ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Техническое решение относится к области измерения давления в области медицины и может быть использовано, в частности, для предотвращения образования пролежней у пациента, длительно находящегося в инвалидной коляске, больничной кушетке, где применение стандартных электронных средств измерения давления осложнено взаимовлиянием электромагнитных, рентгеновских и прочих излучений в медицинском учреждении как на сложное медицинское оборудование, так и на стандартное электронное средство измерения давления.
Известно изобретение (патент РФ RU 2205374 С2», «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 измерения 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.
Ω1
Ω2
Ω1
Ω2
Ω1
Ω2
Ω1
Ω1
Ω2
Ω2
Ω1
Ω2
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 и второй U пар. Далее с помощью контроллера определения параметра физического поля сравнивают амплитуды огибающих первой U и второй U пар. Если U>U, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U. Если U<U, то дальнейшее определение величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля производят по амплитуде огибающей первой пары U. 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 и U от обобщенной расстройки полосы пропускания оптического датчика, этим устраняется возникающая неоднозначность определения величины частотного смещения полосы пропускания оптического датчика от параметров физического поля
Ω1
Ω2
По полученным значениям и заложенным в контроллере определения параметра физического поля зависимости разности между амплитудами огибающих биений сигналов первой и второй пар U и U, 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 измерения давления, которое не имеет сложной конструкции источника излучения и наличия двух каналов для детектирования измерительного сигнала.
Технический результат предлагаемого волоконно-оптического устройства измерения давления заключается в упрощении предложенного устройства за счет упрощения конструкции источника лазерного излучения по сравнению с конструкцией источника лазерного излучения прототипа.
Технический результат в волоконно-оптическом устройстве измерения давления, содержащем источник лазерного излучения, оптический фильтр, оптический разветвитель, оптический датчик, фотоприемник, контроллер определения параметра физического поля, достигается тем, что в него дополнительно введены циркулятор, N-1 оптических датчиков, где N - натуральный ряд чисел больше или равно 1, N-1 фотоприемников, причем число оптических датчиков равно числу фотоприемников, амплитудный детектор, при этом источник лазерного излучения выполнен широкополосным, оптический фильтр выполнен в виде оптического фильтра с наклонной амплитудно-частотной характеристикой, каждый оптический датчик идентичен друг другу и выполнен на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга с двумя фазовыми π-сдвигами, каждый фотоприемник идентичен друг другу, 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 посредством волоконного световода с входом оптического разветвителя, причем каждый из N выходов оптического разветвителя соединены посредством волоконных световодов соответственно с входами каждого из N оптических датчиков, выходы каждого из N оптических датчиков соединены посредством волоконных световодов соответственно с входами каждого из N фотоприемников, выходы N фотоприемников соединены посредством электрических проводов с соответствующими входами амплитудного детектора, выход которого соединен посредством электрических проводов с входом 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 измерения давления, на фиг. 2 - оптический датчик волоконно-оптического устройства измерения давления, на фиг. 3 - спектры оптического фильтра и оптического датчика, на фиг. 4 представлен алгоритм работы амплитудного детектора, на фиг. 5 представлен алгоритм работы контроллера определения давления.
1
N
1
2
N
1
N
1
2
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Волоконно-оптическое устройство измерения давления (фиг. 1, фиг. 2) содержит источник лазерного излучения 1, циркулятор 2, оптический фильтр 3, оптический разветвитель 4, N оптических датчиков 5 - 5 (первый оптический датчик 5, второй оптический датчик 5, … , Nый оптический датчик 5), где N - натуральный ряд чисел больше или равно 1, N фотоприемников 6 - 6 (первый фотоприемник 6, второй фотоприемник 6, … , Nый фотоприменик 6), причем число оптических датчиков 5 - 5 равно числу фотоприемников 6 - 6, амплитудный детектор 7, контроллер определения давления 8, при этом источник лазерного излучения 1 выполнен широкополосным, оптический фильтр 3 выполнен в виде оптического фильтра с наклонной амплитудно-частотной характеристикой, каждый оптический датчик 5 - 5 идентичен друг другу и выполнен на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга 9 с двумя фазовыми π-сдвигами 10, каждый фотоприемник 6 - 6 идентичен друг другу, причем выход источника 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 посредством волоконного световода с входом оптического разветвителя 4, причем каждый из N выходов оптического разветвителя 4 соединены посредством волоконных световодов соответственно с входами каждого из N оптических датчиков 5 - 5, выходы каждого из N оптических датчиков 5 - 5 соединены посредством волоконных световодов соответственно с входами каждого из N фотоприемников 6 - 6, выходы N фотоприемников 6 - 6 соединены посредством электрических проводов с соответствующими входами амплитудного детектора 7, выход которого соединен посредством электрических проводов с входом контроллера определения давления 8.
1
N
1
N
Подключают компоненты схемы согласно фиг. 1, подключают источник лазерного излучения 1, N фотоприемников 6 - 6, амплитудный детектор 7 и контроллер определения давления 8 к источникам питания (система электропитания на фиг. 1 не показана), производят запись программ обработки сигнала согласно алгоритму, представленному на фиг. 4 в амплитудный детектор 7, и алгоритму, представленному на фиг. 5 в контроллер определения давления 8. Оптические датчики 5 - 5 располагают, например на инвалидной коляске или больничной кушетке в области ступней, седалищных зон, лопаток.
В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга 9 с двумя фазовыми π-сдвигами 10 может быть выполнена с симметрично расположенными фазовыми π-сдвигами 10 относительно ее центральной длины волны.
В частности, каждая линейно чирпированная волоконная решетка Брэгга 9 с двумя фазовыми π-сдвигами 10 может быть выполнена с несимметрично расположенными фазовыми π-сдвигами 10 относительно ее центральной длины волны.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
2
1
2
1
2
1
N
1
2
1
2
1
2
1
N
1
N
2
1
N
1
N
N
рез
1
2
рез
1
N
1
N
Рассмотрим работу волоконно-оптического устройства измерения давления (фиг. 1 - фиг. 5). 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 5 - 5, после оптического фильтра 3 сигнал отражается и через циркулятор 2 направляется к оптическому разветвителю 4 и после к оптическим датчикам 5 - 5, при этом каждый оптический датчик 5 - 5 идентичен друг другу и выполнен на основе линейно чирпированной волоконной решетки Брэгга 9 с двумя фазовыми π-сдвигами 10 (фиг. 2), симметрично расположенными относительно ее центральной длины волны. В оптических датчиках 5 - 5 в окнах прозрачности из полного спектра света для каждого из N оптических опорных датчиков вырезается два узкополосных участка λ и λ с амплитудами А и Асоответственно, которые зависят от участка спектра оптического фильтра 3, на которые попадают λ и λ. При воздействии давления в точках расположения оптических датчиков 5 - 5, узкополосные участки λ и λ смещаются относительно оси длин волн и их амплитуды А и А изменяются в зависимости от участка спектра оптического фильтра 3, на который попадают λ и λ. Далее сигнал, прошедший через оптические датчики 5 - 5 попадает на соответствующие фотоприемники 6 - 6, где регистрируются соответствующие огибающие биений двух частотных составляющих с частотой, соответствующей разносу |λ - λ| = Δλ. Таким образом, на выходе каждого из N фотоприемников 6 - 6 формируется результирующий сигнал на частоте, соответствующей разносу Δλ с амплитудой А, которая зависит от изменения амплитуд А и А. Далее результирующий сигнал поступает на амплитудный детектор 7, который регистрирует амплитуду результирующего сигнала А, согласно алгоритму, представленному на фиг. 4. С выхода амплитудного детектора 7 сигналы поступают на вход контроллера определения давления 8. Контроллер определения давления 8 принимает все сигналы и определяет величину воздействия давления на соответствующий оптический датчик 5 - 5 по алгоритму, представленному на фиг. 5. Влияние воздействия температуры компенсируется одновременным и одинаковым смещением спектров оптического фильтра 3 и оптических датчиков 5 - 5.
На фиг. 3 изображены возможные спектры оптического фильтра и оптического датчика, где λ - это длина волны, T(λ) - это коэффициент отражения. Предложенное волоконно-оптическое устройство измерения давления осуществляет непрерывное измерение давления. Число оптических опорных датчиков, число оптических измерительных датчиков и число фотоприемников могут быть равны, например 1 или 3, или 6, или больше, и зависит от количества выходов оптического разветвителя 4 и количества входов амплитудного детектора 7.
Волоконно-оптическое устройство измерения 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;
оптический разветвитель 4 - оптический разветвитель ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ»;
1
N
оптические датчики 5 - 5 - волоконная решетка Брэгга 9 с двумя фазовыми π-сдвигами 10 записанная в НИИ ПРЭФЖС КНИТУ-КАИ (Казань);
1
N
фотоприемники 6 - 6 - высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP микроволновые широкополосные PIN фотоприемники (приемные модули) НПФ «ДиЛаз», например, ДФДМШ-40-16;
амплитудный детектор 7 - осциллограф DSO - 1008A фирмы Hantek;
контроллер определения давления 8 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.
При реализации волоконно-оптического устройства измерения 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 измерения давления представляет собой единую конструкцию, так как все блоки входящие в волоконно-оптическое устройство измерения давления соединены между собой.
По сравнению с прототипом, предложенное волоконно-оптическое устройство измерения 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 измерения 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 измерения давления, позволяет значительно упростить его конструкцию. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью амплитудного детектора и АЦП контроллера определения давления и не влияет на результат изменения давления, т.к. воздействие на датчик давления и его отклик много больше погрешности амплитудного детектора и контроллера.
Все это позволяет говорить о достижении технического результата -упрощения волоконно-оптического устройства измерения давления по сравнению с устройством по прототипу, т.к. конструкция предложенного волоконно-оптического устройства измерения 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 измерения давления, а также возможность одновременного измерения давления в N точках.