ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ КАНТИЛЕВЕР НА ОСНОВЕ ВОЛОКОН, ВСТРОЕННЫЙ В КАРТРИДЖ
MEASURING DEVICE USING CANTILEVER BASED ON FIBERS, BUILT INTO CARTRIDGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству для измерения физических свойств текучей среды с использованием кантилеверов на основе волокон, встроенных в картридж.
Уровень техники изобретения
Физические свойства текучей среды используются в научных и технических целях. Ярким примером является медицинская диагностика: вязкость плазмы крови можно использовать для диагностики некоторых заболеваний, например, сердечно сердечнососудистых заболеваний, ревматоидного артрита и некоторых автоиммунных заболеваний. Кроме того, в нефтяной промышленности, информация, касающаяся химического состава, диаграммы фазового равновесия, плотности и вязкости текучей среды, является критичной для решения по поводу того, в каких зонах экономически целесообразно бурить конкретную скважину и развертывать надлежащую инфраструктуру в данных зонах.
Существует несколько подходов к измерению физических свойств текучей среды, одним из которых являются устройства на основе MEMS (микроэлектромеханических систем). MEMS-кантилеверы изготавливают из гальванического никеля и приводят в движение дистанционно магнитным полем с использованием электромагнита. Кантилеверы помещают в жидкость, динамические характеристики колебаний (фаза и амплитуда) испытывают влияние вязкости жидкости и накопления массы на кантилеверах. Посредством измерения фазы и амплитуды колебаний можно определять вязкость жидкости и незначительные количества химикатов и веществ, которые могут существовать в жидкости. Однако, MEMS-кантилеверы нуждаются в распространении света в текучей среде для достижения поверхности кантилевера, и это будет формировать помехи во время прохождения сигнала. Кроме того, оптическое считывание MEMS-кантилеверов обычно требует активной юстировки.
Таким образом, для решения проблем в данной области техники необходим более совершенный способ измерений.
Сущность изобретения
Техническая проблема, которая должна быть решена настоящим изобретением, состоит в создании измерительного устройства для измерения физических свойств текучей среды с использованием кантилеверов на основе волокон, встроенных в картридж. Во время измерительной операции измерительного устройства, свет пропускается внутрь оптического волокна. Поэтому отношение сигнала к шуму для сигнала повышается; юстировка для оптического считывания может упрощаться, и активная юстировка не обязательна для обеспечения точного результата измерения с помощью простого способа измерения.
Настоящее изобретение предлагает картридж, содержащий, по меньшей мере, один флюидный канал; по меньшей мере, один оптический канал; камеру, расположенную на пересечении флюидного канала и оптического канала; и, по меньшей мере, один оптический волновод, каждый из которых, по меньшей мере, частично содержится в соответствующей камере.
Настоящее изобретение дополнительно предлагает измерительное устройство для текучей среды, содержащей источник света; детектор; электромагнит для формирования переменного во времени магнитного поля; электронные схемы управления для обработки выходного сигнала детектора и формирования измерительный сигнал в соответствии с физическим свойством текучей среды; и картридж вводится в измерительное устройство с возможностью извлечения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид сверху картриджа.
Фиг. 2 - сечение (по линии A-A' на фиг. 1) картриджа.
Фиг. 3 - схематическое сечение картриджа, связанного с источником света (LD), и фотоприемника (PD).
Фиг. 4 - блоки PD и LD помещены в картридж и непосредственно связаны с оптическим волноводом и светоприемным блоком.
Фиг. 5 - конструктивная схема, в которой только PD встроен внутрь картриджа.
Фиг. 6 - конструктивная схема, в которой только LD встроен внутрь картриджа.
Фиг. 7 - схема фототермического приведения в движение.
Фиг. 8 - схематическое изображение оптической оси приемника света с вертикальным смещением.
Фиг. 9 - график, показывающий зависимость между вертикальным смещением и оптической мощностью, вводимой из оптического волновода в светоприемный блок.
Фиг. 10 - конструктивная схема, в которой волокно, сколотое под специальным углом, заменяет оптический волновод.
Фиг. 11 - схематическое сечение измерительного устройства, которое использует только одно многомодовое волокно, сколотое под специальным углом, связанное с наклонным отражателем в камере.
Фиг. 12 - возможный вариант замены LD и PD, которые показаны на фигуре 3, с использованием лазерного диода со встроенным фотоприемником на задней грани.
Фиг. 13 - схематическое изображение светоприемного блока, который состоит из оптической маски и фотоприемника.
Фиг. 14 - поворот света, выходящего из подвижной секции оптического волновода, на 90 градусов.
Фиг. 15 - применение волокна, сколотого под углом, для поворота света, исходящего из подвижной секции оптического волновода.
Фиг. 16 - оптическая маска, примененная в данном устройстве.
Фиг. 17 - применение линз для ввода и вывода в/из картридж(а).
Фиг. 18 - схематическое сечение измерительного устройства, которое исключает оболочечные моды с помощью адиабатически утоньшенного профиля оболочки на входном и выходном отверстиях картриджа.
Фиг. 19 - схематическое сечение измерительного устройства на основе волоконной брэгговской решетки (FBG), включающего в себя только один оптический волновод.
Фиг. 20 - применение лазерного диода, состыкованного торцом с фотоприемником на задней грани, в качестве источника света.
Фиг. 21 - схематическое изображение гидрофобного поверхностного покрытия, которое может предотвратить просачивание текучей среды между приемником света и оптическим волноводом.
Фиг. 22 - схематическое изображение гидрофобного покрытия, которое применено в области задержки текучей среды.
Фиг. 23 - схематическое изображение широкой секции камеры.
Фиг. 24 - сечение по линии A-A' на фиг. 23.
Фиг. 25-26 - изображение юстировочный блок данного устройства.
Фиг. 27 - схема системы в целом.
Фиг. 28-29 - общий вид картриджа.
Фиг. 30 - увеличенный вид участка, обведенного пунктирным кружком A на фиг. 29.
Фиг. 31-32 - общий вид другого картриджа во втором варианте осуществления.
Фиг. 33 - увеличенный вид участка, обведенного пунктирным кружком B на фиг. 31.
Фиг. 34 - увеличенный вид участка, обведенного пунктирным кружком C на фиг. 32.
Фиг. 35 - схематическое изображение другого картриджа в соответствии с третьим вариантом осуществления.
Фиг. 36 - изображение разных слоев предпочтительного варианта осуществления картриджа.
Фиг. 37 - увеличенный вид камеры, показанной на фиг. 36.
Подробное описание настоящего изобретения
Фиг. 1 представляет вид сверху картриджа 100, и фиг. 2 представляет сечение картриджа 100. Картридж 100 содержит, по меньшей мере, один оптический волновод 101, при этом осевая линия оптического волновода 101 определяется как оптическая ось оптического волновода 201, и, по меньшей мере, один оптический канал 102, при этом оптический волновод 101 располагается внутри оптического канала 102. В предпочтительном варианте осуществления оптический канал 102 является V-образной канавкой (форма оптического канала 102 подобна букве «V»), и оптический волновод 101 является оптическим волокном или волноводом. Однако, форма оптического канала 102 может быть любой формой, при наличии которой оптический волновод 101 может располагаться в оптическом канале 102. Кроме того, картридж 100 содержит, по меньшей мере, один флюидный канал 103. Флюидный канал 103 обеспечивает путь потока для текучей среды, помещенной во флюидный канал 103. Флюидный канал 103 и оптический волновод 101 пересекаются друг с другом. На пересечении оптического волновода 101 и флюидного канала 103 существует камера 104. Измерение вязкости проводят в камере 104. Оптический волновод 101 имеет две секции: неподвижную секцию 105 и подвижная секция 106. Подвижная секция 106 может совершать колебания под действием привода (не показанного на чертеже), который расположен снаружи картриджа 100. Данный привод может быть электромагнитом, который способен формировать переменное по времени магнитное поле. Подвижная секция 106 оптического волновода 101 покрыта магнитной тонкой пленкой 200. Переменное во времени магнитное поле может формироваться подачей переменного по времени электрического тока в электромагнит. Магнитное поле, формируемое электромагнитом взаимодействует с магнитной тонкой пленкой 200, нанесенной на подвижную секцию 106, которая вынуждает подвижную секцию 106 перемещаться. Направление движения можно изменять для разных конструкций посредством размещения электромагнита в разных местах относительно подвижной секции 106. Другим способом приведения в движение может быть фототермическое приведение в движение, которое использует модулированное световое поле, сфокусированное на поглотителе 238 света на подвижной секции 106, для обеспечения колебаний. Фототермический способ приведения в движение поясняется на фигуре 7. Кроме того, пьезоэлектрический или другие механические приводы могут также возбуждать различные режимы колебаний подвижной секции 106. Электростатическое приведение в движение требует пассивирующих слоев и небольших зазоров и требует электрических соединений с картриджем 100. Оптический волновод 101 связан с приемником 107 света. Приемник 107 света собирает свет из оптического волновода 101. Разные альтернативные варианты приемника 107 света описаны в последующих разделах. В одном варианте осуществления, подобном биологическому измерению, картридж 100 наполняют биологическими жидкостями, например, плазмой, цельной кровью, слюной или любой другой текучей средой, которую следует измерить. Биологическая жидкость поступает в камеру 104 через впускное отверстие 108 для текучей среды. Текучая среда заполняет картридж с использованием капиллярной силы или может нагнетаться в картридж 100 с помощью шприца или аналогичного механизма. Избыточный воздух или другие текучие среды, уже наполняющие флюидный канал, выходят из камеры 104 через выпускное отверстие 109 для текучей среды.
Фиг. 3 представляет источник 204 света, который связан с оптическим волноводом 101. Аналогично, фотоприемник 203 связан с приемником 107 света. Источник 204 света и фотоприемник 203 могут быть встроены в картридж 100. В предпочтительном варианте осуществления, источник 204 света и фотоприемник 203 расположены снаружи картриджа 100.
В другом варианте осуществления (фиг. 4) как источник 204 света, так и фотоприемник 203 собраны в картридже 100 и являются частью картриджа 100. Источник 204 света и фотоприемник 203 связаны с оптическим волноводом 101 и приемником 107 света, соответственно. В еще одном варианте осуществления (фиг. 5), фотоприемник 203 встроен в картридж 100, а источник 204 света расположен снаружи картриджа 100. В еще одном варианте осуществления (фиг. 6), источник 204 света встроен в картридж 100, а фотоприемник 203 расположен снаружи картриджа 100. Оптическая юстировка оптического волновода 101 и приемника 107 света проще, когда либо фотоприемник 203, либо источник 204 света встроен в картридж 100. Аналогично, оптическая юстировка оптического волновода 101 и приемника 107 света проще, когда как фотоприемник 203, так и оптический волновод 204 встроены в картридж 100.
Фиг. 7 показывает принцип фототермического приведения в движение, когда поглотитель 238 света освещается световым пучком, который формируется модулированным источником 239 света. Модулированный источник 239 света может быть лазерным источником света или может быть СД (светодиодом) для генерации либо видимого, либо инфракрасного (невидимого) света. Свет генерируемый модулированным источником 239 света модулируется, и поглощаемый свет выделяет достаточно тепла и вызывает изгиб подвижной секции 106. Тепло, в основном, рассеивается по оптическому волноводу 101. Частота модуляции модулированного источника 239 света равна требуемой частоте колебаний оптического волновода 101. Оптический волновод 101 нуждается в наличии небольшой теплоемкости, чтобы быстро механически реагировать на тепло. Между модулированным источником 239 света и поглотителем 238 света расположена линза 220. Линза 220 служит для фокусировки света.
Как показано на фиг. 8, оптическая ось приемника 202 света располагается с вертикальным смещением 208. Оптическая ось приемника 202 света параллельна оптической оси оптического волновода 201. Вертикальное смещение 208 имеет направление, параллельное оси колебаний подвижной секции 106. Постоянная (DC) и переменная по времени (AC) составляющие сигнала фотоприемника зависят от вертикального смещения 208. Фигура 9 показывает оптическую мощностью, вводимую из оптического волновода 101 в приемник 107 света в зависимости от вертикального смещения 208. Для получения максимального сигнала переменного тока (AC-сигнала) (т.е. максимальной чувствительности), измерительное устройство следует применять в области максимального наклона, который обеспечивает линейную характеристику величины отклонения (порядка 100 нм) оптического волновода 101. Для повышения отношения AC (переменного тока) к DC (постоянному току) в сигнале, вертикальное смещение 208 можно дополнительно повысить путем снижения амплитуды AC-сигнала. Это помогает лучше использовать динамический диапазон сигнала. В одном варианте осуществления амплитуда AC-сигнала может быть улучшена также путем использования входного волокна 210 вместо оптического волновода 101 и использования выходного волокна 211 вместо приемника 107 света с торцевыми гранями, включающими в себя волокно 222, сколотое под специальным углом (как показано на фиг. 10). С учетом показателей преломления (определяют отклонение света на поверхностях раздела волокон) и расстояния между входным волокном 210 и выходным волокном 211, можно регулировать углы скола, чтобы эффективно наклонять оптическую ось входного волокна 210 и выходного волокна 211. Тем самым вводится угловое смещение. Данное угловое смещение, показанное на фиг. 10 и вызываемое волокном 222, сколотым под углом, дает такой же эффект, как вертикальное смещение 208, показанное на фиг. 8.
В другом варианте осуществления фигура 11 представляет схематическое сечение измерительного устройства, которое использует только один оптический волновод 101, связанный с наклонным отражателем 246. При этом оптический волновод 101 выполнен из многомодового волокна 245. Свет вводится в многомодовое в многомодовое волокно 245 из источника 204 света. Свет распространяется в многомодовом волокне 245, и свет отражается от наклонного отражателя 246. После отражения от наклонного отражателя 246, свет вводится обратно в многомодовое волокно 245 и распространяется в многомодовом волокне 245, пока не доходит до делителя 243 пучка. Свет достигает фотоприемника 203 после отражения делителем 243 пучка. Многомодовое волокно 245 вынуждают совершать колебания с использованием одного из методов, упомянутых ранее в настоящей заявке. Например, многомодовое волокно 245 может быть покрыто магнитным материалом, и вокруг многомодового волокна 245 формируют магнитное поле с использованием электромагнита, который располагают вблизи многомодового волокна 245, и посредством подачи тока в электромагнит. Хотя данная схема построения позволяет многомодовому волокну 245 перемещаться, возможны разные механизмы возбуждения колебаний многомодового волокна 245. Посредство возбуждения колебаний многомодового волокна 245 на некоторой частоте можно получить измерительный сигнал, соответствующий физическому свойству жидкости. Чувствительность системы можно максимизировать посредством оптимизации скола многомодового волокна 245 и посредством регулировки угла делителя 243 пучка и регулировки угла наклонного отражателя 246. Фиг. 12 представляет другой вариант осуществления изобретения, в котором используется лазерный диод со встроенным фотоприемником 244 на задней грани. Лазерный диод с фотоприемником 244 на задней грани выполняет функции фотоприемника 203 и источника 204 света.
В другом варианте осуществления, фиг. 13 представлен приемник 107 света, который включает в себя оптическую маску 213 и фотоприемник 203. В данном варианте существует вертикальное смещение 208 маски 213 относительно оптической оси оптического волновода 201. Смещение 208 обеспечивает механизм для модуляции введенного света. Картридж 100 изготовлен из прозрачного материала. Приемник 107 света располагается сверху картриджа 100. Оптическая маска 213 расположена между фотоприемником 203 и картриджем 100. Фиг. 14 показывает, что свет, исходящий из подвижной секции, 106 отражается наклонным отражателем 246 и, в результате, поворачивается на 90 градусов. Затем свет распространяется к фотоприемнику 203.
Фиг. 15 представляет другой вариант осуществления, в котором свет, исходящий из подвижной секции 106 отражается и поворачивается с помощью волокна 222, сколотого под углом. Это обеспечивается полным внутренним отражением от наконечника подвижной секции 106.
Фиг. 16 представляет другой вариант осуществления, в котором на картридже размещены две оптических маски 213, при этом оптическая маска 213 располагается на входе оптического волновода 214, и другая оптическая маска 213 располагается на выходе из приемника 215 света. Данное исполнение предназначено для предотвращения ослабления сигнала, вызываемого оболочечной модой. Вход в оптический волновод 214 включает в себя два слоя, имеющих разные показатели преломления. Свет направляется во внутреннюю секцию (с высоким показателем преломления) оптического волновода с помощью полного внутреннего отражения. Без оптической маски 213, свет вводится как в сердцевину (внутреннюю часть) 216 входного волокна и оболочку (внешнюю часть) 217 входного волокна входа в оптический волновод 214. Свет из оптического волновода 101 будет вводиться в сердцевину 218 выходного волокна и оболочку 219 выходного волокна приемника 107 света. Что касается подвижной секции 106, свет, вводимый в сердцевину приемной стороны, модулируется. Кроме того, свет, вводимый в оболочку приемной стороны также модулируется, но со сдвигом по фазе на π (в противофазе), когда существует смещение между выходом из оптического волновода 214 и входом в приемник 215 света. Такая же ситуация складывается для света, вводимого из оболочки подвижной секции 106 в сердцевину/оболочку приемной стороны. Поскольку фотоприемник 203 собирает весь свет из приемника 107 света, то суммарный модулированный сигнал ослабляется. При использовании оптической маски 213, обе оболочечные моды оптического волновода и приемника блокируются так, что фотоприемник 103 измеряет только модулируемый свет, исходящий из сердцевины и вводимый в сердцевину. Оптическая маска 213 блокирует также попадание рассеянного света от источника 204 света на фотоприемник 203 через прозрачный материал картриджа.
Фиг. 17 представляет вариант осуществления, в котором свет от источника 204 света в картридж 100 и свет из картриджа 100 в фотоприемник 203 вводится через линзу 220, которая расположена на входе оптического волновода 214 и/или выходе приемника 215 света. Линза 220 на входе оптического волновода 214 будет увеличивать количество света, вводимого из источника 204 света на вход оптического волновода 214, и, при правильной фокусировке, большая часть света может заключаться в сердцевине входа оптического волновода 214. Одна из линз 220 на выходе из приемника 215 света может фокусировать свет на небольшой площади, что позволяет использовать очень малую площадь фотоприемника 203.
Как упоминалось выше, оболочечные моды, присутствующие как в оптическом волноводе 101, так и в приемнике 107 света, снижают амплитуду переменного по времени сигнала и, в результате, снижают отношение сигнала к шуму паузы. Фигура 18 представляет другой вариант осуществления, в котором адиабатически утоньшенный профиль оболочки на входном и выходном отверстиях картриджа ослабляет оболочечную моду. В данном случае, адиабатический профиль, который можно получить контролируемым вытягиванием волокна из травителя, важен для того, чтобы не возбуждать оболочечные моды из сердцевины волокна.
В другом варианте осуществления на фигуре 19 показано сечение измерительного устройства на основе волоконной брэгговской решетки (FBG) 241, включающего в себя только один оптический волновод, который является, по существу, одномодовым волокном 242 со встроенной структурой волоконной брэгговской решетки. В данном устройстве источник 204 света связан с одномодовым волокном 242 при посредстве делителя 243 пучка, который обеспечивает ввод и вывод света через одну и ту же грань 221 волокна. Волоконная брэгговская решетка 241 в одномодовом волокне 242, которая выполнена так, что характеризуется некоторым отражением на длине волны возбуждения для фиксированного состояния волокна, отражает свет обратно в фотоприемник 203. Если волоконная брэгговская решетка 241 располагается в положениях 1 (области максимального напряжения) или положении 2 (области максимального изгиба), как показано на фиг. 19, то интенсивность отраженного света может модулироваться перемещением одномодового волокна 242. Поэтому, измерительный сигнал, зависящий от физического свойства среды, можно получать при возбуждении колебаний одномодового волокна 242 с некоторой частотой. Данная система имеет два заметных преимущества. Одно преимущество состоит в том, что отношение AC/DC составляющих сигнала можно повысить выбором низкого значения отражения для неподвижного состояния волокна. Другое преимущество состоит в том, что снижается сложность изготовления картриджа, поскольку не требуется области 223 задержки текучей среды (как на фиг. 22).
В другом варианте осуществления на фиг. 20 показана схема для снижения сложности схемы ввода и вывода излучения, характерной для одномодового волокна 242. В качестве источника света можно применить лазерный диод, состыкованный торцом с фотоприемником 244 на задней грани. Интенсивность обратного отражения можно получать из лазерного диода с фотоприемником 244 на задней грани.
Фиг. 21 представляет картридж 100, в котором между секцией 205 оптического волновода с гидрофобным покрытием и светоприемной секцией 206 с гидрофобным покрытием расположен зазор 207. Если текучая среда заполняет зазор 207, то частицы в текучей среде, например, эритроциты в цельной крови, вызывают рассеяние и поглощение света в зазоре 207. Рассеяние и поглощение вносит шум в сигнал фотоприемника. В предпочтительном варианте осуществления (фигура 17), на наконечник светоприемной секции 206 с гидрофобным покрытием и на наконечник секции 205 оптического волновода с гидрофобным покрытием нанесено гидрофобное поверхностное покрытие для предотвращения просачивания крови (текучей среды) между приемником 107 света и оптическим волноводом 101.
Присутствие текучей среды в зазоре 207 одновременно приводит к рассеянию и поглощению и усиливает шум. На фиг. 22, область 223 задержки текучей среды, которая охватывает зазор 207, покрыта гидрофобным покрытием 224, и все остальные флюидные каналы 103 и камера 104 покрыты гидрофильным покрытием 225. Гидрофильное покрытие 224 способствует растеканию текучей среды, а гидрофобное покрытие 224 будет обычно предотвращать растекание текучей среды. Текучая среда будет оставаться в части с гидрофильным покрытием, так что внутри области 223 задержки текучей среды не будет находиться никакой текучей среды.
Как показано на фиг. 23-24, широкая секция камеры 226b выполнена намного большей, так что текучая среда не будет растекаться в широкую секцию камеры 226b вследствие увеличенной капиллярной силы в меньшей секции (с уменьшенными зазорами между частями) узкой секции камеры 226.
Юстировочные блоки 227 (показанные на фиг. 25) требуются для юстировки разных слоев картриджа 100, чтобы гарантировать надлежащее функционирование флюидного канала 103, оптического канала 102 и камеры 104. Фиг. 26 представляет сечение юстировочных блоков 227 по линии A-A' на фиг. 25, которое состоит из двух V-образных канавок 228 на слоях, подлежащих выравниванию с использованием одной цилиндрической части 229. Цилиндрическая часть 229 является оптическим волокном в предпочтительном варианте осуществления. Чтобы обеспечить юстировку по двум осям требуется наличие, по меньшей мере, двух юстировочных блоков 227, имеющих взаимно перпендикулярную ориентацию. Расположение цилиндрической части 229 относительно V-образных канавок 228 можно видеть на фигуре 26.
Фиг. 27 схематически представляет систему в целом. Картридж 100 показан в сечении. Оптический волновод 101 приводится в движение внешним магнитным полем, создаваемым электромагнитом 230. Источник 204 света и фотоприемник 203 связаны с оптическим волноводом 101 и приемником 107 света, соответственно, через оптическую маску 213. Пользователь может взаимодействовать с данным устройством с помощью пользовательского интерфейса 231. Блок 232 обработки посылает сигналы в устройство 233 возбуждения электромагнита, контроллер 234 источника света, устройство 235 считывания фотоприемника и синхронный усилитель 236. Устройство 233 возбуждения электромагнита возбуждает электромагнит 230 требуемым током и с требуемой частотой. Контроллер 234 источника света управляет источником 204 света, и устройство 235 считывания фотоприемника преобразует ток, поступающий из фотоприемника 203, в соответствующее напряжение. Синхронный усилитель 236 синхронизирует сигнал из устройства 235 считывания фотоприемника с сигналом из устройства 233 возбуждения электромагнита и отслеживает разность фаз между ними. Источник 237 питания подает электропитание в систему. Контроллер 249 температуры управляет нагревателем 248, чтобы обеспечивать стабильную температуру для измерений вязкости. Управление температурой для измерений вязкости важно потому, что вязкость сильно зависит от температуры.
Фиг. 28-29 представляет другой вариант осуществления изобретения, т.е. картриджа 100, в котором две пластины 10 собраны слоями для формирования основного корпуса картриджа 100. Основной корпус содержит одно впускное отверстие 11 и пять выпускных отверстий 12. Внутри основного корпуса, картридж 100 дополнительно содержит множество оптических каналов 102 и множество флюидных каналов 103. В данном варианте осуществления существуют пять оптических каналов 102, которые расположены в направлении ширины пластины 10. Оптические каналы 102 включают в себя соответствующий оптический волновод 101. Каждый оптический волновод 101 изготовлен из материала, который является подходящим для распространения оптического сигнала от его входа до его выхода. Примером оптического волновода является оптико-волоконная линия. Оптический волновод 101 может быть неподвижным. В качестве альтернативы, оптический волновод 101 способен перемещаться внутри оптических каналов 102. На поверхности одной из пластин 10 расположено пять флюидных каналов 103, каждый из которых обеспечивает сообщение между впускным отверстием 11 и выпускным отверстием 12. На удалении от впускного отверстия 11, каждый из флюидных каналов 103 пересекается с соответствующим оптическим каналом 102. Оптический канал 102 частично совпадает с флюидными каналами 103, чтобы формировать реакционное пространство 13. Реакционное пространство 13 может включать в себя оптический волновод 101. Оптический волновод 101 может быть полностью или частично заключен в реакционном пространстве 13. Форма оптических каналов 102 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания оптического волновода 101 в оптических каналах 102. Флюидные каналы 103 могут иметь любую форму для содержания текучей среды, которая располагается в них. Форма флюидных каналов 103 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания текучей среды, располагающейся в них.
Картридж 100 дополнительно содержит юстировочный блок 227. Юстировочный блок 227 содержит два краевых рельефных элемента 161 для вставки и ориентирования картриджа, которые соответственно расположены на двух противоположных сторонах картриджа 100 и выполнены дугообразной или ступенчатой формы.
Фиг. 30 представляет увеличенный вид участка, обведенного пунктирным кружком A на фиг. 29, на котором показано, что расстояние между соседними оптическими волноводами 101 приблизительно равно 20 микрометрам. Каждый из оптических волноводов 101 содержит неподвижную секцию 105 оптического волновода 101 и подвижную секцию 106 оптического волновода 101. Неподвижная секция 105 оптического волновода 101 и подвижная секция 106 оптического волновода 101 разделены зазором 207, и все они содержатся в оптическом волноводе 101. Зазор 207 меньше, чем 10 микрометров. Оптический волновод 101 выбран из материалов оптического волокна, волновода или световода и покрыт магнитным материалом для магнитного приведения в движение. Когда оптический волновод 101 изготовлен из материалов типа оптического волокна и световода, его покрытие может быть никелевым, и толщина покрытия может быть, приблизительно, до 5 микрометров и, предпочтительно, от 1 микрометра до приблизительно 2 микрометров. Оптический волновод 101 может быть неподвижным или механически перемещаемым компонентом.
В альтернативных вариантах осуществления оптические каналы 102 и флюидные каналы 103 могут не пересекаться. Вместо этого можно использовать другое средство для переноса текучей среды из флюидных каналов 103 в оптические каналы 102. Данное средство включает в себя очень небольшие каналы, сформированные между флюидными каналами 103 и оптическими каналами 102. Основной целью является перенос текучей среды от впускного отверстия 11 в оптические каналы 102, чтобы оптический волновод 101 внутри оптических каналов 102 мог быть в контакте с текучей средой, подаваемой во впускное отверстие 11. В другом варианте осуществления может и не быть реакционного пространства 13. Форма оптического канала 102 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания оптического волновода 101 в оптических каналах 102. Флюидные каналы 103 могут иметь любую форму для содержания текучей среды, которая располагается в них. Форма флюидных каналов 103 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания текучей среды, располагающейся в них.
Фиг. 31-34 представляют другой картридж 100 по другому варианту осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления картридж 100 имеет одно впускное отверстие 11 и пять выпускных отверстий 12. В данном случае существует пять реакционных пространств 13, каждое из которых сформировано в положении совпадения флюидного канала 103 и оптического канала 102. Реакционное пространство 13 является прямоугольным, имеет глубину не более, чем приблизительно 25 микрометров и смешение на половину диаметра оптического волновода 101. Реакционное пространство 13 имеет глубину и площадь больше по сравнению с основным корпусом флюидного канала 103. Фиг. 34 является увеличенным видом участка, обведенного пунктирным кружком C на фиг. 32, который ясно показывает две части оптического волновода 101, а именно, неподвижную секцию 105 оптического волновода 101 и подвижную секцию 106 оптического волновода 101. Наконечник подвижной секции 106 оптического волновода 101 имеет гидрофобное покрытие. Описания фиг. 31-34 пригодны также для картриджей по другим вариантам осуществления.
Основное различие между данным вариантом осуществления и другими вариантами осуществления состоит в том, что флюидные каналы 103 и оптические каналы 102 сформированы на противоположных поверхностях двух пластин. Оптические каналы 102 являются V-образными в сечении в первом варианте осуществления, и оптические каналы 102 во втором варианте осуществления могут быть квадратными или ромбическими в сечении. Следовательно, оптический волновод 101 может двигаться более свободно и совершать более глубокие колебания в оптических каналах 102, когда площадь поперечного сечения увеличивают.
Фиг. 35 схематически изображает другой картридж по третьему варианту осуществления. Основные различия между вариантами осуществления состоят в том, что: картридж содержит пять впускных отверстий 11; основной корпус картриджа сформирован тремя платинами 10; юстировочный блок 227 картриджа дополнительно содержит множество канавок 14. Оптические каналы 102 и канавки 14 сформированы на одной и той же пластине 10. Канавки 14 расположены в направлении длины пластины 10, которое перпендикулярно оптическим каналам 102. С использованием канавок 14, поперечная юстировка пластин 10 может упрощаться.
Фиг. 36 и 37 схематически изображают другой картридж по другому варианту осуществления настоящего изобретения. Основные различия между данным вариантом осуществления и другими вариантами осуществления состоят в том, что: картридж дополнительно содержит, по меньшей мере, одну область 223 задержки текучей среды для предотвращения заполнения зазора 207 текучей средой; картридж содержит два набора юстировочных блоков 227, сформированных на двух или трех пластин 10.
Фиг. 36 представляет предпочтительный вариант осуществления изобретения, три пластины 10 собраны слоями для формирования основного корпуса картриджа 100. Основной корпус содержит несколько впускных отверстий 108 для текучей среды и несколько выпускных отверстий 109 для текучей среды. Внутри основного корпуса, картридж 100 дополнительно содержит множество оптических каналов 102 и множество флюидных каналов 103. В данном варианте осуществления имеется пять оптических каналов 102, которые расположены в направлении ширины пластины 10. Оптические каналы 102 включают в себя соответствующие оптические волноводы 101. Каждый оптический волновод 101 изготовлен из материала, который является подходящим для распространения оптического сигнала от его входа до его выхода. Примером оптического волновода является оптико-волоконная линия. На поверхности одной из пластин 10 расположено пять флюидных каналов 103, каждый из которых обеспечивает сообщение между впускным отверстием 108 для текучей среды и выпускным отверстием 109 для текучей среды. На удалении от впускного отверстия 108, каждый из флюидных каналов 103 пересекается с соответствующим оптическим каналом 102. Оптический канал 102 частично совпадает с флюидными каналами 103 для формирования камеры 104. Оптический волновод 101 может быть полностью или частично заключен в камере 104. Форма оптических каналов 102 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания оптического волновода 101 в оптических каналах 102. Форма флюидных каналов 103 может быть V-образной формой, круглой формой, треугольной формой или любой другой формой, которая подходит для содержания текучей среды, располагающейся в них. Картридж 100 дополнительно содержит, по меньшей мере, одну область 223 задержки текучей среды для предотвращения заполнения зазора 207 текучей средой; картридж 100 содержит два набора юстировочных блоков, сформированных на двух или трех пластинах 10.
Фиг. 37 является увеличенным видом участка, обведенного пунктирным кружком D на фиг. 36. Область 223 задержки текучей среды размещается в боковой секции реакционного пространства 13, а котором находится зазор 207. Область 223 задержки текучей среды имеет более глубокую канавку и большую площадь по сравнению с реакционным пространством 13. Поскольку капиллярная сила значительно больше в секциях, в которых пространства между поверхностями меньше; то область 223 задержки текучей среды выполнена достаточно большой, так что текучая среда не будет растекаться в область 223 задержки текучей среды. Важно, чтобы текучая среда не попадала в зазор 207 потому, что, если в зазоре 207 имеется текучая среда, то текучая среда будет ухудшать качество сигнала, проходящего через зазор 207, и поэтому отношение сигнала к шуму будет снижаться. В частности, если текучая среда является кровью, то, в отсутствие области 223 задержки текучей среды, кровь может занимать пространство около зазора 207, и, в результате, отношение сигнала к шуму будет снижаться. В данном варианте осуществления, каждый из оптических волноводов 101 содержит неподвижную секцию 105 оптического волновода 101 и подвижную секцию 106 оптического волновода 101. Неподвижная секция 105 оптического волновода 101 и подвижная секция 106 оптического волновода 101 разделены зазором 207, и все они содержатся в оптическом волноводе 101. Зазор 207 меньше, чем приблизительно 10 микрометров (мкм). Оптический волновод 101 выбран из материалов оптического волокна, волновода или световода и покрыт магнитным материалом для магнитного приведения в движение. Когда оптический волновод 101 изготовлен из материалов типа оптического волокна и световода, его покрытие может быть никелевым или из любого другого подходящего материала, и толщина покрытия может быть, приблизительно, до 5 микрометров и, предпочтительно, от 1 микрометра до приблизительно 2 микрометров.
Текучая среда по настоящему изобретению может содержать плазму крови, разбавленную кровь, цельную кровь, кровь из пальца или венозной кровью.
Хотя вышеприведенное описание изобретения позволяет специалисту со средним уровнем компетентности в данной области техники выполнить и применить то, что в настоящее время считается наилучшим вариантом осуществления изобретения, специалистам со средним уровнем компетентности будет очевидно существование изменений, комбинаций и эквивалентов конкретного варианта осуществления, способа и примеров, приведенных в настоящей заявке. Поэтому изобретение должно ограничиваться не вышеописанным вариантом осуществления, способом и примерами, а всеми вариантами осуществления и способами, находящимися в пределах объема и существа изобретения.
В общих чертах, настоящее изобретение предлагает картридж (100), содержащий: по меньшей мере, один флюидный канал (103), по меньшей мере, один оптический канал (102), по меньшей мере, одну камеру (104), расположенную на пересечении флюидного канала (103) и оптического канала (102), по меньшей мере, один оптический волновод (101), расположенный в оптическом канале (102); при этом оптический волновод (101), по меньшей мере, частично содержится в соответствующей камере (104), причем оптический волновод (101) имеет подвижную секцию (106), и причем колебания подвижной секции (106) являются возбуждаемыми снаружи.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) содержит, по меньшей мере, один приемник (107) света, который принимает свет из оптического волновода (101);
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения колебания подвижной секции (106) являются возбуждаемыми с помощью задающего колебания средства.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) содержит множество флюидных каналов (103), множество оптических каналов (102), множество камер (104); при этом любой из флюидных каналов (103) множества флюидных каналов (103) пересекается с любым из оптических каналов (102) множества оптических каналов (102); и причем камера (104) из множества камер (104) расположена на каждом пересечении любого из флюидных каналов (103) множества флюидных каналов (103) и любого из оптических каналов (102) множества оптических каналов (102).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения секция оптического волновода (101) покрыта материалом для облегчения приведения в движение.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения материал для облегчения приведения в движение является магнитным материалом.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутое задающее колебания средство является электромагнитом (230), создающим усилие для приведения в движение подвижной секции оптического волновода (106).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения подвижная секция (106) содержит поглотитель света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения задающее колебания средство является источником (239) света с модуляцией интенсивности, освещающим поглотитель света, для облегчения приведения в движение, и приводит в движение подвижную секцию оптического волновода (106).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения приемник (107) света, принимающий свет из оптического волновода (101), расположен на расстоянии от оптического волновода в бесконтактной конфигурации; при этом между приемником (107) света и оптическим волноводом (101) существует зазор (207); и причем один конец приемника (107) света и один конец оптического волновода (101) расположены, по существу, близко один к другому.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптическая ось приемника (107) света имеет поперечное смещение относительно оптической оси оптического волновода (101), так что оптическая ось (202) приемника (107) света располагается с вертикальным смещением (208).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения приемник (107) света является оптическим волокном.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения приемник (107) света содержит оптический коллектор, который выбран из группы, состоящей из волновода, оптического волокна или световода.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения приемник (107) света содержит оптическую маску (213).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения приемник (107) света содержит наклонный отражатель (246), который изменяет направление распространения света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) выбран из группы, состоящей из оптического волокна, волновода и световода.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения один конец оптического волновода (101) имеет гидрофобное покрытие.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения один конец приемника (107) света имеет гидрофобное покрытие.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения наконечник оптического волновода (101) сколот под углом для посылки света в направлении оптической маски (213).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) является также приемником (107) света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) включает в себя брэгговскую решетку.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения камера (104) состоит из области (223) задержки текучей среды с конструктивными размерами, отличающимися от камеры, чтобы не допускать попадания текучей среды между оптическим волноводом (101) и приемником (107) света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения камера (104) состоит из области (223) задержки текучей среды с отличающимся поверхностным покрытием, чтобы не допускать попадания текучей среды между оптическим волноводом (101) и приемником (107) света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) дополнительно содержит источник (204) света, связанный с оптическим волноводом (101).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) дополнительно содержит фотоприемник (203), связанный с приемником (107) света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) дополнительно содержит источник (204) света, связанный с оптическим волноводом (101), а также содержит фотоприемник (203), связанный с приемником (107) света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения первый конец оптического волновода (101) связан с делителем (243) пучка.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения фотоприемник (203) и источник света связаны с делителем (243) пучка.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения наклонный отражатель (246) связан со вторым концом оптического волновода (101) для обеспечения обратного отражения к первому концу оптического волновода (101).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) является многомодовым волокном.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения колебания подвижной секции (106) являются возбуждаемыми снаружи.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения колебания подвижной секции (106) являются возбуждаемыми с помощью задающего колебания средства.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения секция оптического волновода (101) покрыта материалом для облегчения приведения в движение в форме магнитного материала.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения задающее колебания средство является электромагнитом (230), связанным с картриджем (100), чтобы создавать усилие для приведения в движение оптического волновода (101).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения подвижная секция (106) содержит поглотитель света.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения задающее колебания средство является модулированным источником (239) света, освещающим материал для облегчения приведения в движение в форме упомянутого поглотителя света, и приводит в движение подвижную секцию оптического волновода (101).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) выбран из группы, состоящей из оптического волокна, волновода и световода.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения один конец оптического волновода (101) имеет гидрофобное покрытие.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) включает в себя брэгговскую решетку.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения камера (104) состоит из области (223) задержки текучей среды с конструктивными размерами, отличающимися от камеры, чтобы не допускать попадания текучей среды между оптическим волноводом (101) и наклонным отражателем (246).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения камера (104) состоит из области (223) задержки текучей среды с отличающимся поверхностным покрытием, чтобы не допускать попадания текучей среды между оптическим волноводом (101) и наклонным отражателем (246).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический волновод (101) является сужающимся оптическим волокном.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения оптический канал (102) является V-образным в сечении.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, две пластины (10) соединяются для формирования картриджа (100), и флюидный канал (103) сформирован на одной из пластин (10) или на двух противоположных пластинах (10).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, когда флюидный канал (103) сформирован на одной из пластин, флюидный канал (103) является треугольным в сечении; и когда флюидный канал (103) сформирован на двух противоположных пластинах, флюидный канал (103) является квадратным или ромбическим в сечении.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения картридж (100) дополнительно содержит источник (204) света, связанный с оптическим волноводом (101).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения источник 204 света и фотоприемник (203) расположены снаружи картриджа (100).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается измерительное устройство для текучей среда, содержащее: источник (204) света, фотоприемник (203), электромагнит (230) для формирования переменного по времени магнитного поля, процессорный блок (232) для обработки выходного сигнала фотоприемника (203) и создания измерительного сигнала в соответствии с физическим свойством текучей среды и картридж (100), который съемно соединен с измерительным устройством.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения источник (204) света связан с оптическим волноводом (101) картриджа (100), и фотоприемник (203) связан с приемником (107) света картриджа (100).
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения магнитное поле способно возбуждать колебания подвижной секции (106) оптического волновода (101) картриджа (100).
Список терминов:
пластина 10;
впускное отверстие 11;
выпускное отверстие 12;
реакционное пространство 13;
канавка 14;
краевой рельефный элемент 161;
картридж 100;
оптический волновод 101;
оптический канал 102;
флюидный канал 103;
камера 104;
неподвижная секция 105;
подвижная секция 106;
приемник 107 света;
впускное отверстие 108 для текучей среды;
выпускное отверстие 109 для текучей среды;
магнитная тонкая пленка 200;
оптическая ось оптического волновода 201;
оптическая ось приемника 202 света;
фотоприемник (PD) 203;
источник света (LD) 204;
секция 205 оптического волновода с гидрофобным покрытием;
светоприемная секция 206 с гидрофобным покрытием;
зазор 207;
вертикальное смещение 208;
входное волокно 210;
выходное волокно 211;
оптическая маска 213;
вход оптического волновода 214;
выход приемник 215 света;
сердцевина 216 входного волокна;
оболочка 217 входного волокна;
сердцевина 218 выходного волокна;
оболочка 219 выходного волокна;
линза 220;
грань 221 волокна;
волокно 222, сколотое под углом;
область 223 задержки текучей среды;
гидрофобное покрытие 224;
гидрофильное покрытие 225;
узкая секция камеры 226;
широкая секция камеры 226b;
юстировочный блок 227;
V-образная канавка 228 юстировочного блока;
цилиндрическая часть 229;
электромагнит 230;
пользовательский интерфейс 231;
процессорный блок 232;
устройство 233 возбуждения электромагнита;
контроллер LD 234;
устройство 235 считывания PD;
синхронный усилитель 236;
источник 237 питания;
поглотитель 238 света;
модулированный источник 239 света;
волоконная брэгговская решетка 241;
одномодовое волокно 242;
делитель 243 пучка;
лазерный диод с фотоприемником 244 на задней грани;
многомодовое волокно 245;
наклонный отражатель 246;
оптически прозрачный материал 247;
нагреватель 248; и
контроллер 249 температуры.