SE454298B - Optisk fibertryckgivare med en optiskt genomslepplig fiber samt ett arrangemang for en tryckdetektor innefattande den optiska fibertryckgivaren - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 454 298 " 2 klädnadsskiktet. Eftersom beläggningsskiktet har högre index än beklädnaden. så kommer det kopplade ljuset att riktas ur beklädnadsskiktet och slutligen absorberas av den ogenomskin- liga beläggningen. Detta i sin tur medför att effekten minskar hos det ljus som transporteras genom hela längden av den op- tiska fibern. Som resultat kan storleken av ett eventuellt sídlänges pålagt tryck lätt detekteras helt enkelt genom att övervaka amplituden (eller effekten) av det ljus som utkommer från den optiska fíberns kärna.

Olyckligtvis uppvisar för närvarande existerande fiberoptiska tryckgivare så låg känslighet för sidlänges pålagt tryck. att det är en besvikelse. Så är fallet eftersom nästan alla op- tiska fibrer är konstruerade för kommunikationer - det domine- rande användningsomrâdet för optiska fibrer - och konstruk- tionsegenskaperna hos en optisk fiber lämplig för optisk sig- nalöverföring med små förluster (kommunikation) har i allmän- het motsatta egenskaper gentemot dem som vore lämpliga för en tryckavkännare. De senare egenskaperna - vilka alla med avsikt undvikes, minimeras eller begränsas genom konstruktionen vid fibrer av kommunikationstyp - innefattar: stora mikroböjsför- luster. stor kärndiameter i förhållande till tjockleken hos beklädnadsskiktet. låg numerisk apertur hos fibern. dvs. rela- tivt liten skillnad i brytningsindex mellan kärnan och bekläd- nadsskiktet. och en hård ogenomskinlig beläggning (icke-defor- merande).

Eftersom få eller ens några kommersiellt tillgängliga optiska fibrer existerar. som är konstruerade för annan användning än kommunikation. så har tekniken inriktats på lösningar. syftan- de till att öka den ganska låga känsligheten hos kommunika- tionstypfibrer för sidlänges pålagt tryck. I stort sett alla dessa lösningar innefattar att fibern inkorporeras i en yttre anordning, som fysiskt deformerar fibern för att inducera ett stort antal mikroböjar i motsvarighet till ett sidlänges på- lagt tryck. Se exempelvis den apparatur som beskrives i ovan- nämnda artikel av Lagakos och amerikanska patentskriften 10 15 20 25 30 35 454 298 4 342 907 (P.B. Macedo et al. 3 augusti 1982). Oturligtvis medför användningen av dessa yttre anordningar många nack- delar. särskilt ökade dimensioner. kostnad och mekanisk kom- plexitet, när det gäller på optiska fibrer baserade tryck- givare.

Sammanfattning av uppfinningen Följaktligen är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en tryckgivare med optisk fiber. som förmånligt uppvisar hög känslighet till varje sidolänges pålagt tryck på givaren.

Ett särskilt syfte är att åstadkomma en dylik avkännare. som uppvisar mycket stora mikroböjsförluster vid tryck. som sid- länges pålägges vid varje punkt utefter dess längd.

Ett annat särskilt syfte är att åstadkomma en dylik givare, som ej erfordrar en yttre deformeringsanordning för att alstra mikroböjar.

Dessa och andra syften uppnås i enlighet med föreliggande upp- finning genom en avkännare. som har två beläggningsskikt, kon- centriskt pålagda runt och koaxiellt orienterade med en optiskt ledande fiber. där det första beläggningsskíktet är ett hårt. optiskt förlustgivande material och det andra be- läggningsskiktet, lagt ovanpå det första. är att böjligt mate- rial, innehållande en dispersion av kornformiga partiklar. Den optiska fibern innefattar en lågförlustig. optiskt ledande mittkärna och minst ett optiskt beklädnadsskikt.

I funktion kommer det böjliga beläggningsskiktet, på grund av de däri befintliga partiklarna. att fördela varje sidlänges pålagt tryck på givaren utefter en i förväg utvald längd av den optiska fibern. för att ge ett stort antal míkroböjar som resultat av detta tryck. Dessa mikroböjar kopplar på förmån- ligt sätt en väsentlig andel av ljus från en ledande (kärn-) 10 15 20 25 30 35 454 298 mod till en icke-ledande (beklädnads-) mod. När ljuset en gång inkopplats till det optiska beklädnadsskiktet kommer detta skikt att leda ljuset in i det förlustrika beläggningsskiktet. som i sin tur absorberar detta ljus. Detta medför att effekten (amplituden) hos det ljus som utkommer från givaren. markerat minskar. Med hänsyn till att ett stort antal mikroböjar alstras på grund av sidlänges pålagt tryck, kommer den optiska fibertryckgivaren enligt uppfinningen att uppvisa hög känslig- het.

Kort figurbeskrivning Uppfinningen kan tydligt förstås av den följande detaljerade beskrivningen med tillhörande ritningar. där: Fig. 1 är ett axiellt, längsgående tvärsnitt genom ett parti av en fíberoptisk tryckgivare 10. som förkroppsligar princi- perna enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar ett förstorat tvärsnitt genom den fiberoptiska tryckgivaren, enligt linjerna 2-2 i fig. 1.

Fig. 3 visar ett kraftigt förstorat längdsnitt genom ett parti av den optiska fibergivaren i fig. l. beläget vid en mikroböj.

Fíg. 4 är ett blockschema av en intrusionsdetektor. med an- vändande av den fiberoptiska tryckgivaren enligt fig. 1-3.

För att underlätta förståelsen av identiska referensbeteck- ningar används för att beteckna identiska element. som är gemensamma för de olika figurerna.

Detaljerad beskrivning Längsnittsvyn. som visas i fiq. l och den axiella tvärsnitts- vyn i fig. 2 enligt linjerna 2-2 i fig. l visar en föredragen utföringsform av en optisk fibertryckgivare 10. i vilken upp- 10 15 20 25 30 35 454 298 finningens tekniska lära är förkroppsligad.

Närmare bestämt ingår i den optiska fibergivaren 10 en optisk fiber, som har en optiskt genomsläpplig mittkärna ll och ett optiskt beklädnadsskíkt 13, koaxiellt pålagt och koncentriskt orienterat i förhållande till mittkärnan. Både kärnan och be- klädnadsskiktet är företrädesvis av glas. Brytningsindex för kärnan ll och beklädnadsskiktet 13 är på lämpligt sätt valda så att sådant ljus som transporteras genom kärnan vid frånvaro av mikroböjar och som träffar gränsytan 12 mellan kärnan och beklädnadsskiktet 13 kommer att erfara inre reflektion bakåt till kärnan. Vid frånvaro av mikroböjar i kärnan kommer därför i huvudsak allt det ljus som inträder i kärnan att transpor- teras genom den optiska fiberns hela längd och. om man bortser från normala kabeldämpningsförluster, sedan utträda därifrån.

Det är allmänt känt att förluster av mikroböjar ökar då den optiska fibern tvingas att forma sig efter ökande fysisk oregelbundenhet (ytråhet), som pålägges på dess ytteryta.

Dessutom är denna förlust direkt proportionell både mot radien och böjstyvheten för fibern och omvänt proportionell mot skillnaden mellan värdena för respektive brytningsindex för kärnan och beklädnadsskiktet som bildar den optiska fibern. Se exempelvis de generaliserade ekvationerna 28 och 29. som före- ligger på sid. 252 i D. Gloge. "Optical-Fiber Packaging and Its Influence on Fiber Straíghtness and Loss", The Bell System Technical Journal. vol. 54. nr 2. februari 1975. sid. 245-262.

Giltigheten av dessa ekvationer har experimentellt bekräftats av W.B. Gardner i "Mícrobending Loss in Optical Fibers". The Bell System Technical Journal. vol. 54. nr 2. februari 1975. sid. 457-465.

Sökandena har insett att en effektiv och mycket känslig optisk fibertryckgivare kan tillverkas genom användning av en fiber. som är så konstruerad att man accentuerar istället för att minimera mikroböjsförlusterna, varvid ytirregulariteter påläg- ges, icke genom en yttre deformeringsanordning utan istället 10 15 20 25 30 35 454 298 genom ett separat beläggningsskikt. innehållande en dispersion av partikelformàt material, som är koncentriskt pålagd på och koaxiellt orienterad i förhållande till den optiska fibern.

För att tillverka en dylik givare pålägges två ytterligare beläggningsskikt, såsom visas i fig. l och 2. koncentriskt och koaxiellt orienterade i förhållande till den optiska fibern.

Det första beläggningsskíktet. dvs. skiktet 15. är gjort av ett hårt. optiskt förlustsrikt material. företrädesvis med högre brytningsindex än det optiska beklädnadsskiktet. och är pålagt på beklâdnadsskiktet 13 genom konventionella och väl- bekanta metoder. Ett andra beläggningsskikt. dvs. skiktet 17. är koncentriskt pålagt på skiktet 15 genom konventionella. välkända metoder. I motsvarighet till ett sidlänges pälagt tryck kommer beläggningsskiktet 17 att påläqga både signifi- kanta ytirregulariteter på beläggningsskiktet 15 och i sin tur ett väsentligt antal mikroböjar på den optiska fibern. Belägg- ningsskiktet 17 är konstruerat av ett mycket böjligt material, i vilket ett stort antal fina, hårda. granulära partiklar bli- vit likformigt fördelade. Dessa partiklar kan exempelvis bestå av fin sand, olika typer av slipkorn eller liknande hårt. par- tikelformigt material.

Med hänsyn till denna struktur enligt uppfinningen accentueras mikroböjsförluster genom att välja en optisk fiber med rela- tivt liten ytterdiameter men med en mittkärna ll som är mycket tjockare än beklädnadsskiktet 13. genom användning av ett op- tiskt förlustrikt material för beläggningsskiktet 15. som har stor böjstyvhet (högt värde på Young-modulen). med användning av lämpliga optiska material för mittkärnan ll och beklädnads- skiktet 13. sådana att skillnaden mellan värdena på respektive brytningsindex är ganska låg (medförande låg numerisk apertur för fibern). och genom att välja ett mycket höjligt material för beläggningsskiktet 17. Beläggningsskiktet 15 göres före- trädesvis av en polyakrylat eller polyimid med hög elastici- tetsmodul. eller något liknande material. och beläggningsskik- tet 17 tillverkas av exempelvis gummi (såsom kiselgummí av typ 10 15 20 25 30 35 454 298 RTV. tillverkat a General Electric). eller ett polyakrylat med låg elasticitetsmodul. eller något liknande material.

För att demonstrera funktionen hos den fiberoptiska tryckgiva- ren enligt uppfinningen kommer nu två belysande exempel att diskuteras i samband med fig. 3. nämligen fallet med intet sidlänges pålagt tryck och ett sidlänges pålagt tryck. här- rörande från påläggningen av kraften F mot givaren 10. Om för det första intet tryck pålägges sidlänges mot givaren. såsom exempelvis vid sektionen 21. så kommer det partikelformiga materialet, omfattande partiklar 31. 32. 33 och 34 bl.a.. och som är fördelade över hela denna sektion av böjligt belägg- ningsskikt, att förbli likformigt fördelade och i allmänhet ej sammanpressade mot varandra. Detta medför att inga av de par- tiklar som föreligger i denna sektion kommer att pålägga någon kraft mot andra partiklar. och ingen i denna sektion befintlig partikel. t.ex. partikeln 35, kommer att pålägga någon kraft mot ytterytan av hårt. förlustrikt beläggningsskikt 15. Följ- aktligen kommer inga ytoregelbundenheter att påläggas utefter sektionen 21 i den optiska fibern utefter denna sektion. Detta medför att en ljusstråle såsom strålen 2. som i sektionen 21 träffar gränsytan 12 mellan mittkärnan och beklädnadsskiktet 13. att bara reflekteras tillbaka till mittkärnan och sålunda transporteras genom denna sektion av den optiska fibern. Om inga mikroböjar uppträder i resten av den optiska fibern. så kommer strålen 2 att fortsätta genom återstoden av den optiska fibern och därefter att utträda vid änden av den optiska fibertryckgivaren 10.

Alternativt, om en lokaliserad kraft F sidlänges pålägges mot ytan till sektionen 27 av det böjliga beläggningsskiktet 17, så kommer denna kraft att till en början deformera (samman- trycka) detta skikt och förflytta de partiklar som finns i denna sektion i det böjliga beläggningsskiktet tätt tillsam- mans. Resultatet på det böjliga beläggningsskiktet vid en be- gynnande deformation är direkt bestämt av förhållandet mellan kraft och påkänning hos det böjlíga materialet. När storleken 10 15 20 25 30 35 454 298 av denna kraft fortsätter att öka. kommer partiklarna att fortsätta att röra sig tillräckligt nära varandra. tills det mellanliggande böjliga materialet komprimerats till sin gräns. vid denna punkt kommer det som händer med materialet vid ökan- de deformation att i huvudsak bestämmas av det partikelformade materialets eget förhållande mellan kraft och påkänning. Når kraften och deformationen ökar kommer olika partiklar, såsom partiklarna 41, 42 och 43 att pressas mot ytterytan till det hårda. förlustrika skiktet 15 och i sin tur pålägga en mikro- böj på den optiska fíbern i sektionen 27. Resultatet av denna mikroböj är att ljusstrålar såsom strålarna 4. 6 och 8, som träffar gränsytan 12 utefter denna mikroböj. mellan mittkärnan ll och beklädnadsskiktet 13. brytes in i beklädnadsskiktet.

Därifrån går dessa strålar genom beklädnadsskiktet och slår emot det förlustrika beläggningsskiktet 15, som i sin tur absorberar dessa strålar. Följaktligen kommer dessa strålar ej att fortsätta vidare utefter den optiska fibern. så att ampli- tuden (och effekten) hos det ljus som kommer ut från den op- tiska fibern kommer att minska. När det sidlänges pâlagda trycket ökar och/eller pålägges över en större sektion av av- kännaren, så kommer ett större antal mikroböjar att påläggas på den optiska fibern. vilket i sin tur ytterligare minskar amplituden (och effekten) för det ljus son utkommer från giva- Ken.

Lämpligen kan det minsta sidlängespålagda tryck som fordras för att alstra en mikroböj och orsaka en minskning i amplitu- den hos det utträdande ljuset inställes under givarens till- verkning genom att på lämpligt sätt välja antal och storlek för de partiklar som skall likformigt fördelas i det böjliga beläggningsskiktet 17. När mängden dylika partiklar ökas, kom- mer tydligtvis detta minimitryck att minska.

Som framgår av fig. 4. detekteras amplítuden (eller effekten) hos det ljus som alstras och injiceras i ena änden till den optiska fibern genom ljussändaren 20 och som därefter kommer ut från givaren, att detekteras vid utgångsänden till fibern 10 15 20 25 30 35 454 298 genom välkända detektionskretsar (ej visat). såsom halvledar- -fotodetektorer och tillhörande förstärkare. ingående i ljus- detektorn 30. Kretsen med sändaren 20 är konventionell till sin natur. och våglängden X för det emitterade ljuset be- stämmes till största del av den optiska fiberns transmissions- egenskaper. Detta ljus är ej begränsat till det synliga spek- trum utan kan faktiskt sträcka sig in i det osynligå spektrum (såsom infrarött), om så önskas. De kretsar som man faktiskt använder i ljusdetektorn 30 beror också på den särskilda till- lämpning. där den optiska fibertryckgivaren skall användas. Om exempelvis givaren användes såsom i fig. 4. såsom en inbrotts- avkännare. så bör detektorn vid plötsliga snabba ändringar (exempelvis en snabb minskning) i amplituden (eller effekten) för det detekterade ljuset åstadkomma en lämplig signal via ledningen 35 för att aktivera ett alarm, såsom larmanordningen 40.

Det inses av berörda fackmän att känsligheten hos den fiber- optiska tryckgivaren för sídlänges pålagt tryck kan ändras genom att variera storleken på partiklarna och deras disper- sion i det böjliga beläggningsskiktet. Om t.ex. samma antal partiklar per enhetsvolym likformig díspergeras i hela det böjliga beläggníngsskiktet. så kan känsligheten ökas. om en större partikelstorlek användes. Likaledes kan känsligheten minskas. om man använder partiklar av mindre storlek. Vid en given partikelstorlek kan känsligheten alternativt ökas eller minskas. om densiteten för de dispergerade partiklarna ökas eller minskas. Tydligtvís kan varje kombination av dessa effekter användas för att inställa känsligheten till önskat värde. Vidare kan lokaliserade områden med hög eller låg känslighet åstadkommas genom att öka respektive minska par- tikelstorleken och/eller densiteten för de dispergerade par- tiklarna i vart och ett av dessa områden.

Ehuru ett särskilt belysande utföringsexempel visats och be- skrivits, belyses därmed blott principerna för föreliggande uppfinning. Många varierade arrangemang är möjliga under an- 454 298 ' . 10 vändning av dessa principer. vilket fackmannen kan utföra utan att frångå uppfinníngstanken.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 454 298 ll Patentkrav

1. Optisk fibertryckgivare med en optiskt genomsläpplig fiber (11. 13), av ett skikt (15) av hårt. optiskt förlustrikt material. koncentriskt pålagt på den op- tiska fibern och koaxiellt orienterat i förhållande därtill. k ä n n e t e c k n a d och ett böjligt skikt (17). vari ingår en dispersion av korn- formiga partiklar. och som är koncentriskt pålagt utanpå det hårda. förlustrika skiktet och koaxiellt orienterat med den optiska fibern.

2. Givare enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att det optiskt förlustrika skiktet (15) består av ett material som är väsentligt hårdare än det material som ingår i det böjliga skiktet.

3. Givare enligt krav 2. k ä n n e t e c k n a d av att par- tiklarna väsentligen består av ett relativt fint. hårt. par- tikelformigt material.

4. Givare enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att de kornformade partiklarna är likformigt dispergerade genom hela det böjliga skiktet. av att det

5. Givare enligt krav 4. k ä n n e t e c k n a d 'partikelformade materialet väsentligen består av fin sand eller slipkorn.

6. Givare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den optiska fibern innefattar en optiskt genomsläpplig kärna (ll) och minst ett beklädnadsskikt (13), som koncentriskt omger kärnan (ll) och är koaxiellt orienterat i förhållande till denna. varvid beklädnadsskiktet har ett brytningsindex som skiljer sig från kärnans brytningsindex. 10 15 20 25 30 35 454 298 12

7. Arrangemang för en tryckdetektor. klä n n e t e c k n a t av (a) en optisk fibertryckgivare med (1) en optiskt genomsläpplig fiber. (2) ett skikt av hårt. optiskt förlustrikt material. kon- centrískt pålagt på den optiska fibern och koaxiellt orienterat i förhållande därtill. och (3) ett böjligt skikt med en dispersion av kornformíga partiklar däri, koncentriskt pâlagt på det hårda¿ förlust- rika skiktet och koaxiellt orienterat i förhållande till den optiska fibern. _ (b) medel för alstring av ljus och injicerande av ljuset i ena änden av den optiska fibern. och (c) medel för detektering av eventuellt. från den andra änden av den optiska fibern utkommande ljus och att i motsvarighet till en förutbestämd ändring i det utkommande ljuset alstra en indikering att tryck pålagts på den optiska fibertryckgivaren.

8. Arrangemang enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att det hårda. förlustrikta skiktet omfattar material. som är väsentligt hårdare än det material. varav det böjliga skiktet består.

9. Arrangemang enligt krav 8. k ä n n e t e c k n a t av att partiklarna är väsentligen bestående av relativt fint, hårt. partikelformigt material.

10. Arrangemang enligt krav 7. k ä n n e t e c k n a t av att de kornformiga partiklarna är likformigt fördelade i hela det böjliga skiktet.

ll. Arrangemang enligt krav 10. k ä n n e t e c k n a t av att det partikelformiga materialet omfattar fin sand eller slipkorn.

12. Arrangemang enligt krav 9. k ä n n e t e c k n a t av att den optiska fibern omfattar en optiskt transmissiv kärna 454 298 och minst ett beklädnadsskikt. koncentrískt omgivande kärnan och koaxíellt orienterat i förhållande till denna. varvid be- klädnadsskíktet har ett brytningsindex, som skiljer sig från kärnans brytningsindex.