ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ
OPTICAL STRAIN GAUGE

Область техники
Изобретение относится к оптическим датчикам, предназначенным для измерения деформации твердых тел и амплитуды движений, и может быть использовано в медицинской и метрологической технике.
Предшествующий уровень техники
Известен оптический датчик деформаций, состоящий из корпуса, оптически связанных источника светового излучения, светопроводящего материала и оптического детектора. Этот датчик содержит средство поляризации света и зеркало, при этом устройство приема и обработки оптического сигнала обеспечивает обработку света, отраженного от зеркала, RU 64772 U1.
Принцип действия основан на том, что датчик на основе поляризатора света отражает световой сигнал, который регистрируется оптическим детектором с последующей оценкой спектральных характеристик принятого сигнала.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность изготовления и высокую стоимость спектрального прибора. К тому же, датчик громоздок и не предполагается его использование в портативных целях, например, для оценки амплитуды движений человека.
Известен также оптический датчик деформации, состоящий из оптически связанных источника импульсного или статического светового излучения широкого или узкого участка спектра, многомодового световода и оптического детектора, RU 2322649 С1.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
Принцип работы датчика основан на зависимости коэффициента пропускания света от изменения кривизны участка многомодового световода, которая обусловлена сжатием световода между двумя поверхностями.
Недостатками прототипа являются следующие обстоятельства:
- наличие дополнительного элемента в виде толкателя, необходимость жесткой фиксации многомодового световода между опорой и толкателем;
- возможность появления остаточных деформаций на многомодовом световоде после снятия нагрузки;
- значительный размер устройства.
Сущность изобретения
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании компактного и простого датчика деформации, позволяющего регистрировать деформацию на протяженном участке и одновременно имеющего улучшенные технические характеристики.
Принцип работы устройства основан на зависимости коэффициента пропускания света от изменения кривизны участка многомодового световода.
Указанный технический результат достигается тем, что в оптическом датчике деформации, состоящем из оптически связанных источника импульсного или статического светового излучения широкого или узкого участка спектра, многомодового световода и оптического детектора, согласно изобретению многомодовый световод изготовлен из эластичного материала, на удлиняющейся поверхности которого расположены повторяющиеся объемные выемки.
Многомодовый световод может быть изготовлен из полимерного материала.
Многомодовый световод может быть окружен эластичной защитной оболочкой.
Повторяющиеся объемные выемки могут быть нанесены на многомодовый световод с различной периодичностью и/или скважностью.
Повторяющиеся объемные выемки на многомодовом световоде могут иметь различную пространственную геометрию.
Многомодовый световод может быть установлен на упругое основание.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о его соответствии критерию «новизна» (N).
Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает важные новые свойства объекта, которые состоят в простоте и компактности устройства, стабильности работы и возможности измерения значительных величин деформации, а также амплитуды движений на протяженном участке.
Таким образом, принципиально увеличиваются возможности датчика по оценке измерения деформаций твердых тел и амплитуды движений.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.
Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень» (IS).
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примеров его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлены:
на фиг.1 - внешний вид оптического датчика деформации;
на фиг.2 - фрагменты продольных сечений многомодового световода;
на фиг.3 - схематичное распространение светового потока по многомодовому световоду, имеющему светопроводящую защитную оболочку, в исходном положении;
на фиг.4 - то же, что и на фиг.3, многомодовый световод в положении изгиба;
на фиг.5 - схематичное распространение луча света по многомодовому световоду, имеющему светоотражающую защитную оболочку, в исходном положении.
на фиг.6 - то же, что и на фиг.5, многомодовый световод в положении изгиба;
на фиг.7 - схематичное распространение луча света по многомодовому световоду, имеющему светопроницаемую защитную оболочку, в исходном положении.
на фиг.8 - возможный вариант распространения светового потока по изогнутому многомодовому световоду.
на фиг.9 - то же, что и на фиг.7, при отличающейся геометрии объемных выемок.
на фиг.10 - многомодовый световод на упругом основании.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Оптический датчик деформации состоит из оптически связанных источника импульсного или статического светового излучения 1 широкого или узкого участка спектра, многомодового световода 2 и оптического детектора 3. В конкретном примере в качестве источника светового излучения использован светодиод. Источник светового излучения может работать в непрерывном или импульсном режиме для уменьшения энергопотребления. Возможно использование и других источников света: лазерных светодиодов, ламп и др. Многомодовый световод 2 выполнен из эластичного полимерного материала, например поликарбоната, возможно его выполнение из полиэтилентерефталата, метилметакрилата, капрона, нейлона, лавсана или силикатного материала и т.п. В качестве оптического детектора 3 использован фотодиод. Возможно использование других фотоэлементов, например фототранзисторов, фоторезисторов.
Многомодовый световод 2 изготовлен из эластичного материала с такими характеристиками, чтобы при деформации в рабочем диапазоне измерений в нем не возникали остаточные деформации.
Многомодовый световод окружен эластичной защитной оболочкой 4, которая необходима для исключения возможного влияния внешнего освещения на оптический детектор 3, а также механических повреждений многомодового световода, помимо этого может выполнять функцию отражения падающего света или поглощения преломляемого света.
На удлиняющейся поверхности многомодового световода по фиг.1-10 нанесены повторяющиеся объемные выемки 5 с различной периодичностью и/или скважностью. Объемные выемки 5 могут иметь различную пространственную геометрию, например форму сечения, и/или глубину, и/или ширину, и/или направление. Изменение перечисленных пространственных характеристик объемных выемок 5 на многомодовом световоде 2 на фиг.2, 8, 9 обеспечивает различную чувствительность детектора при измерении деформаций различной амплитуды.
Многомодовый световод 2 может быть установлен на упругое основание 6 с такими упругопластическими характеристиками, которые позволят эксплуатацию оптического датчика деформации в условиях без возникновения в многомодовом световоде 2 остаточных деформаций (фиг.10).
Устройство работает следующим образом.
Оптический датчик деформации закрепляют на исследуемом объекте, например туловище пациента или в области сустава, так, чтобы многомодовый световод 2 был расположен в зоне деформации (или оценки амплитуды движений). Источник светового излучения 1 формирует световой сигнал, распространяющийся по многомодовому световоду. Работа датчика основана на использовании известных процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами в многомодовом световоде согласно закону Снеллиуса. При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны.
Места нанесения на многомодовый световод 2 объемных выемок 5 являются источником энергетических потерь светового потока (например, появление вытекающих и излучаемых мод). При изгибе многомодового световода объемные выемки, являясь геометрическим препятствием на пути распространения света, изменяют угол падения до величины меньше предельного угла полного внутреннего отражения, при этом происходит уменьшение значений энергетических характеристик отраженной части света, распространяющегося по многомодовому световоду, вследствие преломления (рассеивания) или обратного отражения света. Если эластичная защитная оболочка 4 светопроницаемая, то при угле падения меньше предельного угла, помимо отражения, будет происходить преломление света (рассеивание) на объемных выемках 5 многомодового световода 2 (фиг.3, 4, 7). Если эластичная защитная оболочка 4 непрозрачная, то при угле падения света на объемные выемки меньше предельного угла происходит поглощение и/или отражение света, если оболочка отражающая - только отражение света (фиг.5, 6, 8, 9). На светопроводящие характеристики многомодового световода 2 будут оказывать влияния геометрические параметры объемных выемок, например их периодичность и/или скважность, форма сечения, и/или глубина, и/или ширина. Так, на фиг.5 схематично изображено направление света по многомодовому световоду с защитной светоотражающей оболочкой 4, находящемуся в исходном положении. Объемные выемки 5 не меняют направления светового потока и не изменяют энергетических характеристик светового потока. При изгибе многомодового световода часть светового потока, отражаясь от объемных выемок, меняет свое направление, не доходит до оптического детектора 3, таким образом, уменьшаются значения энергетических характеристик светового потока, регистрируемые оптическим детектором 3 (фиг.6). На фиг.8 и фиг.9 представлены примеры влияния геометрических параметров объемных выемок 6 на пропускную оптическую способность многомодового световода при их одинаковом радиусе деформации.
Оптический датчик деформации был опробован в качестве чувствительного элемента в тренажере-корректоре осанки (RU 2006138904 А), а также оценки амплитуды движений в крупных суставах у 83 пациентов. Датчик портативен, удобен в эксплуатации и обеспечивает стабильную и точную оценку измеряемых показателей (деформация или амплитуда движений).
Промышленная применимость
Для реализации изобретения используются известные материалы, электронные комплектующие и обычное заводское оборудование, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию «промышленная применимость» (IA).