DE3418247A1

DE3418247A1 - Durchbiegungsmesser

Info

Publication number: DE3418247A1
Application number: DE3418247A
Authority: DE
Inventors: Vincent J. Des Plaines Ill. Tekippe
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Optronics Inc Millersville Md Us
Priority date: 1983-05-16
Filing date: 1984-05-16
Publication date: 1984-11-22
Anticipated expiration: 2004-05-17
Also published as: JPS6022613A; US4799751A; DE3418247C2; JPH0311644B2

Description

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■^•> TtSGH^RtKERN & BREHM

Albert-Rosshaupter-Straese 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 5-212284 pat9d Telegrammeι K«srnpetent_Münctien

GOULD INC. , 16. Mai 1984

10 Gould Center, GD-92

Rolling Meadows, Illinois 60008,
U.S.A.

Durchbiegungsmesser

Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erfassung der Durchbiegung einer Membran (Trennwand, Diaphragma); mehr im einzelnen betrifft die Erfindung einen solchen Durchbiegungsmesser, der mit optischen Fasern arbeitet.

In der Fachwelt sind in jüngerer Zeit vermehrte Anstrengungen auf die Entwicklung von Meßverfahren gerichtet worden, welche den zu überwachenden Zustand an der Meßstelle mittels optischer Fasern erfassen und im Fernzugriff der Auswerteeinrichtung zuleiten, weil entsprechende Faseroptik-Sensoren verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoren aufweisen. Zu diesen Vorteilen gehören die geringen Abmessungen der Faseroptik-Sensoren, deren Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einwirkungen, und deren Eigenschaft als

völlige elektrische Nicht-Leiter; alle diese Eigenschaften machen das Erfassen von Meßwerten mittels Faseroptik zu einer attraktiven Alternative, wenn sich die Meßstelle in einer gefährlichen, beispielsweise explosionsgefahrdeten Umgebung, in einer Hochtemperaturzone oder in einer Umgebung mit hoher elektromagnetischer Feldstärke befindet, oder wenn in vivo medizinische Meßgrößen gesammelt werden müssen. Entsprechende Anwendungen sind beispielsweise in den nachstehenden Veröffentlichungen enthalten: J.Hecht, "Fiber Optics Turns to Sensing" , High Tech. 2^ (4) , 49; und T.G. Giallorenzi, et al., "Optical Fiber Sensor Technology", IEEE J. Quantum Electron., QE-18, 626.

Membranen (Trennwände, Diaphragmen) stellen eines der meist genutzten Instrumente zur Druckmessung dar. Die meisten der bis heute entwickelten optischen Verfahren zur Messung einer Membranduchbiegung beruhen auf der Erfassung der Änderungen einer optischen Intensität als Folge der Membranverstellung. Im einzelnen sind Faseroptik-Sensoren entwickelt worden, welche die Änderung des vom Mittelpunkt einer Membran reflektierten Lichtes auswerten, welche die Verschiebung von Schaufeln, Flügeln, Schiebern, Klappen, Deckeln, Verschlüssen, Blenden und dgl. erfassen, die an der Membran befestigt sind, oder es wird die Veränderung der Lichtdurchlässigkeit von optischen Fasern erfaßt, welche durch eine Membran zusammengedrückt werden. Beispiele derartiger Anwendungen sind in den nachstehenden Vorveröffentlichungen enthalten: R.O. Cook, et al., "Fiber Optic Lever Displacement Transducer," Appl. Opt. 18, 3230 (1979); "Optical Zero-Differential Pressure Switch and its Evaluation in a Multiple-Pressure Measuring System", NASA Technical Memorandum, NASA TM X-3571; T.A. Scott, "Noncontacting Optical Sensor", Conference Preceedings, General Sensor Technology/Force and Pressure Sensors, Chicago, IL, (June 8-10, 1982) p. 79; W.B. Spillman, Jr., et al., "Schlie-

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- ίο -

ren Multimode Fiber-Optic Hydrophone", Appl. Phys. Lett. 27,145 (1980); J. N. Fields et al., "Fiber-Optic Pressure Sensor", J. Acoust. Soc. Am., _67, 816 (1980); und J. N. Fields, et al., "Fiber Microbend Acoustic Sensor," Appl. Opt. 19, 3265 (1980).

Der hauptsächliche Nachteil dieser Formen von optischen Drucksensoren liegt in deren unausweislicher Empfindlichkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen. Weil diese Vorrichtungen eine absolute (Licht)-Intensität bestimmen, wird das Ausgangssignal durch Intensitätsverluste infolge von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle und/oder durch Verluste bei bereits geringfügigem Abbiegen oder Krümmen der Fasern beeinflußt. Weiterhin werden solche Druckerfassungseinrichtungen, welche den Abstand der Membran messen, etwa Schaufel-, Flügel- oder Schiebersensoren und übliche Reflektionssensoren, stark durch Änderungen dieses Abstandes infolge von Umgebungseinflüssen wie etwa Schwingungen und thermischen Ausdehnungen beeinflußt.

Zusätzlich zur Druckmessung können Membranen auch zur Temperaturmessung eingesetzt werden. Sofern eine solche Membran zur Temperaturmessung eingesetzt werden soll, dann muß diese Membran aus einem Material bestehen, das auf Temperaturänderungen mit einer Membrandurchbiegung reagiert. Zum Beispiel kann für diesen Zweck ein Bimetall-Material als Membran vorgesehen werden. Der wesentliche Gegenstand der vorliegenden Erfindung schließt auch eine solche metallische Membran ein, deren Durchbiegung mittels eines Systems optischer Fasern erfaßt wird, wie das nachstehend im einzelnen erläutert wird.

Die Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Durchbiegungsmesser bereitzustellen, der dynamische Messungen in einem Meßbereich von + 0,7 MPa bis - 0,7 MPa (+ 10.0 psi) erlaubt. Ein weiteres Ziel einer Aus-

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- li -

führungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Meßvorrichtung bereitzustellen, die linear auf die Meßgröße anspricht, wobei die Abweichung über den gesamten Meßbereich weniger als 0,25 % betragen soll.

Noch ein weiteres Ziel dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hochempfindliche Druckmeßvorrichtung bereitzustellen, welche Druckänderungen von weniger als 7 MPa(I χ 10 psi) erfassen kann..

Noch ein weiteres Ziel dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Druckmessvorrichtung bereitzustellen, die gegen einen Überdruck bis zu 2,1 MPa (300 psi) geschützt ist.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Durchbiegungsmesser bereitzustellen, der ein vernünftiges Verhältnis von Membranradius zu Membrandicke aufweist.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, welche mit einer relativ einfachen elektronischen Ausrüstung auskommt.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, deren Ausgangsspannung direkt proportional zu den auftretenden Druckänderungen ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine relativ kleine Meßvorrichtung bereitzustellen, die für medizinische in vivo Anwendungen geeignet ist.

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Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, die relativ robust ist, und wenig bewegliche Teile aufweist.

Noch ein weiteres Ziel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, die einfach herzustellen ist, welche ein einziges Bündel optischer Fasern aufweist, wobei innerhalb des Bündels die Fasern in drei getrennten Abschnitten in konzentrischer Anordnung angeordnet sind.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, deren Nullstellung und deren Eichung einfach durch Veränderung der Einstellung des elektronischen Schaltungsaufbaues erfolgen kann.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzusteller, die unempfindlich gegenüber Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle und Leitungsverlusten in den das Licht zuführenden Fasern ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine derartige Meßvorrichtung bereitzustellen, die relativ preiswert hergestellt werden kann.

Schließlich besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine solche Meßvorrichtung bereitzustellen, die in- hohem Ausmaß unempfindlich gegenüber Schwingungen und Temperaturschwankungen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und/oder dieser Ziele rst ein Durchbiegungsmesser mit den in Anspruch 1 oder in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte

Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Durchbiegungsmesser ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammengefaßt beruht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und/oder dieser Ziele darauf, eine mit einer Membran ausgerüstete Meßvorrichtung bereitzustellen, bei welcher statt einer Membranverstellung die Membrankrümmung und deren Änderung erfaßt wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinwirkungen weitestgehend zu verringern. Bei solchen mit einer Membran ausgerüsteten Meßvorrichtungen kann es sich um Druckwandler, mit einer Bimetallvorrrichtung ausgerüstete Temperaturmeßgeräte und dgl. handeln. Im wesentlichen ist bei dem erfindungsgemäßen Durchbiegungsmesser vorgesehen, das Licht mittels in einem Ring angeordneten optischen Fasern auf die Membranoberfläche zu leiten, so daß dieses Licht in einem radialen Abstand χ vom Membranmittelpunkt auf die Membran auftrifft. Das von der Membran reflektierte Licht wird daraufhin auf Sammelfasern verteilt, die konzentrisch zu den Beleuchtungs- bzw. Lichtzuführfasern angeordnet sind, und sich sowohl auf der Innenseite wie auf der Außenseite zu diesen Lichtzuführfasern befinden (vgl. Fig. 1 }. Hierbei stellt die innerste Fasergruppe eine Anzahl erster optischer Fasern dar, nämlich die innen angeordneten Sammelfasern. Die Lichtzuführfasern stellen eine Anzahl zweiter optischer Fasern dar, und die sich daran nach außen anschließenden Fasern stellen eine Anzahl dritter optischer Fasern dar, nämlich die außen angeordneten Sammelfasern. Die Membrandurchbiegung wird aus dem Verhältnis der Lichtintensitäten ermittelt, die. in den innen angeordneten Sammelfasern im Verhältnis zu den außen angeordneten Sammelfasern erfaßt worden sind. Weil dieses Meßverfahren mit Verhältnissen der Lichtintensität arbeitet, kompensiert das Verfahren automatisch Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle und Leitungsverluste in den Lichtzuführfasern und weiterhin Schwankungen im Reflektionsvermögen der Membranoberfläche. Da weiterhin die Meßwertbe-

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Stimmung, etwa die Bestimmung des Druckes oder der Temperatur von der Membrankrümmung bzw. Membrandurchbiegung abhängen, anstatt vom Abstand zwischen Faserenden und Membran, ist der erfindungsgemäße Vorschlag unempfindlich gegenüber Auswirkungen von TemperaturSchwankungen und/oder Schwingungen, welche eine Veränderung des Abstandes zwischen Faserenden und Membran verursachen könnten. Schließlich ist das erfindungsgemäße Meßsystem einfach zu kallibrieren,weil es eine lineare Arbeitscharakteristik aufweist.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Anordnung der Enden der innen und außen angeordneten Lichtsammeifasern bezüglich der Lichtzuführfasern, und die Anordnung sämtlicher Faserenden bezüglich einer kreisrunden Membran, wie das für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 2 anhand einer schematischen Darstellung diejenigen Lichtmengen, die von den innen und außen angeordneten optischen Fasern aufgenommen worden sind, nachdem das Licht an einer konvex gekrümmten Membran reflektiert worden ist;

Fig. 3 in einer Darstellung analog zu Fig. 2 diejenigen Lichtmengen, die von den innen und außen angeordneten optischen Fasern aufgenommen werden, nachdem das Licht an einer nicht gekrümmten bzw. nicht durchgebogenen Membran reflektiert worden ist; ι

Fig. 4 in einer Darstellung analog zu Fig. 2

diejenigen Lichtmengen, die von den innen und außen angeordneten optischen Fasern aufgenommen werden, nachdem das Licht an einer konkav gekrümmten Membran reflektiert worden ist;

Fig. 5 anhand einer schematischen Seitenansicht die

Lichtreflektion an einer gekrümmten Membran, unterhalb der sich die Lichtzuführfasern und die innen und außen angeordneten Lichtsammeifasern befinden;

Fig. 6 anhand einer graphischen Darstellung das mit einer praktischen Ausführungsform der Erfindung bei der Druckmessung erhaltene Ausgangssignal;

Fig. 7, anhand schematischer Darstellungen weitere 8+9 Ausführungsformen zur Anordnung der Lichtzuführfasern sowie der innen und außen angeordneten Lichtsammeifasern; und

Fig. 10 anhand einer schematischen Darstellung eine

weitere Ausführungsform mit nicht-runder Membran.

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf eine "bevorzugte Ausführungsform erläutert, deren Anordnung der verschiedenen Faserenden bezüglich der Membran schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. In den Fig. 2,3 und 4 sind anhand schematischer Seitenansichten verschiedene Stellungen beim Betrieb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt. Sofern die Druckdifferenz über die Membran 12 den Wert 0 hat (vgl. Fig. 3), dann ist die Membran nicht-durchgebogen, d.h. flach, und von

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dem über die Lichtzuführfasern zugeführten Licht 14, 16, werden nach Reflektion an der Membran 12 gleiche Lichtmengen von den innen angeordneten Lichtsammeifasern 18 und von den außen angeordneten Lichtsammeifasern 20 aufgenommen. Bei der Einwirkung von Überdruck (vgl. Fig. 2), wird die Membran 21 bezüglich der Faserenden konvex verformt, und von dem über die Lichtzuführfasern zugeführten Licht werden nach Reflektion an der Membran 21 größere Lichtmengen von den außen angeordneten Lichtsammeifasern 24 aufgenommen (als von den innen angeordneten Lichtsammeifasern). Im Gegensatz dazu wird bei der Einwirkung von Unterdruck (vgl. Fig. 4) die Membran 26 bezüglich der Faserenden konkav verformt, und von dem über die Lichtzuführfasern zugeführten Licht wird nach Reflektion an der Membran 26 ein größerer Anteil von den innen angeordneten Lichtsammeifasern 28 aufgenommen (als von den außen angeordneten Lichtsammeifasern). Das heißt, die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann sowohl den Betrag wie das Vorzeichen (Über- oder Unterdruck) des auf die Membran einwirkenden Druckes erfassen und anzeigen.

Eine vereinfachte Analyse der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Grundlagen geht von der Annahme einer einzigen Lichtzuführfaser und von zwei Lichtsammeifasern aus, von denen eine innen und die andere außen bezüglich der Lichtzuführfaser angeordnet ist. Wegen der zylindrischen Symmetrie des Gesamtsystems, ist der Beitrag, den ein solches Fasertriplet leistet,repräsentativ für die Beiträge aller Fasertriplets in einer praktischen Ausführungsform eines solchen Sensors. Die Fig. 5 zeigt ein solches Fasertriplet, wobei die Faserenden 28, 29 und 30 unterhalb einer gekrümmten Membran 32 angeordnet sind. Um die Analyse zu vereinfachen, bleiben solche Lichtmengen unberücksichtigt, die erneut von der Lichtzuführfaser 29 aufgenommen werden, oder die auf die Mantelabschnitte der optischen Fasern treffen; weiterhin ist angenommen, daß der Krümmungswinkel Θ der Membran 32 in dem bestrahlten Bereich

konstant ist. Die Außenstrahlen OA und OB (vgl. Fig. 5) begrenzen die Emissionsöffnung der Lichtzuführfaser, deren Kernmaterial der Brechungsindex η, und deren Mantelmaterial der Brechungsindex n₂ zugeordnet ist. Diese Außenstrahlen OA und OB stellen diejenigen Strahlen dar, die unter dem kritischen Winkel (0. = sin " (nj/r^)) innerhalb der Lichtzuführfaser reflektiert werden. Der Strahl OC ist ein solcher Strahl, der senkrecht auf die Membran 32 auftrifft und in sich selbst reflektiert wird. Daraus folgt, solche Strahlen, die zwischen OA und OC aus der Lichtzuführfaser austreten, werden in die außen angeordnete Sammelfaser 30 reflektiert, und solche Strahlen, die zwischen OC und OB aus der Lichtzuführfaser austreten, werden in die innen angeordnete Lichtsammeifaser 28 reflektiert. Beschränkt man diese Analyse auf die Zeichenebene, dann ist die Intensität I_auo_en <3es i-ⁿ die aussen angeordnete Sammelfaser 30 eintretenden Lichtes proportional zum Winkel ¹X und damit der Strecke a, und die Intensität I. des in die innen angeordnete Sammelfaser 28 einmnen

tretenden Lichtes ist proportional zum Winkel ß und damit zur Strecke b. Somit gilt für das Verhältnis dieser Lichtintensitäten:

«<aRI_o)/bRl_o) = (r_o+z)/<r_o-z) Gleichung (

wobei gilt:

I_Q = die Intensität des aus der Lichtzuführfaser austretenden Lichtes;

R = Reflektionsvermogen der Membran;

ζ = Abstand der Fasermittellinie von demjenigen Punkt, wo der Strahl OC aus der Lichtzuführfaser austritt; und

r = Radius der Lichtzuführfaser.

Bei einer kleinen Membranneigung dy/dx kann das Snell'sche Gesetz angewandt werden, wonach erhalten wird:

_ ₌ 1 + (dy/dx)tan6 /n, ^;

außen/ innen Gleichung (2) !

1 - (dy/dx)tane /Fi₁

Weil Winkel θ = sin" (η,,/η,) , ist aus Gleichung 2 ersichtlich, daß das Verhältnis der Signalintensitäten I _ß /Ij_n lediglich von den Bre'chungsindices des Kernmaterials und des Mantelmaterials der Lichtzuführfaser und ferner von der Neigung der Membran abhängt. Damit ist das Verhältnis I _ß / I. unabhängig vom Faserradius, vom Abstand des Faserendes, von der Membran, vom Reflektionsvermögen der Membran und von der Intensität, mit welcher das Licht aus der Lichtzuführfaser austritt;'d.h., dieses Verhältnis I _ß /I. ist weitestgehend unempfindlich bezüglich irgendwelcher Umgebungseinflüsse (solange sich diese nicht auf die Membrankrümmung auswirken).

Für die Druckabhängigkeit der Membrankrümmung y einer gleichmäßig belasteten, an ihrem Umfang eingespannten, kreisrunden Membran gilt nach R.J. Roark et al, Formulas for Stress and Strain, Fifth Edition (McGraw-Hill-Verlag, New York, 1975):

y(x) = -3(r²-x²)²(l-p²)P/(16Yt³) Gleichung (3)

wobei gilt:

χ = der radiale Abstand vom Membranmittelpunkt; r = Membranradius;

t = Membrandicke;

Y = Elastizitätsmodul (Young'scher Modul der Membran);

und
μ = Poisson'sche Querdehnungsziffer der Membran.

Differenziert man Gleichung (3) nach χ und setzt das erhaltene dy/dx in Gleichung (2) ein, so erhält man:

⁼ d⁺AP)/(l-AP) .Gleichung (4)

wobei gilt:

A = eine Konstante, die abhängt von den Eigenschaften des Membranmaterials und des Lichtzuführfaser-Materials entsprechend nachstehendem Ausdruck:

_A = e_c Gleichung (5)

Ein einfaches Verfahren zur Umwandlung von Gleichung (4) besteht darin, von beiden Seiten den Logarithmus zu bilden, und diesen Logarithmus nach steigenden Potenzen von (AP) zu entwickeln. Für die erste OrdnungLn (AP) gilt dann:

^P - ^außen^innen*'²* Gleichung (6)

mit einem prozentualen Fehler von 33,3 (AP) . Sofern somit

eine Membran gewählt wird, deren Wert für (AP) sehr viel kleiner 1 (^. ^ 1) ist, dann hängt der Druck linear vom Logarithmus des Verhältnisses von I _ß zu I. ab, was eine außerordentlich einfache Signalanalyse gewährleistet.

In jüngster Zeit ist erhebliches Interesse entstanden an der Entwicklung eines robusten miniaturisierten Druckwandlers für medizinische in vivo Anwendungen. Der oben dargelegte erfindungsgemäße Vorschlag zur Druckerfassung ist in die Praxis umgesetzt, und auf dieser Basis ein miniaturisierter Prototyp eines auf Membrandurchbiegung ansprechenden Sensors gebaut und getestet worden. Die Membran wurde mit dem Ziel ausgewählt, ein optimales Sensorverhalten über den gesamten für medizinische Anwendungen in Frage kommenden Druckbereich von 0 bis 35 000 Pa (0-5 psi) zu gewährleisten. Hierzu wurde ein 500 übliche optische Fasern aufweisendes Faserbündel 34 mit einem Radius von 0,8 mm in mehrere Bereiche aufgeteilt, nämlich in einen außen angeordneten Sammelbereich

„.«pt·» Ij, ^:'f

36, der von einem mittig angeordneten Lichtzuführungsstreifen 40 von einem innen angeordneten Sammelbereich 38 getrennt ist, wie das in Fig. 1 dargestellt ist. Jede einzelne Multimode-Faser hatte einen Kerndurchmesser von 70 um, und das Kernmaterial wies einen Brechungsindex n, = 1,62 auf. Dieser Kern war von einem 3,5 Lim dicken Mantel eingehüllt; dieses Mantelmaterial hatte einen Brechungsindex n- = 1,52. Der Ring 40 aus Lichtzuführfasern hatte einen Radius χ = 402 um. Dieses Faserbündel war mit Hilfe von Epoxyharz in eine 250 um dicke Metallhülse eingesetzt worden, so daß ein miniaturisierter Sensor mit einem Außendurchmesser von lediglich 2,2 mm erhalten wurde. Die Membran mit einem Radius von 1,1 mm wurde aus einer 127 um dicken Polycarbonat-Folie erzeugt; diese Membran war längs ihres Umfangs eingespannt und wurde mittels Epoxyharz an einem Ende des Druckwandlergehäuses befestigt. In dieser Anordnung wurde die Membran den Druckschwankungen einer Druckquelle ausgesetzt. Das Faserbündel wurde daraufhin mit der Maßgabe in das Druckwandlergehäuse eingesetzt, daß die Fasern senkrecht auf die Membran zuführten, und die Faserbündelmittellinie mit dem Membranmittelpunkt ausgerichtet war. Die Lichtzuführfasern wurden daraufhin mit weißem Licht aus einer Lichtquelle bestrahlt, und die in den außen und innen angeordneten Lichtsammelfasern auftretenden Lichtintensitäten

I _n und I. wurden mittels Photodetektoren erfaßt, die außen . innen

mit einem elektronischen Schaltungsaufbau verbunden waren, um den Algorithmus nach Gleichung (6) zu lösen.

Im Hinblick auf die Mittelwertbildung erwies es sich als zweckmäßig, die polierten Enden der optischen Fasern des Faserbündels unter dem maximal möglichen Abstand d zur Membran anzuordnen, wobei jedoch darauf geachtet werden mußte, daß dieser Abstand d nicht so groß wurde, daß Licht über den Umfang der außen angeordneten Lichtsammeifasern hinaus reflektiert wurde. Für die vorliegende Vorrichtung ergab sich dieser maximale Abstand zu d = 0,25 mm. Das Ausgangssignal·

In(I _ /I. ) wurde dann als Funktion des Manometeraußen innen

druckes P über den gesamten für medizinische Zwecke anfallenden Druckbereich aufgetragen. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in graphischer Form mit Fig. 6 dargestellt.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß sich der Wert des Ausdruckes

In(I „ /I. ) tatsächlich linear mit dem Druck verändert, außen innen

Die Auswertung dieser Meßergebnisse nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ergab für die Steigung der ermittelten Grade einen Wert von 250 Pa"" (0_r035 psi" ), woraus ein experimentell ermittelter Wert für ^A _QV~, ^{= 122} Pa

— 1 exp

(0,0175 psi ) resultiert. Der prozentuale Fehler in Gleichung

2
(6) war zu 33,3(AP) vorhergesagt worden, was eine maximale Abweichung von der Linearität von lediglich 0,25 % ergibt. Dies ist in Übereinstimmung mit der ausgezeichneten Linearität der in Fig. 6 dargestellten Versuchsergebnisse, welche einen Korrelationskoeffizienten von 0,99995 aufweisen. Sofern die relevanten Membran-Parameter in die Gleichung (5) eingesetzt werden, dann führt das zu einem rechnerisch ermittelten Wert für Α.. = 111 Pa" ( 0,0175 psi" ), was dem experimentell bestimmten Wert recht nahekommt. Die geringe Abweichung zwischen ^A _theorv ^{und A}exD ^w^^{rd auf die Dicke des} Ringes aus Lichtzuführungsfasern zurückgeführt. Während die einfache, oben wiedergegebene theoretische Analyse davon ausgeht, daß das gesamte reflektierte Licht zu den Lichtentensitäten I. oder I _ß beiträgt, wird tatsächlich ein signifikanter Anteil des Lichtes zurück in den Ring aus Lichtzuführfasern reflektiert. Dies führt zu einer geringfügigen Zunahme der Empfindlichkeit der Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung trägt diesem Ergebnis dadurch Rechnung, daß die Beziehung zwischen den Lichtintensitäten (I), die zwischen den innen und außen angeordneten optischen Fasern eingefangen werden, durch den Ausdruck (I₃-I₁)/(12+I₁) wiedergegeben werden. Es ist festgestellt worden, daß diese Beziehung eine lineare Funktion bezüglich Veränderungen der Membrandurchbiegung darstellt.

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Obwohl der wesentliche Gegenstand der vorliegenden Erfindung im einzelnen anhand eines Bündels optischer Fasern erläutert worden ist, ergibt sich ohne weiteres, daß die Erfindung auch in anderen Ausführungsformen verwirklicht werden kann. Wie das beispielsweise anhand der Fig. 7 dargestellt ist, können die Grundlagen der Erfindung ganz wesentlich vereinfacht werden, indem lediglich drei optische Fasern 50, 51 und 52 in enger Beziehung zu einer Membran 54 vorgesehen werden. Bei dieser Ausführungsform dient die Faser 51 als Lichtzuführfaser, während die Faser 52 als außen angeordnete Lichtsammeifaser und die Faser 50 als innen angeordnete Lichtsammelfaser dient, wenn die Membran auf Druckänderungen hin durchgebogen bzw. ausgelenkt wird. Bei einer anderen, mit Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind sechs optische Fasern vorgesehen, um Druckschwankungen zu erfassen. Bei dieser Ausführungsform dienen die Fasern 56 als innen angeordnete Lichtsammeifasern, die Fasern 58 und 64 dienen als Lichtzuführfasern, und die Fasern 60 und 62 dienen als außen angeordnete Lichtsammeifasern, bezüglich der Membran 66. Bei dieser Ausführungsform können weiterhin mittig angeordnete Fasern 68 (die in der Fig. 8 gestrichelt dargestellt sind) vorgesehen werden, so daß jede Gruppe von Sensorfasern im Abstand zu gegenüberliegenden Seiten der Membran 66 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform würden die mittig angeordneten Fasern entweder nicht benutzt werden, oder sie wären nicht vorhanden. Ein Vorteil der anhand von Fig. 8 dargestellten Ausführungsform über die Ausführungsform nach Fig. 7 besteht darin, daß durch die Anordnung von Sensorfasern auf gegenüberliegenden Seiten der Membran Verfahren zur symmetrischen Mittelwertbildung möglich werden, was die Zuverlässigkeit des Detektors erhöht. Bei einer weiteren, anhand von Fig. 9 erläuterten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die gesamte Membran 70 mittels optischer Fasern erfaßt werden. Wie in dieser Ausführungsform dargestellt, sind die optischen

Fasern in drei symmetrischen Konfigurationen zusammengefaßt. Die mittig angeordnete, kreisförmige Konfiguration 72 stellt

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die innen angeordneten Lichtsammeifasern dar. Der mittlere oder ringförmige Abschnitt 74 bildet daraufhin die Lichtzu— führfasern, und der außen angeordnete ringförmige Abschnitt 76 faßt die außen angeordneten Lichtsammeifasern zusammen. Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung muß die flexible Membran 78 nicht notwendigerweise kreisförmig sein. Zum Beispiel ist bei der mit Fig. 10 dargestellten Ausführungsform eine rechteckige Membran vorgesehen. In gleicher Weise wie oben für die kreisförmigen Membranen erläutert, sind die Lichtzuführfasern 80 und 82 im Abstand zwischen den außen angeordneten Lichtsammeifasern 84 und 81, sowie den innen angeordneten Lichtsammeifasern 88 und 90. angeordnet. Sofern diese rechteckige Membran 78 durchgebogen oder abgelenkt wird, wird das reflektierte Licht von den innen und außen angeordneten Lichtsammeifasern in analoger Weise aufgefangen, wie das oben für die anderen Ausführungsformen erläutert worden ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung bislang mit Bezugnahme auf eine Membran erläutert worden ist, deren Durchbiegung sich auf Druckänderungen hin verändert, ist es auch möglich, eine Membran vorzusehen, deren Durchbiegung sich auf die Änderung anderer Umgebungsbedingungen hin ändert. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung ebenfalls dazu benutzt werden, daß sich die Durchbiegung einer Membran auf Temperaturänderungen hin ändert. Bei einer solchen Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung als Temperaturerfassungsvorrichtung eingesetzt werden, wobei die Membran aus bimetallischem Material erzeugt wird. Zum Beispiel kann in einem solchen Falle die Membran in der Form eines Bimetall-Streifens vorliegen.

Zusammengefaßt wird mit der vorliegenden Erfindung ein neues optisches Verfahren zur Druckerfassung bereitgestellt, das anstatt einer Membranverstellung die Membrankrümmung auswertet. Der oben beschriebene Prototyp eines entsprechenden Drücksensors

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weist kleine Abmessungen auf und ist gegenüber elektromagnetischen Einwirkungen unempfindlich, wie das für Sensoren auf der Basis optischer Fasern typisch ist. Obwohl kein eine Membrandurchbiegung auswertendes Meßverfahren solche Umgebungseinwirkungen ausschließen kann, welche zu Druckschwankungen führen, kann dieses Meßverfahren trotzdem solche nachteiligen Auswirkungen ausschließen, welche eine Verschiebung des Faserbündels relativ zu der Membran als Folge von Schwingungen und Temperaturänderungen bewirken. Weil weiterhin eine Abhängigkeit des Ausgangssignals von Schwankungen der Intensität der Lichtquelle nach der Lichtreflektion an der Membran ausgeschlossen ist, kompensiert dieses optische Erfassungsverfahren automatisch irgendwelche Schwankungen der Lichtquellenintensität, sowie Leitungsverlust innerhalb der Lichtzuführfasern, und weiterhin irgendwelche Änderungen im Reflektionsverhalten der Membran. Da sich weiterhin die Lichtsammelfasern in einer weitgehend homogenen Umgebung befinden, können auch solche Fehler und Abweichungen ausgeschlossen werden, die üblicherweise als Lichtverluste durch minimale Faserverbiegung auftreten. Schließlich kann die Vorrichtung so ausgelegt werden, daß sie die Meßgröße in linearer Betriebsweise anzeigt.

Obwohl die oben beispielsweise beschriebene Ausführungsform eines als Prototyp vorgesehenen Druckwandlers hinsichtlich Abmessungen und Druckbereich für die medizinische in vivo Anwendung vorgesehen war, hat dieses Druckerfassungsverfahren allgemeinere Anwendungsmöglichkeiten. Wie oben dargelegt, hängt die Empfindlichkeit und der optimale Druckbereich eines solchen Sensors von der mit Gleichung (5) wiedergegebenen Konstante A ab, deren Wert einfach durch Veränderung des Membran-, materials und/oder der Membrandicke verändert werden kann. Zum Beispiel kann ein wesentlich größerer Sensor vorgesehen werden, der im Druckbereich von 0 bis 420 000 Pa (0-60 psi)

arbeitet, der mit einer 0,03 mm dicken Silikon-Membran mit einem Durchmesser von 10,4 mm ausgerüstet ist. Auch dieser Sensor weist ein lineares Druck-Ansprechverhalten mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,00087 in dem genannten Druckbereich von 0 bis 420 000 Pa auf.

Das erfindungsgemäße Erfassungsverfahren weist somit eine Vielzahl potentieller Anwendungsmöglichkeiten auf, die von der militärischen über die gewerbliche bis zur medizinischen Anwendung reichen, sofern Sensoren geringer Größe mit Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen gefordert werden.

Wie dargelegt, ist die Erfindung im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben und erläutert worden. Diese Erläuterung dient lediglich zum Zwecke der Beschreibung und soll den Anwendungsbereich der Erfindung nicht einschränken. Vielmehr soll der Kern der Erfindung und deren Schutzumfang lediglich durch den Gegenstand der Ansprüche und deren Äquivalente begrenzt sein.

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Claims

-: .-* Patentanwälte··. :

•^-•^: THSGWERtKERN & BREHM

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 · D 8000 München 70 · Telefon (089) 7605520 · Telex 5-212284 patsd Telegramme Kernpatent München

GOULD INC., 16. Mai 1984

10 Gould Center, GD-92

Rolling Meadows, Illinois 60008,
U.S.A.

Durchbiegungsmesser

Patentansprüche:

Ein Durchbiegungsmesser zur Erfassung von Umgebungsbedin-.

gungen,

gekennzeichnet durch:

eine Membran, deren Durchbiegung auf Änderungen dieser Umgebungsbedingungen anspricht;

wenigstens eine, im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtete Lichtzuführfaser, deren eines Ende im Abstand zu einer durchbiegbaren Seite dieser Membran angeordnet ist; wenigstens eine erste, auf einer ersten Seite zur Lichtzuführfaser angeordnete Lichtsammeifaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren eines Ende im Abstand zu dieser durchbiegbaren Seite der Membran angeordnet ist;

wenigstens eine zweite, auf einer zweiten Seite zur Lichtzuführfaser angeordnete Lichtsammeifaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren eines Ende im Abstand zu dieser durchbiegbaren Seite der Membran angeordnet ist;

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eine Einrichtung, um Licht durch die Lichtzuführfaser zu leiten, das wenigstens teilweise an dieser durchbiegbaren Seite der Membran reflektiert und von den ersten und zweiten Lichtsammeifasern aufgenommen wird, und eine die Lichtintensität in den ersten und zweiten Lichtsammelf asern auswertende Einrichtung, um aus dem Verhältnis dieser Lichtintensitäten ein Ausgangssignal zu bilden.
2. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten und zweiten Lichtsammeifasern und/oder deren eines Ende in enger Nachbarschaft zu der Lichtzuführfaser bzw. zu deren einem Ende angeordnet sind.
3. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtzuführfaser und/oder deren eines Ende zwischen, vorzugsweise mittig zwischen der ersten Lichtsammeifaser und der zweiten Lichtsammeifaser bzw. deren einen Enden angeordnet ist.
4. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die einen Enden der Lichtzuführfaser und der ersten und zweiten Lichtsammeifasern auf einer Geraden angeordnet sind.
5. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abstände der einen Faserenden von der durchbiegbaren Seite der Membran mit der Maßgabe ausgewählt-sind,, daß das reflektierte Licht mit maximaler Intensität von den ersten und zweiten Lichtsammeifasern aufgenommen wird.

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6. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtzuführfaser und die erste und zweite Lichtsammelfaser in Gruppen zusammengefaßt sind, und mehrere solcher Gruppen symmetrisch über die durchbiegbare Seite der Membran verteilt sind.
7. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß >

die Lichtintensitäten in der ersten und zweiten Lichtsammelfaser erfaßt und einem Rechner zugeführt werden, der als Ausgangssignal einen für die überwachte Umgebungsbedingung charakteristischen Parameter erzeugt.
8. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Rechner als Ausgangssignal In(1,/I₂) erzeugt, wobei I, für die Lichtintensität in der ersten Lichtsammeifaser und I₂ für die Lichtintensität in der zweiten Lichtsammeifaser steht.
9. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Rechner als Ausgangssignal (I--I-)/(I₂+I,) erzeugt, wobei I, für die Lichtintensität in der ersten Lichtsammelfaser und I₂ für die Lichtintensität in der zweiten Lichtsammelfaser steht.

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10. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ausgangssignal eine lineare Funktion der Änderung der Membrandurchbiegung darstellt.
11. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran für die Druckmessung ausgelegt ist.
12. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran Bestandteil eines Bimetallstreifens ist, der mit einer Membrandurchbiegung auf Änderungen der Umgebungstemperatur anspricht.
13. Ein Durchbiegungsmesser zur Erfassung der Durchbiegung einer Membran mit dem Radius r, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl erster optischer Pasern vorhanden ist, deren Faserenden konzentrisch zum Mittelpunkt dieser Membran in einem Kreis oder Ring mit dem Radius r, angeordnet sind, wobei r,< r;

ferner eine Anzahl zweiter optischer Fasern vorhanden ist, deren Faserenden konzentrisch zum Mittelpunkt dieser Membran in einem Ring mit dem Radius r~ angeordnet sind, wobei r > r₂ > Z₁-,

weiterhin eine Anzahl dritter optischer Fasern vorhanden ist, deren Faserenden konzentrisch zum Mittelpunkt dieser Membran in einem Ring mit dem Radius r, angeordnet sind, wobei r > r₃ >> r₂ ;

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wobei die Enden der ersten und dritten optischen Fasern Licht einfangen;

die Enden der zweiten optischen Fasern Licht aussenden, das wenigstens teilweise an der Membran reflektiert und von den ersten und dritten optischen Fasern wieder aufgenommen wird; und

aus dem Verhältnis der Intensitäten des von den ersten und dritten optischen Fasern ausgenommenen Lichtes die Durchbiegung der Membran oder eine diese Membrandurchbiegung verursachende Meßgröße ermittelt wird.
14. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten, zweiten und dritten optischen Fasern Multimode-Fasern sind.
15. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten, zweiten und dritten optischen Fasern eine Kombination aus Monomode- und Multimode-Fasern darstellen.
16. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Gehäuse zur Aufnahme dieser ersten, zweiten und dritten optischen Fasern vorhanden ist.
17. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gehäuse eine Einrichtung enthält, um die ersten, zweiten und dritten optischen Fasern in senkrechter Ausrichtung zu einer Seite der Membran zu halten.

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18. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gehäuse ferner einer Einrichtung enthält, um die ersten, zweiten und dritten optischen Fasern in konzentrischer Anordnung bezüglich des Membranmittelpunktes zu halten,
19. Der Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtintensitäten in den ersten und dritten optischen Fasern erfaßt und einem Rechner zugeführt werden, der aus dem Verhältnis dieser Intensitäten ein Ausgangssignal erzeugt.
20. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 19,-dadurch gekennzeichnet, daß

der Rechner als Ausgangssignal In (Ι-,/Ι,) erzeugt, wobei I₃ für die Lichtintensität in den dritten optischen Fasern und I, für die Lichtintensität in den ersten optischen Fasern steht.
21. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß

der Rechner als Ausgangssignal (I₃-I,)/(I₃+I,) erzeugt, wobei I₃ für die Lichtintensität in den dritten optischen Fasern und I, für die Lichtintensität in den ersten optischen Fasern steht.■
22. Der Durchbiegungsmesser nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß

dieses Ausgangssignal eine lineare Funktion der Änderung der Membrandurchbiegung darstellt. ' ^l.
23. Der Durchbiegungsraesser nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß

die Membran durch Änderungen des auf die Membran einwirkenden Druckes durchgebogen wird.