DE3418247C2

DE3418247C2 - Durchbiegungsmesser

Info

Publication number: DE3418247C2
Application number: DE3418247A
Authority: DE
Inventors: Vincent J 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: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2004-05-17
Also published as: DE3418247A1; US4799751A; JPS6022613A; JPH0311644B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchbiegungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Durchbiegungsmesser dieser Art ist aus dem Dokument US-A 3 580 082 bekannt. Aufgrund der symmetrischen Anordnungen werden beim bekannten Durchbiegungsmesser in allen Lichtsammelfasern im wesentlichen die gleichen Lichtintensitäten auftreten. Zu Erfassung einer Membranauslenkung wird eine Absolutmessung der Lichtintensitäten in den Lichtsammelfasern durchgeführt.

Das Dokument DE-A 2 337 219 offenbart einen optischen Meßkopf zur Abstandsanzeige. Zu den wesentlichen Komponenten des bekannten Meßkopfes gehören

- eine erste Anordnung von Lichtzuführfasern und Lichtsammelfasern, die im wesentlichen senkrecht zu einer Bildebene ausgerichtet sind und in einem ersten Abstand zu dieser Bildebene enden;
- eine zweite Anordnung von Lichtzuführfasern und Lichtsammelfasern, die im wesentlichen senkrecht zu der Bildebene ausgerichtet sind und in einem zweiten Abstand zu dieser Bildebene enden;
- eine verstellbare Fokussiereinrichtung, um das Licht der Lichtzuführfasern auf die Bild- bzw. Objektebene zu fokussieren; und
- eine Auswerteeinheit mit Phototransistoren, welche die Lichtinntensitäten in den verschiedenen Anordnungen der Lichtsammelfasern erfassen.

Beim bekannten Meßkopf ist die Bild- bzw. Objektebene starr ausgebildet; eine Veränderung der an dieser Ebene reflektierten Lichtintensitäten entsprechend einer Verformung dieser Ebene ist nicht vorgesehen. Mit Hilfe der Fokussiereinrichtung wird eine minimale Lichtinntensität in den Lichtsammelfasern eingestellt. Unter diesen Maßgaben kann in der Auswerteeinheit ein Verhältnis der Differenz geteilt durch die Summe Lichtintensitäten (A-B)/(A+B) in den Lichtsammelfasern der verschiedenen Faseranordnungen gebildet werden. Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Meßprinzip der Ausnutzung einer Verformung/Auslenkung einer reflektierenden Membran wird in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Ferner sind Faseroptik-Sensoren entwickelt worden, welche die Änderung des vom Mittelpunkt einer Membran reflektierten Lichtes auswerten, welche die Verschiebung von 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 Veröffentlichungen beschrieben:

R. O. Cock, 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 Proceedings, General Sensor Technology/Force and Pressure Sensors, Chicago, IL, (June 8-10 1982) p. 79; W. B. Spillmann, Jr., et al., "Schlieren Multimode Fiber-Optic Hydrophone", Appl. Phys. Lett. 37, 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 optischer Drucksensoren liegt in deren unausweichlicher 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 unnd übliche Reflektionssensoren, stark durch Änderungen dieses Abstandes infolge von Umgebungseinflüssen wie etwa Schwingungen und thermischen Ausdehnungen beeinflußt.

Das Dokument DE-A-30 16 565 offenbart einen Sensor mit Faseroptikeinrichtung zur Messung des Blutdruckes in einer Arterie. Die Faseroptikeinrichtung weist eine Lichtzuführfaser, eine erste Lichtsammelfaser und eine zweite Lichtsammelfaser auf. Die jeweiligen Enden dieser Lichtsammelfasern sind in unterschiedlichem Abstand zur Oberfläche einer reflektierenden Membran angeordnet. Es erfolgt eine Absolutwertmessung der jeweiligen Lichtintensitäten in den beiden Lichtsammelfasern. Wegen der unterschiedlichen Abstände der Lichtsammelfaser-Enden zur Membran werden unterschiedliche Lichtintensitäten erfaßt, aus denen ein Ausgangssignal gebildet wird, mit dessen Hilfe der Binnendruck innerhalb des Sensors verändert wird, um die Membran in eine Gleichgewichtslage zwischen Binnendruck und Flüssigkeitsdruck in der Arterie zu bringen.

Das Dokument DE-A-28 49 186 offenbart ein optisches Meßgerät zum Messen physikalischer Größen mit einem Sensor mit einer Faseroptikeinrichtung. Die Faseroptikeinrichtung weist eine Lichtzuführfaser, eine erste Lichtsammelfaser und eine zweite Lichtsammelfaser auf. Es erfolgt eine Absolutwertmessung der jeweiligen Lichtintensitäten in den beiden Lichtsammelfasern. Die Summe dieser Lichtintensitäten dient als Signal zur Steuerung der Lichtquelle, deren Licht in die Lichtzuführfaser eingespeist wird. Die Differenz dieser Lichtintensitäten dient als Meßsignal. Alternativ kann die Summe der Lichtintensitäten als Meßsignall dienen, und die Differenz wird als Stabilisierungssignal verwendet. Zwischen der Endfläche der Lichtzuführfaser und der reflektierenden Membran (Spiegel) befindet sich ein verstellbarer Schirm, mit dessen Hilfe die Lichtmenge gesteuert wird, welche in die Lichtsammelfasern eintritt.

Das Dokument US-A-3 327 584 betrifft einen mit einer Lichtmeßstrecke arbeitenden Abstandsmesser. Die Enden einer Vielzahl von Lichtzuführfasern und Lichtsammelfasern befinden sich - willkürlich in einer Ebene verteilt - im Abstand zu der Probe. Es erfolgt eine Absolutmessung der Lichtintensität in allen Lichtsammelfasern, und es wird gezeigt, daß dieser Lichtintensitätswert - innerhalb gewisser Grenzen - ein Maß für den Abstand zur Probe ist. Bei der zu überwachenden Probe kann es sich um eine druckabhängig auslenkbare Membran handeln. Ein Teil des Lichtes kann an einer vorgegebenen Bezugsoberfläche reflektiert werden, und die Intensität des so reflektierten Lichtes dient als Bezugsstandard.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Durchbiegungsmesser der eingangs genannten Art bereitzustellen, der unempfindlich gegenüber Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle und Leitungsverlusten in der/den Lichtzuführfaser(n) ist und der weiterhin in hohem Maß unempfindlich ist gegenüber Veränderungen des Abstandes zwischen den Lichtfaserenden und der zu reflektierenden Membran, die beispielsweise auf Schwingungen oder Temperaturschwankungen zurückführbar sind.

Ausgehend von einem Durchbiegungsmesser zur Erfassung einer Umgebungsbedingung, mit

- einer auslenkbaren Membran, deren Auslenkung von Änderungen der Umgebungsbedingung abhängt,
- wenigstens einer, im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichteten Lichtzuführfaser, deren eines Ende im Abstand zu einer reflektierenden Seite dieser Membran angeordnet ist,
- wenigstens einer ersten, auf einer ersten Seite der Lichtzuführfaser angeordneten Lichtsammelfaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren erstes Ende im Abstand zu der reflektierenden Seite der Membran angeordnet ist,
- wenigstens einer zweiten, auf der anderen Seite der Lichtzuführfaser angeordneten Lichtsammelfaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren erstes Ende im Abstand zu der reflektierenden Seite der Membran angeordnet ist, wobei die ersten Enden der Lichtsammelfasern derartig angeordnet sind, daß bei nicht-durchgebogener Membran von der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser und der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser gleiche Lichtintensitäten erfaßt werden, und mit
- einer Lichtquelle, um Licht durch die Lichtzuführfaser zu leiten, das wenigstens teilweise an der reflektierenden Seite der Membran reflektiert wird und daraufhin von der ersten und zweiten Lichtsammelfaser aufgenommen wird und über deren zweite Enden einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird,

ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser und der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser weiterhin derartig angeordnet sind, daß eine Membrandurchbiegung in der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser eine kleinere oder größere Lichtintensität als in der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser hervorruft; und die Auswerteeinrichtung ein Verhältnis aus den Lichtintensitäten in der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser und in der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser bildet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Durchbiegungsmesser wird eine mit einer Membran ausgerüstete Meßvorrichtung bereitgestellt, bei welcher statt einer axialen Membranverstellung die Membrankrümmung und deren Änderung erfaßt wird, um die Einflüsse von Schwankungen der Umgebungsbedingungen (bei Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle, Veränderungen des Abstandes zwischen Faserenden und reflektierender Membran und dgl.) weitestgehend auszuschalten. Bei solchen mit einer Membran ausgerüsteten Meßvorrichtungen kann es sich um Druckwandler, mit einer Bimetallvorrichtung ausgerüstete Temperaturmeßgeräte und dgl. handeln. Im wesentlichen ist vorgesehen, das Licht mit Hilfe in einem Ring angeordneter optischer Fasern auf die Membranoberfläche zu leiten, so daß dieses Licht in einem radialen Abstand x vom Membranmittelpunkt auf die Membran auftrifft. Das von der Membran reflektierte Licht wird daraufhin auf Sammelfasern verteilt, die in bestimmter Weise, beispielsweise 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 Lichtsammelfasern dar, nämlich die innen angeordneten Lichtsammelfasern. Die sich außen an die Lichtzuführfasern anschließenden Fasern stellen eine Anzahl zweiter optischer Lichtsammelfasern dar, nämlich die außen angeordneten Lichtsammelfasern. Die Membrandurchbiegung wird aus dem Verhältnis der Lichtintensitäten ermittelt, die in den innen angeordneten Lichtsammelfasern im Verhältnis zu den außen angeordneten Lichtsammelfasern 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 Refexionsvermögen der Membranoberfläche. Da weiterhin die Meßwertbestimmung, 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 Lichtsammelfasern 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 Lichtsammelfasern 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 Lichtsammelfasern aufgenommen werden, nachdem das Licht an einer nicht gekrümmten bzw. nicht durchgebogenen Membran reflektiert worden ist;

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

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

Fig. 7, 8+9 anhand schematischer Darstellungen weitere Ausführungsformen zur Anordnung der Lichtzuführfasern sowie der innen und außen angeordneten Lichtsammelfasern; 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 des Durchbiegungsmessers 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 dem über die Lichtzuführfasern zugeführten Licht 14, 16, werden nach Reflexion an der Membran 12 gleiche Lichtmengen von den innen angeordneten Lichtsammelfasern 18 und von den außen angeordneten Lichtsammelfasern 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 Reflexion an der Membran 21 größere Lichtmengen von den außen angeordneten Lichtsammelfasern 24 aufgenommen (als von den innen angeordneten Lichtsammelfasern). 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 Reflexion an der Membran 26 ein größerer Anteil von den innen angeordneten Lichtsammelfasern 28 aufgenommen (als von den außen angeordneten Lichtsammelfasern). Das heißt, die Meßvorrichtung bzw. der Durchbiegungsmesser kann sowohl den Betrag wie das Vorzeichen (Über- oder Unterdruck) des auf die Membran einwirkenden Druckes erfassen und anzeigen.

Eine vereinfachte Analyse der Grundlagen des Durchbiegungsmessers geht von der Annahme einer einzigen Lichtzuführfaser und von zwei Lichtsammelfasern 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 e 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 n₁ und deren Mantelmaterial der Brechungsindex n₂ zugeordnet ist. Diese Außenstrahlen OA und OB stellen diejenigen Strahlen dar, die unter dem kritischen Winkel (R_c=sin ^-1(n₂/n₁)) 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 angeordneten Lichtsammelfaser 28 reflektiert. Beschränkt man diese Analyse auf die Zeichenebene, dann ist die Intensität I_außen des in die außen angeordnete Sammelfaser 30 eintretenden Lichtes proportional zum Winkel α und damit der Strecke a, und die Intensität I_innen des in die innen angeordnete Sammelfaser 28 eintretenden Lichtes ist proportional zum Winkel β und damit zur Strecke b. Somit gilt für das Verhältnis dieser Lichtintensitäten:

I_außen/I_innen=(aRI_o)/bRI_o)=(r_o+z)/(r_o-z) Gleichung (1)

wobei gilt:
I_o = die Intensität des aus der Lichtzuführfaser austretenden Lichtes;
R = Reflexionsvermögen der Membran;
z = Abstand der Fasermittellinie von demjenigen Punkt, wo der Strahl OC aus der Lichtzuführfaser austritt; und
r_o = Radius der Lichtzuführfaser.

Bei einer kleinen Membranneigung dy/dx kann das Brechungsgesetz angewandt werden, wonach erhalten wird:

Weil Winkel R_c=sin^-1 (n₂/n₁), ist aus Gleichung 2 ersichtlich, daß das Verhältnis der Signalinntensitäten I_außen/I_innen lediglich von den Brechungsindices des Kernmaterials und des Mantelmaterials der Lichtzuführfaser und ferner von der Neigung der Membran abhängt. Damit ist das Verhältnis I_{außen/Iinnen} unabhängig vom Faserradius, vom Abstand des Faserendes, von der Membran, vom Reflexionsvermögen der Membran und von der Intensität, mit welcher das Licht aus der Lichtzuführfaser austritt; d. h., dieses Verhältnis I_außen/I_innen 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-μ²)P/(16 Yt³) Gleichung (3)

wobei gilt:
x = 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 x und setzt das erhaltene dy/dx in Gleichung (2) ein, so erhält man:

I_außen/I_innen=(l+AP)/(l-AP) Gleichung (4)

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

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 Ordnung in (AP) gilt dann:

P = ln (I_außen/I_innen)/2A Gleichung (6)

mit einem prozentualen Fehler von 33,3 (AP)². Sofern somit eine Membran gewählt wird, deren Wert für (AP)² sehr viel kleiner als 1 (1) ist, hängt der Druck linear vom Logarithmus des Verhältnisses von I_außen zu I_innen 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 geebaut 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 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 µm, und das Kernmaterial wies einen Brechungsindex n_l=1,62 auf. Dieser Kern war von einem 3,5 µm dicken Mantel eingehüllt; dieses Mantelmaterial hatte einen Brechungsindex n₂=1,52. Der Ring 40 aus Lichtzuführfasern hatte einen Radius x=402 µm. Dieses Faserbündel war mit Hilfe von Epoxyharz in eine 250 µm 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 µm dicken Polycarbonat-Folie erzeugt; diese Membran war längs ihres Umfangs eingespannt und wurde mittels Epoxyharz an einem Ende des Druckwandlersgehäuses 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_außen und I_innen wurden mittels Photodetektoren erfaßt, die mit einem elektronischen Schaltungsaufbau verbunden waren, um 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 Lichtsammelfasern hinaus reflektiert wurde. Für die vorliegende Vorrichtung ergab sich dieser maximale Abstand zu d=0,25 mm. Das Ausgangssignal ln (I_außen/I_innen) wurde dann als Funktion des Manometerdruckes 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 ln (I_außen/I_innen) tatsächlich linear mit dem Druck verändert. Die Auswertung dieser Meßergebnisse nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ergab für die Steigung der ermittelten Grade einen Wert von 250 Pa^-1 (0,035 psi^-1), woraus ein experimentell ermittelter Wert für A_exp=122 Pa^-1 (0,0175 psi^-1) resultiert. Der prozentuale Fehler in Gleichung (6) war zu 33,3 (AP)² 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 A_theory=111 Pa^-1 (0,0175 psi^-1), was dem experimentell bestimmten Wert recht nahekommt. Die geringe Abweichung zwischen A_theory und A_exp wird auf die Dicke des Ringes aus Lichtzuführungsfasern zurückgeführt. Während die einfache, oben wiedergegebene theoretische Analyse davon ausgeht, daß das gesasmte reflektierte Licht zu den Lichtintensitäten I_innen oder I_außen 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)/(I₃+I₁) wiedergegeben werden. Es ist festgestellt worden, daß diese Beziehung eine lineare Funktion bezüglich Veränderungen der Membrandurchbiegung darstellt.

Die Erfindung kann auch in anderen Ausführungsformen verwirklicht werden. Wie das beispielsweise anhand der Fig. 7 dargestellt ist, kann die 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 Lichtsammelfaser 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 Lichtsammelfasern, die Fasern 58 und 64 dienen als Lichtzuführfasern, und die Fasern 60 und 62 dienen als außen angeordnete Lichtsammelfasern, 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 die innen angeordneten Lichtsammelfasern dar. Der mittlere oder ringförmige Abschnitt 74 bildet daraufhin die Lichtzuführfasern, und der außen angeordnete ringförmige Abschnitt 76 faßt die außen angeordneten Lichtsammelfasern 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 Lichtsammelfasern 84 und 81, sowie den innen angeordneten Lichtsammelfasern 88 und 90 angeordnet. Sofern diese rechteckige Membran 78 durchgebogen oder abgelenkt wird, wird das reflektierte Licht von den innen und außen angeordneten Lichtsammelfasern 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.

Obwohl die oben beispielsweise beschriebene Ausführungsform eines Durchbiegungsmessers als Druckwandler hinsichtlich Abmessungen und Druckbereich für die medizinische in vivo Anwendung vorgesehen ist, hat der Durchbiegungsmesser allgemeinere Anwendungsmöglichkeiten. Wie oben dargelegt, hängen seine Empfindlichkeit und der optimale Druckbereich von der mit Gleichung (5) wiedergegebenen Konstante A ab, deren Wert einfach durch Veränderung des Membranmaterials und/oder der Membrandicke verändert werden kann. Zum Beispiel kann eine wesentlich größere Ausführungsform vorgesehen werden, die im Druckbereich von 0 bis 420 000 Pa (0-60 psi) arbeitet, und zwar unter Verwendung einer 0,03 mm dicken Silikon-Membran, die einen Durchmesser von 10,4 mm aufweist. Auch dabei ergibt sich ein lineares Druck-Ansprechverhalten mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,00087 in dem genannten Druckbereich von 0 bis 420 000 Pa.

Claims

1. Durchbiegungsmesser zur Erfassung einer Umgebungsbedingung, mit

- einer auslenkbaren Membran, deren Auslenkung von Änderungen der Umgebungsbedingungen abhängt,
- wenigstens einer, im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichteten Lichtzuführfaser, deren eines Ende im Abstand zu einer reflektierenden Seite dieser Membran angeordnet ist,
- wenigstens einer ersten, auf einer ersten Seite der Lichtzuführfaser angeordneten Lichtsammelfaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren erstes Ende im Abstand zu der reflektierenden Seite der Membran angeordnet ist,
- wenigstens einer zweiten, auf der anderen Seite der Lichtzuführfaser angeordneten Lichtsammelfaser, die im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet ist, und deren erstes Ende im Abstand zu der reflektierenden Seite der Membran angeordnet ist,
- wobei die ersten Enden der Lichtsammelfasern derartig angeordnet sind, daß bei nicht-durchgebogener Membran von der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser und der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser gleiche Lichtintensitäten erfaßt werden, und mit
- einer Lichtquelle, um Licht durch die Lichtzuführfaser zu leiten, das wenigstens teilweise an der reflektierenden Seite der Membran reflektiert wird und daraufhin von der ersten und zweiten Lichtsammelfaser aufgenommen wird und über deren zweite Enden einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten Enden der wenigstens einer ersten Lichtsammelfaser und der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser weiterhin derartig angeordnet sind, daß eine Membrandurchbiegung in der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser eine kleinere oder größere Lichtintensität als in der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser hervorruft; und
die Auswerteeinrichtung ein Verhältnis aus den Lichtintensitäten in der wenigstens einen ersten Lichtsammelfaser und in der wenigstens einen zweiten Lichtsammelfaser bildet.

2. Durchbiegungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtsammelfaser(n) und deren erste Enden in enger Nachbarschaft zu der Lichtzuführfaser und zu deren einem Ende angeordnet sind.

3. Durchbiegungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzuführfaser und deren eines Ende mittig zwischen der ersten Lichtsammelfaser und der zweiten Lichtsammelfaser und deren ersten Enden angeordnet sind.

4. Durchbiegungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Lichtzuführfaser und die ersten Enden der ersten und zweiten Lichtsammelfaser auf einer Geraden angeordnet sind.

5. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit jeweils mehreren Lichtzuführfasern und mehreren ersten und mehreren zweiten Lichtsammelfasern und mit einer Membran mit dem Radius r, dadurch gekennzeichnet, daß
drei konzentrisch zueinander angeordnete Ringe mit den Radien r₁, r₂ und r₃ vorhanden sind:
ferner gilt: r<r₃<r₂<r₁;
die einen Enden der Lichtzuführfasern entlang dem Ring mit dem Radius r₂ angeordnet sind;
die ersten Enden der ersten Lichtsammelfasern entlang dem Ring mit dem Radius r₁ angeordnet sind; und
die ersten Enden der zweiten Lichtsammelfasern entlang dem Ring mit dem Radius r₃ angeordnet sind.

6. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lichtzuführfaser und mindestens eine erste und zweite Lichtsammelfaser zu je einer Gruppe zusammengefaßt sind, und eine Anzahl solcher Gruppen symmetrisch über die durchbiegbare Seite der Membran verteilt angeordnet sind.

7. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzuführfaser(n) und die ersten und zweiten Lichtsammelfaser(n) Multimode-Fasern sind.

8. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzuführfaser(n) und die ersten und zweiten Lichtsammelfaser(n) eine Kombination aus Monomode- und Multimode-Fasern darstellen.

9. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse zur Aufnahme der Lichtzuführfaser(n) und der ersten und zweiten Lichtsammelfaser(n) vorhanden ist.

10. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umgebungsbedingung : Druck die Membran für eine Druckmessung ausgelegt ist.

11. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran Bestandteil eines Bimetallstreifens ist, der mit einer Membrandurchbiegung auf Änderungen der Umgebungstemperatur anspricht.

12. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung in Form eines Rechners ausgebildet ist, der als Ausgangssignal den Ausdruck ln (I₁/I₂) erzeugt, wobei I₁ für die Lichtintensität in der ersten Lichtsammelfaser und I₂ für die Lichtintensität in der zweiten Lichtsammelfaser stehen.

13. Durchbiegungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung in Form eines Rechners ausgebildet ist, der als Ausgangssignal den Ausdruck (I₂-I₁)/(I₂+I₁) erzeugt, wobei I₁ für die Lichtintensität in der ersten Lichtsammelfaser und I₂ für die Lichtintensität in der zweiten Lichtsammelfaser stehen.

14. Durchbiegungsmesser nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung und Bemessung, daß das Ausgangssignal eine lineare Funktion der Änderung der Membranauslenkung darstellt.