RU203379U1 - Волоконно-оптическое устройство контроля давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области контроля давления в области медицины и может быть использована для предотвращения образования пролежней у пациента. Технический результат предлагаемого волоконно-оптического устройства контроля давления заключается в упрощении предложенного устройства за счет упрощения конструкции устройства. Технический результат в волоконно-оптическом устройстве контроля давления, содержащем источник лазерного излучения, оптический датчик, оптический фильтр, фотоприемник, контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него дополнительно введены циркулятор, N–1 последовательно соединенных оптических датчиков, где N – число оптических датчиков, причем N – натуральный ряд чисел больше или равно 1, M параллельно соединенных электронных фильтров, где M – число электронных фильтров, причем M – натуральный ряд чисел больше или равно 1, причем число оптических датчиков N должно быть равно числу электронных фильтров M, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, каждый оптический датчик выполнен на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, разнесенными на величину ∆λ, при этом в оптических датчиках разнос фазовых сдвигов ∆λi≠∆λj, где i и j – номера оптических датчиков, i, j∈N, при этом разность ∆λi-∆λj не равна и не кратна в целом и частном ∆λi и ∆λj, при этом каждый из оптических датчиков выполнен так, что коэффициент отражения каждого N-1 оптического датчика должен быть меньше коэффициента отражения каждого N оптического датчика, контроллер определения параметра физического поля выполнен в виде контроллера определения давления, причем выход источника лазерного излучения соединен посредством волоконного световода со входом циркулятора, первый выход которого соединен посредством волоконного световода со входом оптического фильтра, второй выход циркулятора соединен со входом первого из последовательно соединенных посредством волоконных световодов N оптических датчиков, выход последнего соединен посредством волоконного световода со входом фотоприемника, к выходу которого параллельно соединены посредством электрических проводов входы M электронных фильтров, выходы M электронных фильтров, которые соединены посредством электрических проводов с соответствующими входами контроллера определения давления. В волоконно-оптическом устройстве контроля давления каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами может быть выполнена с симметрично или несимметрично расположенными фазовыми π-сдвигами относительно ее центральной длины волны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области контроля давления в области медицины и может быть использована, в частности, для предотвращения образования пролежней у пациента длительно находящегося в инвалидной коляске, больничной кушетке, где применение стандартных электронных устройств контроля давления осложнено взаимовлиянием электромагнитных, рентгеновских и прочих излучений в медицинском учреждении как на сложное медицинское оборудование, так и на стандартное электронное устройство контроля давления.

Известно изобретение (патент РФ RU2205374С2», «Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая», опубликован 27.05.2003), включающее в себя сердцевину оптического волокна, имеющую, по меньшей мере, одну решетку, сформированную вдоль, по меньшей мере, одной ее части, первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Двулучепреломляющее средство может включать в себя вторую эллиптическую оболочку между указанной сердцевиной и указанной первой оболочкой или средство, имеющее пару продольных стержней, встроенных в первую оболочку. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, по существу, параллельных указанной оболочке. Способ измерения давления или поперечной деформации включает в себя направление света от источника света в сердцевину волоконно-оптического датчика с решеткой на сердцевине волокна, оптическое присоединение анализатора спектра к волоконно-оптическому датчику с решеткой, измерение расстояния между двумя спектральными пиками, детектируемыми анализатором спектра.

Недостатком указанного изобретения является необходимость использования сложного дорогостоящего блока спектрального анализа принятого излучения и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения, как правило, это оптические анализаторы спектра. Оптоэлектронная раздельная обработка сигналов, также представляется сложной. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей контроля давления и снижению их точности в целом.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения параметров физических полей (патент РФ RU 2608394 C1, «Устройство для измерения параметров физических полей», опубликован 18.01.2017), содержащий последовательно соединенные источник четырехчастотного сигнала, первый волоконно-оптический кабель, оптический датчик, второй волоконно-оптический кабель; а также первый фотоприемник, первый амплитудный детектор, второй амплитудный детектор, контроллер определения параметра физического поля, причем первый амплитудный детектор подключен к первому входу контроллера определения параметра физического поля, а второй амплитудный детектор подключен к его второму входу, оптический разветвитель сигнала, два оптических избирательных фильтра и, второй фотоприемник, два полосовых фильтра и, при этом выход второго волоконно-оптического кабеля подключен к оптическому разветвителю сигнала, а первый выход оптического разветвителя сигнала через последовательно соединенные первый оптический избирательный фильтр, первый фотоприемник, первый полосовой фильтр подключен к первому амплитудному детектору, а второй выход оптического разветвителя сигнала через последовательно соединенные второй оптический избирательный фильтр, второй фотоприемник, второй полосовой фильтр подключен ко второму амплитудному детектору.

Прототип работает следующим образом. При измерении параметров физических полей с помощью четырехчастотного источника лазерного излучения одновременно генерируют четыре сигнала одинаковой амплитуды со средней частотой, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического датчика при заданном значении параметра физического поля. Первая пара сигналов сформирована из первого и второго сигналов, вторая - из третьего и четвертого. При этом разностные частоты пар Ω1 и Ω2 одинаковы, а разность между средними частотами первой и второй пар равна полуширине полосы пропускания оптического датчика.

Затем передают сгенерированные пары сигналов к оптическому датчику по первой оптической среде, в качестве которой выбран первый волоконно-оптический кабель.

В сгенерированных парах сигналов, проходящих через оптический датчик, происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от направления и величины частотного смещения его полосы пропускания, вызванного приложенным физическим полем и однозначно определяемого параметром данного поля.

Далее с помощью оптического разветвителя сигнала, первого избирательного фильтра и второго избирательного фильтра выделяют прошедшие через оптический датчик первую и вторую пару сигналов, передаваемые от оптического датчика к оптическому разветвителю сигнала по второй оптической среде, в качестве которой выбран второй волоконно-оптический кабель. Далее с помощью первого фотоприемника и второго фотоприемника образуют сигналы, соответствующие биениям сигналов первой и второй пар, которые выделяются соответственно первым, настроенным на частоту Ω1, и вторым, настроенным на частоту Ω2, полосовыми фильтрами. Далее в первом и втором амплитудных детекторах соответственно определяется амплитуда огибающих первой U_Ω1 и второй U_Ω2 пар. Далее с помощью контроллера определения параметра физического поля сравнивают амплитуды огибающих первой U_Ω1 и второй U_Ω2 пар. Если U_Ω1>U_Ω2, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U_Ω1. Если U_Ω1<U_Ω2, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U_Ω2. Ненулевая амплитуда огибающей пары, по которой в данный момент не производится определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика 3 от параметров физического поля, показывает, что величина амплитуды огибающей пары, по которой производят определение параметров физического поля, соответствует величине частотного смещения ближайшего к точке пересечения зависимостей амплитуд огибающих биений сигналов первой и второй пар U_Ω1 и U_Ω2 от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика, этим устраняется возникающая неоднозначность определения величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля.

По полученным значениям и заложенным в контроллере определения параметра физического поля зависимости разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар U_Ω1 и U_Ω2, прошедших через оптический датчик, от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика и зависимости направления и величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля однозначно определяют измеряемый параметр физического поля.

В основу работы прототипа положено измерение разности прошедших через оптический датчик огибающей биений сигналов с датчика и огибающей биений сигналов пары с датчика, прошедшей через оптический фильтр. Прототип измеряет параметры физического поля, в том числе давления.

Недостатком прототипа является наличие сложной схемы прохождения сигнала. Источник сигнала выполнен четырехчастотным, что значительно усложняет его генерацию, т.к. требует использования и настройки оптических модуляторов, например модуляторов Маха-Цендера. Наличие большого количества пассивных оптических компонентов (разветвитель, оптические фильтры) ослабляет сигнал при прохождении его через всю схему. Наличие двух независимых фотодетекторов и двух каналов для измерения определяет высокие требования к повторяемости характеристик данных компонентов, иначе снижается точность измерений. Прототип имеет сложную конструкцию.

Техническая проблема заключается в создании волоконно-оптического устройства контроля давления, которое не имеет сложной конструкции источника излучения и наличия двух каналов для детектирования измерительного сигнала.

Технический результат предлагаемого волоконно-оптического устройства контроля давления заключается в упрощении предложенного устройства за счет упрощения конструкции устройства по сравнению со конструкцией прототипа.

Технический результат в волоконно-оптическом устройстве контроля давления, содержащем источник лазерного излучения, оптический датчик, оптический фильтр, фотоприемник, контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него дополнительно введены циркулятор, N–1 последовательно соединенных оптических датчиков, где N – число оптических датчиков, причем N – натуральный ряд чисел больше или равно 1, M параллельно соединенных электронных фильтров, где M – число электронных фильтров, причем M – натуральный ряд чисел больше или равно 1, причем число оптических датчиков N должно быть равно числу электронных фильтров M, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, каждый оптический датчик выполнен, на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, разнесенными на величину ∆λ, при этом в оптических датчиках разнос фазовых сдвигов ∆λi≠∆λj, где i и j – номера оптических датчиков, i, j∈N, при этом разность ∆λi-∆λj не равна и не кратна в целом и частном ∆λi и ∆λj, при этом каждый из оптических датчиков выполнен так, что коэффициент отражения каждого N-1 оптического датчика должен быть меньше коэффициента отражения каждого N оптического датчика, контроллер определения параметра физического поля выполнен в виде контроллера определения давления, причем выход источника лазерного излучения соединен посредством волоконного световода с входом циркулятора, первый выход которого соединен посредством волоконного световода с входом оптического фильтра, второй выход циркулятора соединен с входом первого из последовательно соединенных посредством волоконных световодов N оптических датчиков, выход последнего соединен посредством волоконного световода с входом фотоприемника, к выходу которого параллельно соединены посредством электрических проводов входы M электронных фильтров, выходы M электронных фильтров, которые соединены посредством электрических проводов с соответствующими входами контроллера определения давления.

В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами может быть выполнена с симметрично расположенными фазовыми π-сдвигами относительно ее центральной длины волны.

В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами может быть выполнена с несимметрично расположенными фазовыми π-сдвигами относительно ее центральной длины волны.

На фиг. 1 изображена структурная схема волоконно-оптического устройства контроля давления, на фиг. 2 – конструкция оптического, на фиг. 3 – спектры оптического фильтра и волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, на фиг. 4 представлен алгоритм работы контроллера определения давления.

Волоконно-оптическое устройство контроля давления (фиг. 1, фиг. 2) содержит источник лазерного излучения 1, циркулятор 2, оптический фильтр 3, N оптических датчиков 4₁ – 4_N (первый оптический датчик 4₁, второй оптический датчик 4₂, … ,Nый оптический датчик 4_N), где N – натуральный ряд чисел, фотоприемник 5, M параллельно соединенных посредством электрических проводов электронных фильтров 6₁ – 6_M (первый оптический фильтр 6₁, второй оптический фильтр 6₂, … , Mый оптический фильтр 6_M), где M – натуральный ряд чисел, причем число оптических датчиков N должно быть равно числу электронных фильтров M, контроллер определения давления 7, источник лазерного излучения 1 соединен посредством волоконного световода с входом циркулятора 2, первый выход которого соединен посредством волоконного световода с входом оптического фильтра 3, второй выход циркулятора 2 соединен с входом первого из последовательно соединенных посредством волоконных световодов N оптических датчиков 4₁ – 4_N посредством волоконного световода, выход последнего из N оптического датчика 4₁ – 4_N соединен с входом фотоприемника 5 посредством волоконного световода, выход фотоприемника 5 соединен с входами M электронных фильтров 6₁ – 6_M посредством электрических проводов, выход каждого из M электронных фильтров 6₁ – 6_M соединен посредством электрических проводов с соответствующим входом контроллера определения давления, источник лазерного излучения 1 выполнен широкополосным, а каждый оптический датчик 4₁ – 4_N выполнен, на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга 8 (фиг. 2) с двумя фазовыми π-сдвигами 9 (фиг. 2), разнесенными на величину ∆λ, причем разнос фазовых сдвигов 9 ∆λ _i ≠∆λ _j , где i и j – номера оптических датчиков 4₁ – 4_N, i, j∈N, где N – число оптических датчиков 4₁ – 4_N, при этом разность ∆λ _i -∆λ _j не равна и не кратна в целом и частном ∆λ _i и ∆λ _j . Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник лазерного излучения 1, фотоприемник 5, электронные фильтры 6₁ – 6_M и контроллер определения давления 7 к источникам питания (система электропитания на фиг. 1 не показана), производят запись программы обработки сигнала согласно алгоритму, представленному на фиг. 4 в контроллер определения давления 7. Оптические датчики 4₁ – 4_N располагают, например в области ступней, седалищных зон, лопаток.

В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга 8 с двумя фазовыми π-сдвигами 9 может быть выполнена с симметрично расположенными фазовыми π-сдвигами 9 относительно ее центральной длины волны.

В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга 8 с двумя фазовыми π-сдвигами 9 может быть выполнена с несимметрично расположенными фазовыми π-сдвигами 9 относительно ее центральной длины волны.

Рассмотрим работу волоконно-оптического устройства контроля давления (фиг. 1 – фиг. 4). Широкополосное излучение от источника лазерного излучения 1 (фиг. 1) направляется в циркулятор 2 и после в оптический фильтр 3, где выделяется спектральная область длин волн для работы оптических датчиков 4₁ – 4_N, после оптического фильтра 3 сигнал отражается и через циркулятор направляется к оптическим датчикам 4₁ – 4_N, при этом каждый из оптических датчиков выполнен так, что коэффициент отражения каждого N-1 оптического датчика должен быть меньше коэффициента отражения каждого N оптического датчика. В оптических датчиках 4₁ – 4_N в окнах прозрачности из полного спектра света для каждого из N оптических датчиков вырезаются два узкополосных участка с разносом ∆λ, при этом разнос фазовых сдвигов 8 ∆λ _i ≠∆λ _j , где i и j – номера оптических датчиков 4₁ – 4_N, i, j∈N, где N – число оптических датчиков 4₁ – 4_N, при этом разность ∆λ _i -∆λ _j не равна и не кратна в целом и частном ∆λ _i и ∆λ _j . Далее сигнал, прошедший через оптические датчики 4₁ – 4_N попадает в фотодетектор 5, где разделяется на N частей, каждая из которых направляется на соответствующий N электронный фильтр 6₁ – 6_M, в каждом из которых происходит выделение, соответствующей N оптическому датчику 4₁ – 4_N, огибающей биений двух частотных составляющих равной амплитуды с частотой, соответствующей разносу ∆λ _N . Таким образом, на выходе каждого из M электронных фильтров 6₁ – 6_M формируется сигнал, соответствующий N оптическому датчику 4₁ – 4_N, который поступает на соответствующий вход контроллера определения давления 7. Контроллер определения давления 7 принимает сигналы с каждого из M электронных фильтров 6₁ – 6_N и обрабатывает их по алгоритму, представленному на фиг. 4. На фиг. 3 изображены возможные спектральные характеристики оптического фильтра и линейно-чирпированной волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми сдвигами, где λ - это длина волны, T(λ) – это коэффициент отражения. Предложенное волоконно-оптическое устройство контроля давления осуществляет непрерывный контроль наличия давления на датчик. Число оптических датчиков N и число электронных фильтров М могут быть равны, например 1 или 3, или 6, или больше, и зависит от ширины спектра сигнала источника лазерного излучения и оптического фильтра.

Волоконно-оптическое устройство контроля давления может быть создано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны, например 1550 нм:

источник лазерного излучения 1 SLD-1550-3 – лазерный диод фирмы «Superlum»;

циркулятор 2 – циркулятор 3PIOC-1550 фирмы «Flyin»;

оптический фильтр 3 - волоконная решетка Брэгга, записанная в НЦВО «Фотоника» (Москва), или НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), или Инверсия-Файбер (Новосибирск), или Инверсия –Сенсор (Пермь) и т.д., либо покупные датчики этих фирм и фирмы FiberSensing;

оптические датчики 4₁ – 4_N – волоконная решетка Брэгга 8 по меньшей мере, с двумя фазовыми сдвигами 9 записанная в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);

фотоприемник 5 – высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;

электронные фильтры 6₁ – 6_M – СВЧ полосовые фильтры производства ФГУП «НПП «Гамма» (Москва), или АО «ОНИИП» (Омск), или ЗАО «НПФ Микран» (г. Томск);

контроллер определения давления 7 – микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.

При реализации волоконно-оптического устройства контроля давления все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.

Заявляемая полезная модель – волоконно-оптическое устройство контроля давления представляет собой единую конструкцию, так как все блоки входящие в волоконно-оптическое устройство контроля давления соединены между собой.

По сравнению с прототипом, предложенное волоконно-оптическое устройство контроля давления позволяет упростить схему, за счет устранения из схемы сложного четырехчастотного источника сигнала, требующего использования и настройки оптических модуляторов и отсутствия дополнительного измерительного канала для одной точки измерения.

Испытания опытного образца волоконно-оптического устройства контроля давления были проведены на оптических датчиках, изготовленных в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань), откалиброваны на оптических анализаторах спектра ANDO там же, количество оптических датчиков составляет 6. Исследования показали, что предложенное волоконно-оптическое устройство контроля давления, позволяет значительно упростить его схему. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью АЦП контроллера определения давления, а также неточностью изготовления датчиков давления на основе волоконных решеток Брэгга с двумя фазовыми сдвигами и не влияет на результат детектирования изменения давления, т.к. одномоментное воздействие на датчик давления и его отклик много больше погрешности датчика и контроллера.

Все это позволяет говорить о достижении технического результата –упрощения волоконно-оптического устройства контроля давления по сравнению с устройством по прототипу, т.к. конструкция предложенного волоконно-оптического устройства контроля давления проще по сравнению с конструкцией прототипа. Предложенное устройство не имеет двух измерительных каналов для одной точки измерения, а также не имеет в конструкции оптических модуляторов для формирования источника лазерного излучения. Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом является упрощение процесса преобразования сигнала для детектирования давления.

Claims (3)

1. Волоконно-оптическое устройство контроля давления, содержащее источник лазерного излучения, оптический датчик, оптический фильтр, фотоприемник, контроллер определения параметра физического поля, отличающийся тем, что в него дополнительно введены циркулятор, N–1 последовательно соединенных оптических датчиков, где N – число оптических датчиков, причем N – натуральный ряд чисел, больших или равных 1, M параллельно соединенных электронных фильтров, где M – число электронных фильтров, причем M – натуральный ряд чисел, больших или равных 1, причем число оптических датчиков N должно быть равно числу электронных фильтров M, источник лазерного излучения выполнен широкополосным, каждый оптический датчик выполнен на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, разнесенными на величину ∆λ, при этом в оптических датчиках разнос фазовых сдвигов ∆λi≠∆λj, где i и j – номера оптических датчиков, i, j∈N, при этом разность ∆λi-∆λj не равна и не кратна в целом и частном ∆λi и ∆λj, при этом каждый из оптических датчиков выполнен так, что коэффициент отражения каждого (N-1)-го оптического датчика должен быть меньше коэффициента отражения каждого N-го оптического датчика, контроллер определения параметра физического поля выполнен в виде контроллера определения давления, причем выход источника лазерного излучения соединен посредством волоконного световода со входом циркулятора, первый выход которого соединен посредством волоконного световода со входом оптического фильтра, второй выход циркулятора соединен со входом первого из последовательно соединенных посредством волоконных световодов N оптических датчиков, выход последнего датчика соединен посредством волоконного световода со входом фотоприемника, к выходу которого параллельно соединены посредством электрических проводов входы М электронных фильтров, выходы М электронных фильтров соединены посредством электрических проводов с соответствующими входами контроллера определения давления.

2. Волоконно-оптическое устройство контроля давления по п. 1, отличающееся тем, что линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами выполнена с симметрично расположенными фазовыми π-сдвигами относительно ее центральной длины волны.

3. Волоконно-оптическое устройство контроля давления по п. 1, отличающееся тем, что линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами выполнена с несимметрично расположенными фазовыми π-сдвигами относительно ее центральной длины волны.

Images