenzor egymással párhuzamos optikaiszál-szakaszokat tartalmazó rétegeket tartalmaz, melyek úgy vannak elhelyezve, hogy optikai szálaik egymást keresztezik. Az optikaiszál-szakaszok mindegyike egy-egy különálló fényforrással és fényérzékelővel van ellátva. Az így létrehozott szenzorrendszer két, egymásra előnyösen merőleges szálakkal rendelkező réteg használatával csupán a nyomáseloszlás hozzávetőleges meghatározására alkalmas, míg a pontosabb meghatározáshoz egy vagy több további, a másik két réteg szálaival nem párhuzamos szálakat tartalmazó réteg is szükséges. Egy ilyen szenzorrendszerben a mérési tartományokat az egyes optikai szálak határozzák meg, melyek mindegyikéhez egy-egy fényforrás és egy-egy fényérzékelő szükséges. A rétegek száma és a rétegben lévő szálak száma az elérni kívánt felbontástól függ, azonban már viszonylag kicsiny felbontás esetén is meglehetősen sok optikai elem szükséges a szenzorrendszer kialakításához.

A CN 102750802 sz. kínai közzétételi irat egyedül élő idős emberek számára automatikus segélyhívó eszközként szolgáló olyan monitorozó rendszert tárgyal, amely síkbeli súlyerőérzékelőt magában foglaló szőnyegként van kialakítva. A súlyerő-érzékelőnek optikai szálak alkotta két rétege van, a rétegek egymás felett rácsszerűen vannak elrendezve, továbbá az ugyanazon réteg optikai szálai egymással párhuzamosan, míg a különböző rétegekhez tartozó optikai szálak egymásra merőlegesen futnak. A mérésijel-képzés alapjául az optikai szálak deformáció hatására fellépő optikaiparaméter-változása szolgál. A fény optikai szálakba csatolása a szálak egyik végén külön-külön fényforrásokból történik. A becsatolt fény kicsatolása az optikai szálak másik végén, optikai gyűjtőelemre történik, melynek kimenete egyetlen közös intenzitásérzékelő elemmel van társítva.

Az US 4,342,907 sz. szabadalom súlyerőeloszlás monitorozására szolgáló olyan szőnyeget ismertet, melyben felső borítás és alsó borítás között optikai szálak rácsszerűen elrendezett két rétege, mint érzékelőelem, van elrendezve. A mérésijel-képzés alapjául szintén az optikai szálak deformáció hatására fellépő optikaiparaméter-változása szolgál. A detektálás során az optikai

- 3 szálakból kilépő fényt fényérzékelőkkel fogják fel és mikrokontrollerrel feldolgozva például egy a szőnyegen járó személy lábai által a szőnyegre kifejtett nyomástérképpé alakítják.

A technika állása szerinti megoldások közös hátránya, hogy egy nagyméretű és nagy felbontású, vagyis sok mérési tartományt tartalmazó szenzorrendszer kialakításához sok fényforrás, sok fényérzékelő, és adott esetben sok elektromos huzalozás és/vagy sok egyéb optikai elem szükséges, amely a felhasznált alapanyagok költsége, valamint a bonyolult gyártási eljárás következtében meglehetősen költségessé teszi ilyen szenzorrendszerek előállítását, továbbá az ilyen szenzorrendszert tartalmazó termékeket.

A találmánnyal célunk olyan szenzorrendszer és eljárás biztosítása, amellyel nagy felületen nagy felbontású erőérzékelés valósítható meg, továbbá előállítása egyszerű és költséghatékony és mindemellett kevésbé érzékeny elektromos zavarokra vagy nedvességre. A találmánnyal célunk továbbá olyan lapanyagok, illetve lapos termékek biztosítása, amelyek nagy felületen nagy felbontású erőérzékelő szenzorrendszert tartalmaznak, továbbá melyeknek előállítása egyszerű és költséghatékony.

A találmány azon a felismerésen alapul, hogy egy több mérési tartományt tartalmazó szenzorrendszer kevesebb optikai elemből alakítható ki, amennyiben egy hullámvezető mentén több erőmérő tartomány között kialakított kicsatolási helyeken a hullámvezetőben terjedő fény egy előre meghatározott részét kicsatoljuk és a kicsatolt rész intenzitásából határozzuk meg a kicsatolási helynél a hullámvezetőben terjedő fény intenzitását, míg a fénynek a hullámvezetőből nem kicsatolt része a hullámvezetőben továbbterjed és a következő mérési tartományban is mérésre használható. A kevesebb optikai elem alkalmazása az alapanyag-költséget és a gyártási eljárás költségét is csökkenti.

A jelen leírásban a „fény” kifejezést általános értelemben használjuk, abba beleértendő minden olyan elektromágneses hullám, amely hullámvezetőben továbbítható, így különösen egyaránt fénynek tekintjük az infravörös sugárzást, a látható fényt és az ultraibolya sugárzást, továbbá a „hullámvezető” kifejezés magában foglal minden olyan szerkezetet, amely ezen elektromágneses hullámok teljes belső visszaverődés által történő továbbítására alkalmas, például kör keresztmetszetű optikai szálakat vagy nagy oldalarányú téglalap keresztmetszetű szalagokat.

A fenti célt egyrészről az 1. igénypont szerinti szenzorrendszer kidolgozásával értük el, melynek előnyös kiviteli alakjait a 2-7. igénypontok ismertetik. A fenti célt másrészről az 8. igénypont szerinti eljárás kidolgozásával értük el, melynek előnyös változatait az 9-14. igénypontok ismertetik. A fenti célt továbbá a 15. igénypont szerinti lapos termékek megvalósításával értük el, melynek egyik előnyös kiviteli alakját a 16. igénypont ismerteti.

- 4 A következőkben a találmány szerinti szenzorrendszer előnyös példakénti kiviteli alakjait és azok működését mutatjuk be részletesen a csatolt rajzra hivatkozással, ahol az

- 1A és 1B ábra a találmány szerinti szenzorrendszer erőmérő tartománya példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, rendre terheletlen és terhelt állapotban; a

- 2. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer kicsatolási helyének egyik példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan; a

- 3. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan; a

- 4. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan; az

- 5. ábra két különböző frekvencián modulált fényforrásból származó fény intenzitásának időbeli változását (felül) és frekvenciaspektrumát (alul) szemlélteti; a

- 6. ábra felül és középen két különböző fényforrás időbeni megosztáson alapuló működtetésével előállított fényjelek teljesítménygörbéjét mutatja, míg alul a fényérzékelő által érzékelt időfüggő jel látható eltérően változó veszteség esetén; a

- 7. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben két hullámvezető, két fényforrás és három detektor egy kilencmezős mátrix elrendezést alkot; és a

- 8. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben egy hullámvezetőbe mindkét vége irányából fényt juttatunk be és a két különböző fényforrásból származó fényt azonos fényérzékelőkkel érzékeljük.

Az 1A és 1B ábra a találmány szerinti szenzorrendszer 4 erőmérő tartományának példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, rendre terheletlen és terhelt állapotban. A szenzorrendszer a 4 erőmérő tartományban tartalmaz 3 hullámvezetőt, melyet az ábrán bemutatott példában lényegében henger alakú optikai szál képez, legalább egy, előnyösen kettő 5 erőközvetítő elemet, amely a 3 hullámvezetővel szomszédosan van elhelyezve, és amelynek felülete kiemelkedéseket és/vagy mélyedéseket és/vagy nyílásokat tartalmaz. Amikor a szenzorrendszer 4 erőmérő tartománya 8 alátámasztáson van elhelyezve és a szenzorrendszerre felülről F erő hat, az 5 erőközvetítő elemek egymás felé nyomódásuk révén a 3 hullámvezető deformációját váltják ki. Az ábrán mutatott deformáció mértéke nem méretarányosan van ábrázolva.

A deformáció hatására a 3 hullámvezetőben terjedő 2 fény egy része a 3 hullámvezetőből az ábra szerinti orientációban felfelé és lefelé kilép, ami a 3 hullámvezető veszteségeként jelentkezik. A veszteség mértéke arányos a 3 hullámvezető deformációjával, ami arányos a szenzorrendszerre a 4 erőmérő tartományban ható F erővel. A 3 hullámvezetőből valamilyen módon kicsatolt, például

- 5 egy kimeneti végen kilépő, 2 fény intenzitásának mérésével a 4 erőmérő tartományban fellépő fényveszteséget meghatározva a 4 erőmérő tartományban a szenzorrendszerre ható F erő meghatározható. A 4 erőmérő tartomány területének ismeretében az F erőből meghatározható a 4 erőmérő tartományra vonatkoztatott nyomás. Több 4 erőmérő tartomány alkalmazásával a 4 erőmérő tartományok méretének és elhelyezésük sűrűségének megfelelő síkbeli felbontással a szenzorrendszerre ható nyomás eloszlása is meghatározható.

Az 1A és 1B ábrán bemutatott előnyös kiviteli alakban a két 5 erőközvetítő elemet egy-egy folytonos anyagréteg képezi, melyek a 3 hullámvezetővel szomszédos oldalukon periodikusan ismétlődő kiemelkedések és mélyedések sokaságát tartalmazzák, és előnyösen úgy vannak elrendezve, hogy az egyik 5 erőközvetítő elem mélyedései a másik 5 erőközvetítő elem kiemelkedéseivel egy vonalba esnek. Ekkor a 4 erőmérő tartományban a szenzorrendszerre ható adott nagyságú F erő a 3 hullámvezető nagyobb deformációját váltja ki, mint két 5 erőközvetítő elem más elrendezése esetén vagy csupán egyetlen 5 erőközvetítő elem alkalmazásakor tenné. Az 5 erőközvetítő elemek anyagát és felületi jellemzőit, vagyis a kiemelkedéseik és/vagy mélyedéseik és/vagy nyílásaik méretét és alakját a 3 hullámvezető rugalmassági tulajdonságának megfelelően választjuk. Előnyösen az 5 erőközvetítő elemek anyagának rugalmassági modulusa a 3 hullámvezető rugalmassági modulusánál nagyobb, továbbá a kiemelkedések és/vagy mélyedések és/vagy nyílások mérete a hullámvezető vastagságával azonos nagyságrendbe esik. Az 5 erőközvetítő elemek kialakíthatók például dróthálóként vagy rácsként is, vagy akár közvetlenül a 3 hullámvezetőre feltekercselt huzalként vagy közvetlenül a 3 hullámvezetőre felhordott változó vastagságú anyagrétegként. A 3 hullámvezetőt képezheti lényegében kör keresztmetszetű optikai szál vagy a vastagságánál lényegesen szélesebb, például annál 100-szor szélesebb lapanyag.

A 2. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik 6 kicsatolási helyének egyik példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan. Ebben a kiviteli alakban a 3 hullámvezetőt képező optikai szál adott görbületi sugár mentén meg van hajlítva, miáltal a 3 hullámvezetőben terjedő 2 fény előre meghatározott hányada a meghajlítás helyén az optikai szálból kilép, egy szakaszon szabadon terjed, majd egy a fény fogadására alkalmasan elrendezett 7 fényérzékelőhöz érkezik. A kicsatolt 2 fény adott esetben becsatolható egy további hullámvezetőbe, és intenzitásának mérése a további hullámvezető kimeneténél elrendezett távoli 7 fényérzékelővel is elvégezhető.

A 2 fény 3 hullámvezetőből való kicsatolását olyan módon is megvalósíthatjuk, hogy a 3 hullámvezető felületén vagy felületében megfelelő kiemelkedést vagy mélyedést alakítunk ki. Hasonlóan a hullámvezető meghajlításához, a 2 fény 3 hullámvezetőből való kilépését ebben az esetben is az okozza, hogy a 3 hullámvezető felületénél a kiemelkedésnél vagy mélyedésnél más

- 6 lesz a 2 fény beesési szöge és a 2 fény egy részére nem teljesülnek a teljes belső visszaverődés feltételei.

Egy további kiviteli alakban a kicsatolást a 3 hullámvezető meghajlítása nélkül és a felülete alakjának más módon történő megváltoztatása nélkül, a 3 hullámvezető közelében az alkalmazott 5 2 fény hullámhosszának nagyságrendjébe eső távolságban jelentkező evaneszcens hullámok detektálásával végezzük, adott esetben egy további hullámvezető közbeiktatásával.

A 6 kicsatolási helynél a kicsatolt 2 fény előre meghatározott hányadát előnyösen úgy választjuk meg, hogy az adott 6 kicsatolási helyen a 3 hullámvezetőben terjedő 2 fénynek csupán egy része hagyja el a 3 hullámvezetőt és a 2 fény jelentős része a 3 hullámvezetőben továbbhalad. A kicsatolt 10 2 fény előre meghatározott hányada előnyösen 50%-nál kisebb, előnyösebben 10%-nál kisebb, különösen előnyösen 1%-nál kisebb. Ennek a megoldásnak az előnye, hogy egyetlen 1 fényforrás és egyetlen 3 hullámvezető használatával több mérési szakaszt alakíthatunk ki.

A kicsatolt 2 fény előre meghatározott hányadának megválasztása a 3 hullámvezető meghajlítása esetén a görbületi sugár, továbbá a 3 hullámvezető környezetében lévő anyagok törésmutatójának 15 és 3 hullámvezetőtől mért távolságuk megfelelő megválasztásával valósítható meg. A 3 hullámvezető felületén kialakított kiemelkedés vagy mélyedés esetén ezek alakja és mérete, míg evaneszcens hullámok esetén a 3 hullámvezető környezetében lévő anyagok törésmutatója és távolsága/vastagsága határozza meg a kicsatolt 2 fény előre meghatározott hányadát. A kicsatolt 2 fény intenzitása a 3 hullámvezetőben a 6 kicsatolási helyhez érkező fényintenzitással arányos, így 20 a 3 hullámvezető mentén több 6 kicsatolási hely kialakításával meghatározhatók a 6 kicsatolási helyek között a 3 hullámvezetőben fellépő veszteségek. A 2. ábra az 1A és 1B ábrákhoz hasonlóan csupán a működési elv szemléltetésére szolgál, az egyes elemek méreteire és elrendezésére vonatkozóan nem értelmezhető korlátozóan. Ennek megfelelően a 2 fény terjedését jelölő nyilak is csupán a 2 fény terjedésének alapvető irányát szemléltetik, nem konkrét sugármeneteket.

A 3 hullámvezető megfelelő megválasztása a szakember számára nyilvánvaló feladat. Alkalmazhatóak a technika állása szerinti egy- vagy többmódusú optikai szálak, melyek anyaga lehet üveg és/vagy polimer, az alkalmazott anyag törésmutatója a szál keresztmetszete mentén változhat ugrásszerűen (ún. step-index fiber) vagy folyamatosan (ún. graded index fiber), továbbá a szál átmérője előnyösen 80 mikrométer és 1000 mikrométer közötti. Az optikai szállal szemben 30 elvárás, hogy az alkalmazott 1 fényforrás hullámhosszán legyen kicsi az elnyelése, legyen kicsi a csillapítása, továbbá egy egyenes terheletlen 3 hullámvezetőben a becsatolt fényteljesítmény legalább mintegy 80%-a jelenjen meg a szál átellenes végén kimenetként. A szál jellemzőitől

- 7 függően megfelelő mértékű kicsatolás érhető el a szálnak például mintegy 1-20 mm, előnyösen 25 mm, különösen előnyösen 2-3 mm görbületi sugárral való meghajlítása révén.

A 3. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben az 1 fényforrásból kilépő 2 fény a 3 hullámvezetőbe kerül bejuttatásra. A 3 hullámvezetőn több 4 erőmérő tartomány, melyek között 6 kicsatolási helyek vannak kialakítva, ahol a kicsatolt 2 fény intenzitását különálló 7 fényérzékelők mérik. Az ábrán bemutatott kiviteli alakban három 4 erőmérő tartomány van kialakítva, de természetesen a 4 erőmérő tartományok száma ettől eltérő is lehet, előnyösen ennél több.

A 3 hullámvezetőt előnyösen egyetlen folytonos optikai szál képezi, amely előnyösen kör keresztmetszetű. Ekkor a 4 erőmérő tartományokban a 3 hullámvezető előnyösen egyenestől eltérő vonalvezetésű, különösen előnyösen meander alakú vonal mentén van elhelyezve. Ennek az elrendezésnek az előnye, hogy ilyen esetben a 3 hullámvezető a 4 erőmérő tartomány területét jobban fedi, vagyis a 4 erőmérő tartomány egységnyi felületére hosszabb hullámvezető-szakasz jut. Ezáltal a szenzorrendszer érzékenysége nagyobb lesz, ugyanis adott mértékű deformáció hosszabb szakaszon nagyobb mértékű veszteséget okoz. Az ábra nem méretarányos, a 6 kicsatolási helyeken a 3 hullámvezető görbülete előnyösen nagyobb, vagyis görbületi sugara kisebb, mint a 4 erőmérő tartományokban.

A 3. ábrán bemutatott kiviteli alakban az egyes 4 erőmérő tartományok a 3 hullámvezetők meander alakú vonalvezetésű tartományaira korlátozódnak, de ez nem szükségszerű, a 3 hullámvezetőknek a meander alakú vonalvezetésű tartománytól a 6 kicsatolási helyekhez vezető egyenes szakaszai is részt vehetnek az erőmérésben. Attól függően, hogy a szenzorrendszert milyen termékben kívánjuk hasznosítani, a 4 erőmérő tartományok és a 6 kicsatolási helyek közötti távolság viszonylag nagy is lehet, például a 4 erőmérő tartomány szélességének vagy hosszának többszöröse. Ekkor a mérési pontosság szempontjából előnyös a 3 hullámvezetőnek a 6 kicsatolási pontokhoz vezető egyenes szakaszait kivonni az erőmérésből például azáltal, hogy az egyenes szakaszok mentén nem biztosítunk az erőmérést segítő felületi mintázatú elemeket, vagy az ilyen elemek mélyedéseit az előállítás során egy képlékeny anyaggal kitöltjük, és azt megszilárdítjuk, vagy esetleg a 3 hullámvezetőt ezeken a szakaszokon kemény burkolattal látjuk el.

Szintén a kívánt felhasználástól függően a 6 kicsatolási helyek egyvonalban történő kialakítása és ezáltal a 7 fényérzékelők szintén egyvonalban való elhelyezése is különösen előnyös, ugyanis ekkor maguk a 7 fényérzékelők, valamint a működtetésükhöz szükséges elektronikai összetevők, például huzalozás, a szenzorrendszer egyetlen éle, illetve a szenzorrendszert tartalmazó termék egyetlen éle mentén csoportosíthatók, ennélfogva megfelelő elektromos szigetelésük könnyebben

- 8 biztosítható. Ez az elrendezés különösen előnyös olyan termékek esetén, ahol az elektromos érintésvédelmi szempontok kiemelt fontosságúak, valamint nedves környezetben használt termékeknél, ahol az elektronikai összetevők szigetelésének sérülése könnyen meghibásodáshoz vezet. Emellett előnyös nagyméretű szenzorrendszer esetén is, ahol a nagy távolságokban történő mérésekhez vastag elektromos vezetékeket kellene használni annak érdekében, hogy azok elektromos ellenállása a mérést ne befolyásolja, valamint olyan környezetben, ahol elektromos áram, vagy fémes vezető jelenléte bármely okból nem megengedhető.

A 7 fényérzékelők mérési eredményeinek feldolgozásához a szenzorrendszer előnyösen egy vagy több processzorral vezetékes vagy vezeték nélküli adatátviteli kapcsolatban van. A processzor a szenzorrendszer részeként is kialakítható. Előnyösen a processzor egy külső eszköz, például számítógép, laptop, táblagép vagy okostelefon részét képezi és az adatátviteli kapcsolat vezetéknélküli, például Bluetooth vagy Wi-Fi.

A 4. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben egy-egy 7 fényérzékelő több 3 hullámvezetőből kilépő, különböző paraméterekkel rendelkező fényt fogad. Az ábrán bemutatott kiviteli alakban két különböző 1 fényforrás 2 fényét két 3 hullámvezetőbe vezetjük be, továbbá a 3 hullámvezetők úgy vannak elrendezve, hogy a 6 kicsatolási helyeik egymás közelében vannak és a két 3 hullámvezetőből kicsatolt 2 fényt ugyanazon 7 fényérzékelő érzékeli. Előnyösen a két 1 fényforrás különböző paraméterekkel rendelkező 2 fényt bocsát ki. Különösen előnyösen az 1 fényforrások különböző hullámhosszú 2 fényt bocsátanak ki, különböző időpontokban bocsátanak ki 2 fényt, különböző amplitúdó- és/vagy frekvencia-modulációjú 2 fényt bocsátanak ki vagy ezek tetszőleges kombinációja teljesül.

A megoldás lényege, hogy a 7 fényérzékelő kimeneti jeléből elkülöníthető és azonosítható legyen, hogy melyik 4 erőmérő tartományban mekkora veszteség lépett fel. Ehhez az egyes 3 hullámvezetőkre vagy azok 4 erőmérő tartományaira megfelelő multiplexelési eljárás, a detektálásnál pedig megfelelő demultiplexelési eljárás alkalmazható. Ez megvalósítható egyetlen 1 fényforrással, melyből a különböző 3 hullámvezetőkbe becsatolt 2 fény paramétereit a becsatolást megelőzően, közben vagy után, akár a kicsatolást követően változtatjuk meg egy megfelelő optikai elem, például szűrő vagy diszperzív elem révén. Amennyiben a kicsatolást követően módosítjuk a 2 fény tulajdonságait, a 7 fényérzékelő akár ugyanazon 3 hullámvezető több különböző 6 kicsatolási helyén kilépő 2 fényt is érzékelhet. Az ábrán csupán kettő-kettő 1 fényforrást és 3 hullámvezetőt ábrázoltunk, de ezek száma természetesen ennél több is lehet.

- 9 A 7 fényérzékelők kialakíthatók például úgy, hogy a különböző paraméterekkel rendelkező 2 fényt optikai úton, például szűrők révén különítsék el és különálló detektorra bocsássák, például különálló fotodiódákra, adott esetben egy CCD (charge coupled device) különálló pixeljeire, majd a különálló detektoroktól különálló kimeneti jelet, előnyösen elektromos jelet bocsássanak ki. A 7 fényérzékelők kialakíthatók például úgy is, hogy a különböző paraméterekkel rendelkező 2 fényt azonos módon érzékeljék, egyetlen kimeneti jelet állítsanak elő, majd a szenzorrendszer feldolgozóeszköze a 7 fényérzékelő kimeneti jelének elemzésével, például időpont szerinti szelekció, vagyis demultiplexers, vagy például különböző gyakorisággal villogó 1 fényforrások esetén a szakember számára ismert spektrális analízissel, pl. Fourier-transzformáció, Wavelettranszformáció és/vagy Gábor-transzformáció elvégzésével különítse el és rendelje hozzá a megfelelő 3 hullámvezetőkhöz. A továbbiakban spektrumanalízis alatt ezen technikák valamelyikét értjük, nem pedig optikai, hullámhossz-bontásos spektroszkópiai eljárásokat. Különösen előnyös egyetlen 7 fényérzékelővel több 3 hullámvezetőből kicsatolt 2 fény érzékelése vagy ugyanazon 3 hullámvezető több 6 kicsatolási helyéről származó fény érzékelése, mert ezáltal csökkenthető az adott számú 4 erőmérő tartományt tartalmazó szenzorelrendezés kialakításához szükséges 7 fényérzékelők száma.

Az 5. ábra két különböző frekvencián modulált 1 fényforrásból származó 2 fény intenzitásának időbeli változását (felül) és frekvenciaspektrumát (alul) szemlélteti. Ebben a példában egy első fényjel ha(t) intenzitása a t idő függvényében egy első fa frekvenciával szinuszosan változik, egy második fényjel iLb(t) intenzitása a t idő függvényében egy második fLb frekvenciával szinuszosan változik. Ekkor a két fényjel időfüggő intenzitásgörbéjéből származtatott frekvenciaspektruma egy-egy jól meghatározott csúcsot ad rendre fLa és fLb frekvenciánál. A két fényjel lehet monokromatikus vagy összetett (pl. fehér fény), továbbá hullámhosszuk lehet azonos vagy eltérő. Az fLa és fLb frekvenciák az intenzitásmoduláció frekvenciáját jelentik, nem pedig a 2 fény frekvenciáját. A moduláció frekvenciája is változtatható, és a demoduláció a változást követve is elvégezhető. A moduláció során nem csak szinuszos moduláló jel alkalmazható, hanem összetett periodikus jelek - pl. háromszög vagy négyszögjel - is, melyek az alapharmonikus mellett különböző felharmonikusokat is tartalmaznak. A felharmonikusok is felhasználhatóak a mérés során. Az intenzitás helyett a fény hullámhossza is modulálható.

A 6. ábra felül és középen két időbeni megosztással, vagyis multiplexeléssel, előállított fényjel PLa és PLb teljesítményének változását mutatja a t idő függvényében, alul pedig egy kimeneten érzékelhető S időfüggő jelet mutat a t idő függvényében az egyik fényjelre vonatkozóan időben lineárisan növekvő példakénti veszteséggel és a másik fényjelre vonatkozóan időben lineárisan csökkenő példakénti veszteséggel. Az ábrán bemutatott példában a két fényjel közül az egyik

- 10 kizárólag Ta időtartamokban van jelen, a másik pedig kizárólag Tb időtartamokban van jelen, ahol Ta és Tb értéke egyenlő, továbbá Ta és Tb időtartamok szünet nélkül követik egymást és nincsenek átfedésben, azonban ez csupán a szemléltetést szolgálja, ezen tulajdonságok egyike sem szükségszerű. Természetesen kettőnél több jel időbeli multiplexelése is megoldható, a jeleknek nem szükséges szünet nélkül lefedniük a kimenetet, adott esetben egymással részben átfedésben is lehetnek, illetve a különböző jelek aktív időtartamai eltérő hosszúak is lehetnek.

A 7. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egyik előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben két 3 hullámvezető, két 1 fényforrás és hat 7 fényérzékelő egy kilencmezős mátrix elrendezést alkot. A két 3 hullámvezető 4 erőmérő tartományai egymásra merőleges irányokban terjednek ki és egymással részben átfedésben vannak, ezáltal ugyanazon területegységre ható nyomás mindkét 3 hullámvezető egy vagy több 4 erőmérő tartományában megváltoztatja a 3 hullámvezetőben terjedő 2 fény veszteségét. Ennek megfelelően a szenzorrendszer az ábra szerinti orientációkat tekintve a nyomás vízszintes és függőleges irányú eloszlására vonatkozóan is szolgáltat információt.

Mindaddig, amíg a mátrix elrendezés terhelés alatt álló celláinak száma nem haladja meg az ezen cellákra vonatkozó független mérések számát, minden egyes cella terhelése triviális módon meghatározható. Ez 2x2-es és ennél kisebb elrendezésben mindig teljesül. 2x2-esnél nagyobb méretű mátrixok esetén a cellák terhelésének pontos meghatározásához bevonhatók további mérési adatok, például egy további rétegben további 4 erőmérő tartományok biztosításával. Amennyiben egy adott mátrixban nem áll rendelkezésre elegendő független mérési adat, a mátrix egyes celláinak terhelése becsülhető például az alábbiak legalább egyikének vagy kombinációinak alkalmazásával: a várható nyomáseloszlásra vonatkozó feltételezés (pl. egyenletes eloszlás vagy egyenletesen változó eloszlás, vagyis gradiens feltételezése); az adott mátrixszal szomszédos egy vagy több további mátrix és/vagy 4 erőmérő tartomány méréseinek felhasználása; az adott mátrix és/vagy az adott mátrixszal szomszédos egy vagy több további mátrix és/vagy 4 erőmérő tartomány közelmúltbeli mérési eredményeinek felhasználása.

A 4 erőmérő tartományok mérete és alakja, illetve az azok átfedő tartományainak mérete és alakja a kívánt felhasználásnak megfelelően választható. Egy különösen előnyös kiviteli alakban egy vagy több 3 hullámvezető egy vagy több 4 erőmérő tartománya aktiválóként van kiképezve, továbbá a többi 4 erőmérő tartomány 7 fényérzékelői, illetve az aktiváló tartományt nem tartalmazó 3 hullámvezetőhöz tartozó 1 fényforrások mindaddig inaktívak, amíg az aktiváló 4 erőmérő tartományában egy küszöbértéket meghaladó erő nem kerül érzékelésre. Az aktiváló 4

- 11 erőmérő tartományok lehetnek a többi 4 erőmérő tartománnyal megegyező, vagy előnyösen azoknál jelentősen nagyobb méretűek.

A 8. ábra a találmány szerinti szenzorrendszer egy előnyös példakénti kiviteli alakját szemlélteti vázlatosan, melyben a 3 hullámvezetőbe a 3 hullámvezető két végén két különböző 1 fényforrásból 2 fényt juttatunk be és a két különböző 1 fényforrásból származó 2 fényt az egyes 6 kicsatolási helyeknél ugyanazon 7 fényérzékelőkkel érzékeljük. A két 1 fényforrás előnyösen különböző paraméterekkel rendelkező 2 fényt bocsát ki, továbbá előnyösen nem csak a 6 kicsatolási helyeknél, hanem a 3 hullámvezető végeinél is vannak 7 fényérzékelők. A 3 hullámvezető mindkét végén 2 fényt bejuttatva ugyanazon 4 erőmérő tartományra két mérést tudunk elvégezni a 7 fényérzékelők számának jelentős növekedése nélkül, miáltal fokozható a mérés pontossága. Több 3 hullámvezető használata esetén előnyösen azok mindegyikét egy-egy folytonos optikai szál képezi, amely előnyösen kör keresztmetszetű. Az ábrákon a megegyező hivatkozási jelek azonos elemeket jelölnek.

Az ábrákon csak olyan példakénti kiviteli alakokat mutattunk be, melyekben az egyes 3 hullámvezetők 4 erőmérő tartományai csupán egyetlen irány mentén egymást követően vannak elhelyezve, azonban a találmány nem korlátozódik ilyen megoldásokra. A szakember számára könnyedén elképzelhető a 3 hullámvezetők olyan vonalvezetése is, amelyben ugyanazon 3 hullámvezető az ábrák szerinti orientációban egymás melletti és egymás alatti 4 erőmérő tartományokat is tartalmaz.

A találmány tárgya továbbá eljárás erő mérésére a fentiekben ismertetett szenzorrendszer használatával több 4 erőmérő tartományban. Az eljárás során legalább egy 1 fényforrással legalább egy 3 hullámvezetőbe 2 fényt juttatunk be, ahol legalább a 4 erőmérő tartományokban a 3 hullámvezetővel szomszédosan egyenetlen felületű 5 erőközvetítő elem van elhelyezve. Az egyes 4 erőmérő tartományok között lévő 6 kicsatolási helyeknél a 2 fény előre meghatározott hányadát a 3 hullámvezetőből kicsatoljuk és a kicsatolt fény intenzitását legalább egy, előnyösen több 7 fényérzékelővel mérjük. A kicsatolást, vagyis lényegében a 6 kicsatolási helynél a 3 hullámvezetőben terjedő fény megcsapolását a szakember számára ismert bármely módon végrehajthatjuk, előnyösen evaneszcens hullámok, a 3 hullámvezető felületének módosítása vagy a 3 hullámvezető meghajlítása, különösen előnyösen a 3 hullámvezető adott görbülettel való meghajlítása révén.

Az eljárás egyik előnyös változatában több 3 hullámvezetőt használunk, melyeknek 4 erőmérő tartományai egymással legalább részben átfedésben vannak, különösen előnyösen az egyes 3 hullámvezetők egyes 4 erőmérő tartományai a többi 3 hullámvezető legalább egyikének több 4

- 12 erőmérő tartományával vannak átfedésben. Ezáltal a szenzorrendszer által érzékelt erő, illetve nyomás eloszlása az egyes 3 hullámvezetők 4 erőmérő tartományainál kisebb egységekre, vagyis az átfedő tartományokra, meghatározható.

Az eljárás egy további előnyös változatában egyetlen 7 fényérzékelőt több 6 kicsatolási helynél kilépő fény érzékelésére használunk, amely 6 kicsatolási helyek tartozhatnak ugyanazon 3 hullámvezetőhöz vagy több különböző 3 hullámvezetőhöz. Abban az esetben, amikor egy 7 fényérzékelővel több különböző 3 hullámvezető 6 kicsatolási helyeinél kilépő fényt érzékelünk, a 2 fény 3 hullámvezetőkbe való bejuttatásakor előnyösen időosztásos multiplexelést vagy hullámhossz-osztásos multiplexelést alkalmazunk vagy a különböző 3 hullámvezetőkbe juttatott 2 fény amplitúdóját és/vagy frekvenciáját különböző modulációs frekvenciával moduláljuk, majd a 7 fényérzékelővel a fény érzékelésekor vagy azt követően feldolgozási lépésben megfelelő demultiplexelést vagy spektrumanalízist végzünk.

Az eljárás egyik további előnyös változatában a 3 hullámvezetőbe annak mindkét végénél 2 fényt juttatunk be, előnyösen az azonosítást lehetővé tevő különböző paraméterekkel, így az egyes 4 erőmérő tartományokra vonatkozóan két mérés végezhető két különböző 7 fényérzékelővel, miáltal a mérési pontosság növekszik.

A találmány tárgya továbbá egy lapos hordozót és a találmány szerinti szenzorrendszert tartalmazó lapos termék. A szenzorrendszer a lapos hordozó egyik felületén vagy a lapos hordozó belsejében van elhelyezve. Előnyösen a szenzorrendszer 5 erőközvetítő elemeit a lapos hordozó alakjával megegyező alakú folytonos anyaglapok képezik, melyek egy vagy több ponton egymáshoz és a lapos hordozóhoz vannak rögzítve, előnyösen ragasztás vagy hegesztés révén. Adott esetben a lapos hordozó képezi a legalább egy erőközvetítő elem legalább egyikét. A lapos terméket előnyösen jógamatrac, ülőpárna, padlószőnyeg, lábtörlő, sportpadló, tapéta vagy egyéb lapos burkolóelem képezi. Előnyösen a lapos hordozó meghajlítható, ezáltal a termék ívelt felületeken is alkalmazható, különösen előnyösen a lapos termék ívelt felületekre terítve saját súlyából eredően követi a felület alakját. Lapos hordozóként nagy keménységű, viszonylag merev elemek, például padlóburkoláshoz használt kerámia lapok is alkalmazhatók.

A találmány szerinti szenzorrendszerrel ellátott termék, például jógamatrac minden elektronikus alkatrésze huzalozással és áramforrással együtt elhelyezhető a matrac egyetlen éle, előnyösen annak rövid éle mentén, így egyrészt érintésvédelmi szempontból különösen biztonságos, nedvességre, például izzadságra nem érzékeny. Előnyösen a szenzorrendszer a matrac belsejében, vagyis két lágyabb, habosított polimeranyagból lévő rétege között van elhelyezve. Adott esetben a matracba integrált szenzorrendszer különböző tartományai különböző alakú és méretű 4 erőmérő

- 13 tartományokat tartalmaznak, melyek különböző funkciókat látnak el. Például energiatakarékosság céljából egy kisebb felbontású aktiváló rész a szenzorrendszer többi, nagyobb felbontású részének be- és/vagy kikapcsolására alkalmas. A szenzorrendszer előnyösen egy további eszközzel adatátviteli kapcsolatban van, amely előnyösen valós időben képes kiszámítani és megjeleníteni a 5 7 fényérzékelők által mért jelekből a matracra gyakorolt nyomás eloszlását. Ezen további eszköz a kapott nyomáseloszlást adott esetben előre beprogramozott mintázatokkal veti össze és a várt nyomáseloszlástól eltérő nyomáseloszlás érzékelése esetén, ami például helytelen testhelyzetet vagy helytelen gyakorlatvégrehajtást jelez, tájékoztatja a felhasználót.

A találmány szerinti szenzorrendszert tartalmazó padlóburkolat, padlószőnyeg vagy lábtörlő 10 előnyösen egy kisebb felbontású aktiváló résszel rendelkezik egy nyomásváltozás érzékeléséhez, amely aktiválja a nagyobb felbontású részt a nyomás forrásának azonosításához, például a nyomásnak kitett tartományok összterülete, száma és az érzékelt nyomás alapján kétlábú vagy négylábú élőlények megkülönböztetéséhez, például biztonsági rendszer részeként háziállat vagy illetéktelen behatoló azonosításához.

Claims (16)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Szenzorrendszer erő mérésére több erőmérő tartományban (4), ahol a szenzorrendszer tartalmaz: - legalább egy hullámvezetőt (3),

   - legalább egy fényforrást (1), amely a hullámvezetőbe (3) fény (2) becsatolására alkalmasan van elrendezve,

   - legalább két fényérzékelőt (7), amely a hullámvezetőből (3) kilépő fény intenzitásának mérésére alkalmasan van elrendezve,

   - kicsatolási helyeket (6) a hullámvezető (3) mentén kialakítva, melyeknél a hullámvezetőbe (3) csatolt és abban terjedő fény (2) előre meghatározott része kicsatolásra kerül, továbbá

   - fényérzékelőket (7) a hullámvezetőből (3) a kicsatolási helyeknél (6) kilépő fény (2) fogadására alkalmasan elrendezve, azzal jellemezve, hogy tartalmaz továbbá

   - legalább egy erőközvetítő elemet (5), melynek egyenetlen felülete van és amely legalább az erőmérő tartományokban (4) a hullámvezetővel (3) szomszédosan van elrendezve, ahol a kicsatolási helyek (6) a hullámvezetőn (3) az erőmérő tartományok (4) között helyezkednek el.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy a kicsatolási helyek (6) a hullámvezető (3) fix görbületi sugárral meghajlított részeiként vannak kiképezve.
3. 3. Az előző igénypontok bármelyike szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy több hullámvezetőt (3) tartalmaz, melyeknek egymással legalább részben átfedő erőmérő tartományai (4) vannak.
4. 4. A 3. igénypont szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy az egyes hullámvezetők (3) egyes erőmérő tartományai (4) a többi hullámvezető (3) legalább egyikének több erőmérő tartományával (4) vannak átfedésben.
5. 5. Az előző igénypontok bármelyike szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy több kicsatolási hely (6) úgy van elrendezve, hogy a több kicsatolási helynél (6) kilépő fény (2) ugyanazon fényérzékelőre (7) esik.
6. 6. Az előző igénypontok bármelyike szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy egy hullámvezető (3) mindkét végénél fényforrás (1) van elhelyezve.
7. 7. Az 5. vagy a 6. igénypont szerinti szenzorrendszer, azzal jellemezve, hogy a fényérzékelő (7) által fogadott, több kicsatolási helyről (6) érkező vagy több fényforrásból (1) származó fény (2) azonosításához tartalmaz

   - időosztásos multiplexelés és hullámhossz-osztásos multiplexelés legalább egyikének végrehajtására, és/vagy

   - különböző frekvenciával modulált fény detektált időbeli jelének spektrumanalízisére alkalmasan kialakított eszközt.
8. 8. Eljárás erő mérésére több erőmérő tartományban (4), ahol az eljárás során:

   - legalább egy fényforrással (1) legalább egy hullámvezetőbe (3) fényt (2) juttatunk be;

   - a hullámvezető (3) mentén kicsatolási helyeknél (6) a hullámvezetőben (3) terjedő fény (2) előre meghatározott részét a hullámvezetőből (3) kicsatoljuk; és

   - a hullámvezetőből (3) kilépő fény (2) intenzitását legalább két fényérzékelővel (7) mérjük; azzal jellemezve, hogy a hullámvezetőn (3) a kicsatolási helyeket (6) az erőmérő tartományok (4) között képezzük ki, ahol legalább az erőmérő tartományokban (4) a hullámvezetővel (3) szomszédosan egyenetlen felületű erőközvetítő elemet (5) helyezünk el, továbbá a fényérzékelőkkel (7) a hullámvezetőből (3) a kicsatolási helyeknél (6) kilépő fény (2) intenzitását mérjük.
9. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kicsatolási helyeket (6) a hullámvezető (3) fix görbületi sugárral meghajlított részeiként alakítjuk ki.
10. 10. A 8. vagy a 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy több hullámvezetőt (3) használunk, melyek erőmérő tartományait (4) egymással legalább részben átfedésben rendezzük el.
11. 11. A 10. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az egyes hullámvezetők (3) egyes erőmérő tartományait (4) a többi hullámvezető (3) legalább egyikének több erőmérő tartományával (4) átfedésben rendezzük el.
12. 12. A 8-11. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy több hullámvezető (3) egy-egy kicsatolási helyénél (6) kilépő fényt (2) ugyanazon fényérzékelőhöz (7) vezetjük.
13. 13. A 8-12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy egy hullámvezető (3) mindkét végénél fényt (2) bocsátunk a hullámvezetőbe (3).
14. 14. A 12. vagy a 13. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fényérzékelő (7) által érzékelt, több helyről érkező fény (2) elkülönítéséhez

    - időosztásos multiplexelés és hullámhossz-osztásos multiplexelés legalább egyikét, és/vagy - különböző frekvenciával modulált fény detektált időbeli jelének spektrumanalízisét végezzük el.
15. 15. Lapos termék, amely tartalmaz:

    - lapos hordozót, valamint

    - a lapos hordozón elhelyezett vagy a lapos hordozóba integrált erő- és/vagy nyomásmérő szenzorrendszert, azzal jellemezve, hogy a szenzorrendszert az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti szenzor-

    5 rendszer képezi.
16. 16. A 15. igénypont szerinti lapos termék, azzal jellemezve, hogy a lapos termék jógamatrac, padlószőnyeg, lábtörlő, ülőpárna, sportpadló, tapéta vagy egyéb lapos burkolóelem.