Многоточечный многопараметрический волоконно-оптический датчик бокового освещения
Изобретение относится к спектральным многоточечным многопараметрическим оптоволоконным датчикам бокового освещения, не требующим чувствительной оболочки. Датчик содержит оптоволокно, у которого обнажена область оболочки как область зондирования. Источник света зондирования освещает волокно сбоку. Чувствительное оптоволокно подвергается оптическому воздействию среды измеряемой величины, которая может флуоресцировать, светиться, поглощать и/или рассеивать свет зондирования. Этот свет зондирования проводится сердцевиной волокна к датчику, который измеряет силу света, и эта сила света связывается с измеряемой величиной. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение интенсивности двойного светового сигнала, повышение точности определения местонахождения области детектирования в веществе с высоким пространственным разрешением. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 25 ил.
ГЛАВНЫЕ ССЫЛКИ К ДАННОМУ ЗАЯВЛЕНИЮ
[01] Это заявление требует выгоды американского Временного Заявления №61/148,564, зарегистрировано 30 января 2009.
ИНФОРМАЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ГОСУДАРСТВЕННОЙ ФИНАНСОВОЙ ПОДДЕРЖКИ
[02] Не поддерживается
ССЫЛКА НА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
[03] Не требуется СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[04] В своей основе данное изобретение относится к спектральным оптоволоконным датчикам, в частности, оно касается рассеивающих, поглощающих, анализирующих цвет, флуоресцентных и фосфоресцирующих датчиков.
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[05] Спектральные оптоволоконные датчики могут использоваться для определения напряжения, давления, температуры, химического состава, помутнения, цвета и других измеряемых величин. Существуют два отдельных метода работы датчиков: датчик с одной чувствительной точкой на конце волокна и способ распределенного обнаружения.
[06] Датчик с одной чувствительной точкой на конце волокна - самый простой тип оптоволоконных датчиков, который состоит из индикатора, расположенного на одном конце оптоволокна, источника света и датчика на другом. Оптическое излучение проходит через волокно и взаимодействует с индикатором, производя спектральный сигнал (флюоресценция, фосфоресценция, и/или поглощение). Затем сигнал возвращается назад, измеряется датчиком и связывается с измеряемым параметром. В данном случае, волокно имеет единственную чувствительную область в одном из своих концов и служит только в качестве проводника света, который распространяется без рассеивания от одного конца волокна до индикатора и назад.
[07] В способе, основанном на распределенном измерении, все волокно или его часть действует и как проводник для сигнала, и как датчик. В этом способе возможно применение волокна со сплошной оболочкой, чувствительной к параметру измерений, а также волокна с несколькими чувствительными оболочками, отделенными друг от друга. Независимо от подхода, зондируемые области могут быть исследованы светом в волокне, что даст в результате многоточечный квазираспределенный считывающий прибор. Если распределенному датчику достаточно одного волокна для нескольких пространственных измерений, то датчик с одной чувствительной точкой на конце волокна требует нескольких волокон. Поэтому преимущество распределенного зондирования состоит в том, что можно сделать несколько пространственных измерений при помощи единственного устройства.
[08] Области зондирования распределенного волоконно-оптического датчика могут быть исследованы двумя различными способами: в осевом направлении или в направлении, перпендикулярном оси волокна; последний случай (поперечное зондирование), считается преимущественным режимом работы.
[09] Осевой метод широко используется в волоконно-оптических датчиках, при этом свет вводится в один конец волокна вдоль его оси и взаимодействует с окружающей оболочкой, уменьшая свою интенсивность. Оболочка в этом случае, поглощает рассеянный свет, при этом отраженный сигнал (который может быть обнаружен с обоих концов волокна) либо поглощается, либо рассеивается.
[10] Однако у этого типа регистрации, относящегося к осевому зондированию, есть серьезные недостатки. Например, взаимодействие между излучением и чувствительной оболочкой очень слабо и требует дорогих инструментов (таких как источник большой мощности, дорогая схема обнаружения и/или очень длинное оптоволокно) для обнаружения получившегося сигнала. Кроме того, в зависимости от расположения, юстировка источника света (такого как лазер) с осью волокна требует тщательной обработки.
[11] Schwabacher и др., международный номер публикации WO 2001/71316 ('316), названной "Одномерные Порядки Зондирования на Оптоволокне", (также, Доступный №7244572 Соединенных Штатов, опубликован 17 июля 2007), демонстрирует линейку химических сенсоров, расположенных вдоль оптоволокна, каждая область которых является чувствительной к химическим образцам. Каждая последовательная область реагента отделена существенно инертной областью, такой как оболочка. У этой существенно инертной области должна быть минимальная длина, предпочтительно 250 см. В публикации '316 описаны осевые и поперечные методы возбуждения, причем осевой метод является предпочтительным.
[12] При реализации способа в исследовании '316 используется узкий осевой лазерный импульс, чтобы ввести оптическое излучение в оптическое волокно. Каждая область реагента отделена минимальным расстоянием вдоль волокна от совсем инертной части между активными областями. Эта относительно длинная инертная область необходима для того, чтобы предотвратить наложение флуоресцентных следов из последовательных областей реагента. Оптическое излучение из источника (такого как лазер, лазерный диод, газовый лазер, лазер на красителе, твердотельный лазер, СИД, и т.д.), введено в осевом направлении к оптоволокну, а затем поступает к областям взаимодействия с реагентом.
[13] Чтобы определить, какая именно область волокна-реагента среди многих производит сигнал, должна быть точно известна временная задержка между импульсом излучения и сигналом возвращения, связанная с расстоянием до источника отражения, т.е. до определенной области волокна-реагента. Такое определение требует измерения времени, расстояния и длины волны при помощи точных инструментов, таких как осциллограф и фотоэлектронный умножитель. Такие измерения для множества образцов требуют чрезвычайно большой длины волокна, что приводит к увеличению размеров и сложности прибора. Кроме того, точные датчики могут значительно увеличить стоимость прибора.
[14] Оптическое излучение также может быть введено посредством волокна, вводящим излучение в область волокна-реагента, расположенную на измерительном волокне, что требует осевого ввода излучения в волокно возбуждения. При реализации способа на одну область волокна-реагента требуется одно волокно возбуждения, вводящее оптическое излучение поперек измерительного волокна-реагента.
[15] Другой способ требует использования разветвителей пучка (полупрозрачных зеркал), чтобы отвести излучение поперек волокна-реагента. Техника расщепления пучка требует дорогих мощных лазеров, так как большое количество разветвителей уменьшает интенсивность оптического излучения, отклоняя его в сторону чувствительного покрытия волокна-реагента.
[16] Еще в одной реализации, из маленьких областей вдоль возбуждающего волокна удаляется его оболочка и эти области устанавливают рядом с чувствительными областями волокна-реагента на соседнем измерительном волокне, что позволяет слабому излучению возбуждающего волокна воздействовать в перпендикулярном направлении на измерительное волокно. Недостатком способа является то, что переменное излучение затухающих колебаний волокна возбуждения очень слабо, поэтому с волокна возбуждения к измерительному волокну попадает излучение небольшой мощности. Кроме того, описаны другие методы осевого и поперечного возбуждения. Однако эти методы были, в общем, экономически не выгодны.
[17] Хотя реализации, описанные в публикации '316, считаются эффективными, их использование ограничено сложностью, производственной себестоимостью и трудоемкостью. Чтобы обеспечить периодические области реагента и инертных (неактивных) областей, оболочка должна быть удалена только в активных областях волокна-реагента, без повреждения остающихся инертных областей. Это периодическое удаление оболочки увеличивает стоимость и сложность массового производства такого волокна, ограничивая автоматизацию его производства.
[18] Известны и другие методы, используемые в промышленности, которые требуют использования дорогих приборов, таких как оптический рефлектометр временного интервала (ОРВИ). Стоимость ОРВИ в США превышает 3000$, что существенно увеличивает стоимость любой системы, которая использует осевую технику оптического излучения. Кроме того, спектральная ширина длины световой волны для систем ОРВИ ограничена, что, соответственно, ограничивает выбор реактивов, которые могут использоваться с датчиком. Дополнительный недостаток существующих систем - это помехи, обнаруженные ОРВИ и вызванные случайными изгибами волокна и его физическими неоднородностями. Именно они могут изменить показатель преломления волокна. Кроме того, существующие методы имеют малое пространственного разрешения - примерно 10 см. Для современных волоконно-оптических датчиков необходимо более высокое пространственное разрешение.
[19] В то время как поперечное зондирование чувствительной области волокна-реагента оказалось лучшим методом, способным произвести существенный полезный сигнал, предшествующие способы были не в состоянии обеспечить эти и другие преимущества. Боковое освещение, если оно должным образом осуществлено, позволяет зондировать очень маленькие области чувствительного волокна (волокна-реагента), что приводит к возможности регистрации датчиком, имеющим очень высокое пространственное разрешение, множества точек (чувствительных областей), расположенных вдоль волокна. Например, высокое пространственное разрешение в 5 мм может привести к десяти пунктам зондирования для каждых 5 см волокна. Это обеспечивает большое количество датчиков на одном волокне. Высокое пространственное разрешение также предпочтительно в условиях сильного колебания температуры и/или изменения концентрации химического вещества вдоль оптического волокна. Контроль ионов хлорида в конкретных материалах, служит примером того, как зондирование может быть реализовано в дискретных небольших областях вдоль волокна. Предыдущие попытки не обеспечили более простую технику освещения, приводящую к рентабельной цене, высокой износоустойчивости и широкому распространению метода. Кроме того, более значимо то, что предшествующие методы были не в состоянии обеспечить следующий полезный эффект: волоконно-оптический датчик бокового освещения без химического индикатора в его оболочке может обнаружить определенные параметры среды.
[20] Существует необходимость и востребованность преодолеть те и другие недостатки и/или проблемы предшествующих методов на основе следующих положений, но неограниченных ими:
а. недорогой источник света зондирования, который может обеспечить высокое пространственное разрешение волоконно-оптическому датчику, на уровне 5 мм или меньше, что позволит точно определить местоположение зондирования;
b. эффективная оптическая схема волоконно-оптического датчика, в которой можно использовать недорогие, коммерчески доступные компоненты, изготовление которых возможно автоматизированными методами;
с. устройство должно быть универсальным для использования в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитных волн;
d. адаптивное высокостабильное регистрирующее устройство, простое в применении, и на которое не влияют внешние воздействия, такие как изгиб и освещенность (яркость) окружающей среды;
е. необходим адаптивный регистратор, приспособленный для регистрации различных измеряемых величин;
f. интенсивный, в то же время экономичный источник зондирования волокна для флуоресцентного и поглощающего света, который может обеспечить мощный легко обнаруживаемый сигнал;
g. модульное системное проектирование измерительного прибора, который может быть легко модернизирован в связи с развивающейся технологией; и
h. система регистрации, которая не требует химического индикатора, нанесенного на поверхность волокна, для регистрации (контроля) данной измеряемой величины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[21] Описанные выше недостатки исключаются данным изобретением. Данное изобретение предоставляет двухсторонний, недорогой, распределенный, износоустойчивый волоконно-оптический датчик с высоким пространственным разрешением, в котором не используется никакой химический индикатор. Описаны различные типы оболочки активного волокна. Данное изобретение может использоваться в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитных волн. Источник света данного изобретения обеспечивает интенсивное, и все же, рентабельное средство для того, чтобы зондировать окружающую среду, связанную с волокном, и производит мощный сигнал, который может быть легко обнаружен. Данное изобретение может использоваться с источниками света, имеющими различные длины волн, каждая из которых чувствительна к определенному измеряемому параметру. Данное изобретение может постоянно обновляться новыми источниками света зондирования, новыми чувствительными элементами и цифровыми интерфейсами.
[22] Идея данного изобретения в общем случае включает оптоволокно, имеющее множественные участки без оболочки, а также источник оптического зондирования или излучения, электропитание, регистратор сигнала, сигнальный процессор и дисплей. Источник оптического зондирования или излучения может находиться в прямой оптической связи с областью зондирования оптического волокна, а также на расстоянии от области зондирования, которое может составлять несколько метров. Оптическое волокно может использоваться в качестве чувствительного элемента для определения измеряемой величины среды, включая такие параметры, как цвет, помутнение, флюоресценция, спектральное поглощение, концентрация химических веществ, показатель преломления и любые другие свойства, которые оптически однозначно связаны с этими измеряемыми величинами.
[23] Волоконно-оптический датчик освещен светом зондирования с внешней стороны, под некоторым углом. Свет зондирования взаимодействует с областью оптоволокна, которая во время зондирования изменяет его, создавая световой сигнал, который подвергнут воздействию измеряемой величины. Световой сигнал входит в оптоволокно и поступает к датчику, который находится в осевой оптической связи с другим концом волокна. Датчик связывает интенсивность светового сигнала с электрическим сигналом. Электрический сигнал передается к сигнальному процессору, и связывается с измеряемой величиной (цвет, помутнение, показатель преломления, концентрация химических веществ, и т.д. Связанная величина передается и показывается на дисплее.
[24] Вся область, или ее часть, окружающая сердцевину оптоволокна, чувствительны к окружающей среде и/или измеряемым химическим веществам. В отличие от способа, предложенного Эгалоном (американский патент №7473906), наличие чувствительной легирующей примеси не обязательно. Показания волокна-реагента являются взаимно-однозначно связаны с измеряемой величиной.
[25] В предпочитаемой конфигурации источник света зондирования - ультрафиолетовый светодиод, который расположен рядом с оптоволокном и освещает его чувствительную область. Хотя могут использоваться и другие источники света, ультрафиолетовый светодиод предпочитаем по нескольким причинам. Во-первых, ультрафиолетовый светодиод - это недорогой и легкодоступный источник излучения, который уменьшает себестоимость волоконно-оптического датчика. Во-вторых, с помощью недавних светодиодных технологий была увеличена интенсивность и уменьшен размер ультрафиолетового светодиода, что позволяет сформировать узкий, интенсивный световой луч. Кроме того, непосредственная близость расположения ультрафиолетового светодиода к оптоволокну создает увеличенную интенсивность светового сигнала, что позволяет использовать недорогие датчики, такие как кремниевые фоторегистраторы. Наконец, маленький размер светодиода позволяет освещать небольшие области оболочки в нескольких местах вдоль длины волокна. Это дает несколько независимых точек зондирования с высоким пространственным разрешением. Этот способ также учитывает точное местонахождение точки детектирования в веществе, показывая пространственное изменение измеряемой величины с очень высоким разрешением вдоль волокна.
[26] Еще один способ может включать отражатель на втором конце 118 оптоволокна напротив датчика, увеличивая световой сигнал посредством отражения распространяющихся мод к датчику.
[27] Кроме того, возможно использование чувствительного оптоволокна с конусообразной сердцевиной, расходящейся в сторону датчика, так как световой сигнал распространяется от чувствительной области оптоволокна к датчику. Основное преимущество такой схемы состоит в том, что она позволяет связывать больше света в сердцевине волокна, чем обычное цилиндрическое оптоволокно. В заостренном оптоволокне излучение видимой области спектра, которое в противном случае рассеялось бы из сердцевины волокна, собирается в него как связанные волны с малыми потерями и распространяется на более длинные расстояния. Это волокно может быть сконструировано с использованием вышки для формирования заостренной формы. Кроме того, это волокно может быть сформировано из стекла вручную (выдуто).
[28] Множество источников света можно поместить в ряд вдоль обнаженной сердцевины оптоволокна, где все источники света постоянно, одновременно или независимо излучают свет зондирования под углом к сердцевине оптоволокна. В действительности, длина этого ряда соответствует длине области зондирования оптоволокна. Такое расположение эффективно для увеличения общей интенсивности света, заключенного в оптоволокне.
[29] Еще один способ - оптоволокно освещения вместо светодиодного источника для того, чтобы зондировать измерительное волокно в отдельных областях. Волокно освещения создается включением в него нескольких диэлектрических зеркал, которые размещены вдоль измерительного волокна. Каждое зеркало, помещено под углом 45 градусов, предназначено для отражения света с определенной длиной волны, λi, от пучка, заключенного в волокне освещения, в сторону измерительного волокна. Эти длины волн, λi, находятся в пределах спектра поглощения среды измерительного волокна. Изменяя длину волны входного света, можно зондировать разные области в заданных местоположениях вдоль волоконного датчика, таким образом, создавая систему зондирования с улучшенным разрешением.
[30] В этом случае, свет от широкополосного источника проходит через монохроматор, который сканирует длины волны в пределах спектра поглощения среды волокна-реагента. Когда монохроматор настроен на длину волны λi, только диэлектрическое зеркало, настроенное на эту длину волны, отклоняет свет к чувствительному оптоволокну, и освещенная область соответствует положению этого конкретного диэлектрического зеркала. Эту процедуру можно провести и для других длин волн.
[31] Можно использовать оптоволокно с сердцевиной, содержащей примеси, которые усиливают сигнал из чувствительной области. Этот способ работает подобно оптоволоконному усилителю. В таком случае, сигнал от чувствительного покрытия связывается в сердцевине волокна. При этом активная сердцевина возбуждается светом, измененным чувствительным покрытием, усиливая исходный сигнал. Затем усиленный сигнал поступает к датчику. Эта схема удобна при использовании длинных волокон.
[32] Данное изобретение, как и его дополнительные реализации, может использоваться в среде, которая содержит вещества, проявляющие флуоресценцию, поглощающие или рассеивающие свет. Например, концентрация хлорофилла в воде может быть определена возбуждением ее флюоресценции источником ультрафиолетового света. Концентрация вещества в жидкости может быть определена посредством измерения цвета после использования колориметрической реакции. Химическое вещество также может быть определено использованием нескольких источников света с различными пиками длины волны, которые совпадают с характеристикой поглощения химиката. Помутнение может быть определено боковым освещением волокна любой длиной волны и измерением интенсивности собранного света.
[33] Данное изобретение разработано с целью существенного расширения возможностей методики, открытой Эгалоном (американский Патент # 7473906) дальнейшего улучшения систем волоконно-оптического зондирования, прежде всего, помещая поперек источник света, такого как светодиод ультрафиолетового или видимого спектра, непосредственно рядом или на расстоянии от чувствительной области волокна-реагента. Такое расположение увеличивает интенсивность двойного светового сигнала, уменьшает сложности и производственные затраты, и, используя светодиоды небольших размеров, позволяет точно определять местонахождение области детектирования в веществе с высоким пространственным разрешением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[34] На ФИГ.1А изображена блок-схема, иллюстрирующая принцип работы данного изобретения и его возможностей распределенного обнаружения, в которой вещество, определяемое при анализе, является флуоресцентным или фосфоресцирующим. На этом изображении источник света зондирования (100), в правой стороне рисунка, зондирует образец (93) в измерительной среде измерительным волокном (98), часть оболочки которого в соответствующих областях зондирования (92) была удалена.
[35] ФИГ.1В - блок-схема, иллюстрирующая работу данного изобретения и его возможностей распределенного обнаружения, в которой определяемое при анализе вещество, является или флуоресцентным или фосфоресцирующим. На этом рисунке источник света зондирования (100'), размещенный слева, зондирует вещество (93') в среде, связанной с измеряемой величиной, которая расположена в соответствующей области зондирования источника (92').
[36] ФИГ.1C - блок-схема, иллюстрирующая работу данного изобретения, когда сердцевина оптоволокна (106) расположена между веществом, определяемым при анализе, (93) и источником света зондирования (100).
[37] ФИГ.2А - блок-схема, иллюстрирующая работу данного изобретения, когда вещество, определяемое при анализе, или поглощает или рассеивает излучение, приходящее от источника света. В этом случае вещество (93) находится между источником излучения (100) и сердцевиной оптоволокна (106).
[38] ФИГ.2В - блок-схема, иллюстрирующая работу данного изобретения, для которого вещество, определяемое при анализе, или поглощает или рассеивает излучение, приходящее от источника света. В этом случае сердцевина оптоволокна (106) находится между источником света зондирования (100) и определяемым веществом (93).
[39] ФИГ.3А - график измерений датчиком концентрации нитрата натрия.
[40] ФИГ.3В - график измерений датчиком концентрации ионов Калия. Эта кривая - также мера помутнения.
[41] ФИГ.4А - иллюстрация использования датчика ФИГ.2а и 2b в качестве устройства для измерения уровня жидкости или поверхности раздела между различными жидкостями. В этом случае, уровень жидкости (176) выше одной (92а) из областей зондирования (92).
[42] ФИГ.4В - иллюстрация как датчик ФИГ.2а и 2b может использоваться в качестве устройства измерения уровня жидкости. В этом случае уровень жидкости (176) ниже одной (92а) из областей зондирования (92).
[43] ФИГ.5А - альтернативная схема измерительного волокна (98') с оригинальной оболочкой (116).
[44] ФИГ.5В - дополнительное воплощение измерительного волокна (98') с химически активной или чувствительной пленкой (99), покрытой на оригинальную оболочку волокна.
[45] ФИГ.6А - вид сбоку оригинального волокна (96).
[46] ФИГ.6В - вид сбоку измерительного волокна-реагента, с удаленными областями оболочки оптоволокна 116 и защитного чехла 101.
[47] ФИГ.6С - вид сбоку альтернативной схемы воплощения измерительного волокна данного изобретения, с отражателем (122) во втором конце измерительного волокна (98).
[48] ФИГ.7 - вид сбоку дополнительного воплощения измерительного волокна данного изобретения, с конической сердцевиной (107).
[49] ФИГ.8 - вид сбоку дополнительного воплощения измерительного волокна данного изобретения, с рядом (138) из светодиодов (100а).
[50] ФИГ.9 - вид сбоку дополнительного воплощения измерительного волокна (98) данного изобретения, с двумя светодиодами (100а и 100а') одновременно освещающими различные точки зондирования (92).
[51] ФИГ.10А - иллюстрация, показывающая оптоволокно освещения с 45 градусными концами. Свет от источника света зондирования (100) вводится в осевом направлении.
[52] ФИГ.10В - иллюстрация, показывающая оптоволокно освещения с 45 градусными концами. Свет от источника света зондирования (100, 100', 100") вводится в бок оптоволокна, допуская конфигурацию разветвителя N×1 с единственным волокном.
[53] ФИГ.11А - иллюстрация, показывающая работу оптоволокна освещения, сделанного из Брэгговских решеток с длинным периодом. Свет введен в осевом направлении.
[54] ФИГ.11В - иллюстрация, показывающая работу оптоволокна освещения, сделанного из Брэгговских решеток с длинным периодом. Свет введен в бок оптоволокна, допускающий конфигурацию ответвителя N×1 с единственным волокном.
[55] ФИГ.12А - иллюстрация, показывающая работу оптоволокна освещения, сделанного из нескольких вложенных диэлектрических зеркал 180. Свет введен в осевом направлении.
[56] ФИГ.12В - иллюстрация, показывающая работу оптоволокна освещения, сделанного из нескольких вложенных диэлектрических зеркал 180. Свет введен в бок оптоволокна, позволяющего конфигурацию разветвителя N×1 с единственным волокном.
[57] ФИГ.13 - блок-схема системы обнаружения в данном изобретении.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[58] Далее подробно описана лучшая из рассмотренных реализованных моделей изобретения. Это описание не должно восприниматься в ограничивающем смысле, а сделано с целью демонстрации общих принципов нескольких воплощений изобретения. Подробное описание, сформулированное ниже, вместе с приложенными рисунками, описывает привилегированные схемы изобретения, и не ограничивает единственные формы, в которых данное изобретение может быть построено и/или использовано. В описании формулируются функции и последовательность шагов создания и работы изобретения вместе с иллюстрированными воплощениями. Однако нужно понимать, что те же самые или эквивалентные функции и процесс создания могут быть достигнуты различными воплощениями, которые также предполагалось охватить в пределах области изобретения.
[59] Блок-схему измерительного волокна 98 показано на ФИГ.1А. Соответственно, источник света зондирования 100 освещает с внешней стороны под углом область зондирования 92 измерительного волокна 98. Источник света зондирования 100 имеет длину волны, производящую флюоресценцию/фосфоресценцию на веществе, определяемом при анализе 93, которое находится в области зондирования 92. Под воздействием излучения от источника света зондирования 100 (освещающий свет показанный стрелками), вещество, определяемое при анализе 93, расположено рядом с сердцевиной оптоволокна 106, производит флюоресценцию, которая попадает в сердцевину оптоволокна 106 как оптический сигнал 104 в форме затухающих и связанных волн. Источник света зондирования 100, находящийся в оптической связи с сердцевиной оптоволокна 106, присоединен к источнику электропитания 114, который подводит к нему напряжение.
[60] Флюоресценция 104а, собрана в сердцевине оптоволокна 106, проводится к датчику 108, такому как кремниевый фотодетектор, который связывает силу света флюоресценции 104а с выходным электрическим сигналом. Этот электрический сигнал передается к сигнальному процессору 110, такому как экспонометр, через кабель фотодетектора 112. В сигнальном процессоре 110 сигнал усиливается, и показывается его оптическая интенсивность. Интенсивность, считанная сигнальным процессором 110, связывается с концентрацией измеряемого вещества 93, которое окружает сердцевину оптоволокна 106.
[61] Чтобы зондировать другую точку 92', рядом с источником света зондирования 100' измерительного волокна 98, и достигнуть зондирования с улучшенным разрешением (см. ФИГ.1В), источник света зондирования 100' можно активировать отдельным электропитанием 114.
[62] Такая схема может использоваться, когда определяемое вещество 93 находится между источником света зондирования 100 и сердцевиной оптоволокна 106 (ФИГ.1А и 1В), когда оно с другой стороны от сердцевины (ФИГ.1C), и когда оно полностью или частично окружает волокно.
[63] Датчик для хлорофилла (определяемое вещество 93), растворенного в воде (связанная с измеряемой величиной среда в точке зондирования 92), является практическим примером вышеупомянутой схемы. В данном случае, хлорофилл флуоресцирует при освещении источником света зондирования 100 с надлежащей длиной волны. Эта флюоресценция попадает в сердцевину волокна как оптический сигнал 104, и его интенсивность является мерой концентрации хлорофилла вокруг сердцевины волокна.
[64] Подобный подход может также использоваться для оптоволоконных датчиков, которые базируются на поглощении, изменении цвета и рассеивании как показано на ФИГ.2А и 2В. Таким образом, источник света зондирования 100 освещает с внешней стороны под углом область зондирования 92 измерительного волокна 98. Источник света 100 имеет длину волны, которая поглощается или рассеивается определяемым при анализе веществом 93, которое расположено рядом с областью зондирования волокна 92. Источник света зондирования 100 присоединен к источнику электропитания 114, который подводит к нему напряжение.
[65] Освещаясь источником света зондирования 100 (свет изображен стрелками), определяемое вещество 93, растворенное в среде связанной с измеряемой величиной, рядом областью зондирования 92, и в контакте с сердцевиной оптоволокна 106, поглощает свет от источника света зондирования 100. Остающийся свет попадает в сердцевину оптоволокна 106 как оптический сигнал 104 в форме затухающих и связанных волн и идет к датчику 108, который регистрирует силу света, связанную с концентрацией измеряемого вещества.
[66] Обращаясь далее к ФИГ.2А и 2В, связанная с измеряемой величиной среда, расположенная рядом с областью зондирования волокна 92, может также быть результатом колориметрической реакции между определяемым веществом 93 и химическим реактивом. Среда, связанная с измеряемой величиной, освещенная источником света зондирования 100 (осветительный свет показан стрелками), рядом с областью зондирования 92, контактируя с сердцевиной оптоволокна 106, поглощает излучение от источника света зондирования 100. Остающийся свет собирается в сердцевину оптоволокна 106 как оптический сигнал 104, в форме затухающих связанных волн, и идет к датчику, который считывает силу света связанную с концентрацией определяемого вещества.
[67] Снова обращаясь к ФИГ.2А и 2В, связанная с измеряемой величиной среда, рядом с точкой зондирования на волокне 92, может содержать частицы, которые рассеивают свет от источника света зондирования 100 (осветительный свет, показанный стрелками). Этот рассеянный свет заключен в середину оптоволокна 106 как оптический сигнал 104, в форме затухающих и связанных волн, и ведется к датчику, который считывает силу света, которая связана с измеряемой величиной, такой как помутнение.
[68] В любом случае, излучение от источника света зондирования 100 изменяется окружающей средой, собирается в сердцевину оптоволокна 106 как оптический сигнал 104, в форме затухающих связанных волн, и ведется к датчику 108, такому как кремниевый фотодетектор, который связывает силу поглощенного света с выходным электрическим сигналом. Этот электрический сигнал передается к сигнальному процессору 110, такому как экспонометр, через кабель фотодетектора 112. В сигнальном процессоре 110 сигнал усиливается, и отображается его оптическая интенсивность. Затем, интенсивность, считанная сигнальным процессором 110, связывается с концентрацией химических элементов окружающих измерительное волокно 98 или первоначально присутствующих в еще непрореагировавшей среде. Как и прежде, распределенное обнаружение можно получить, освещая область зондирования 92' волокна другим источником света 100'. Эта схема может использоваться для вещества, определяемого при анализе 93, или с прореагировавшей средой, связанной с измеряемой величиной, в области зондирования 92, между источником света зондирования 100 и сердцевиной оптоволокна 106, как показано в ФИГ.2А, а также с определяемым веществом или прореагировавшей средой с другой стороны сердцевины (ФИГ.2В).
[69] Схему, показанную на ФИГ.2А и 2В, можно использовать в качестве колориметра, чтобы обнаружить различные химические элементы, а также в качестве измерителя помутнения, и как рефрактометр для обнаружения уровня жидкости.
[70] Есть несколько колориметрических реакций, которые могут использоваться, чтобы обнаружить различные параметры, такие как рН фактор, концентрации железа, нитрата, фосфата, и аммиака. Особый пример - коммерчески доступный комплект проверки Фосфата, 3466, от LaMotte Company, Честертон, Мэриленд, США. В этом испытательном комплекте берется образец воды с растворенной таблеткой реактива. В этом образце появляется цвет, который может использоваться для определения концентрации химических элементов. В данном изобретении этот цветной раствор, расположенный в области зондирования 92, с содержанием определяемого вещества 93, которое прореагировало с таблеткой реактива, может быть помещен в контакт с сердцевиной оптоволокна 106. Раствор в точке зондирования 92 может быть освещен со стороны источником белого света 100b, или любым другим соответствующим светом с различной длиной волны. Поглощенный свет собирается в сердцевину волокна, и его интенсивность измеряется датчиком 108.
[71] Другой пример - коммерчески доступный комплект для обнаружения Нитрата, 3473, от вышеупомянутой LaMotte Company. В этом испытательном комплекте берется водный образец, в котором растворена таблетка реактива. Как и прежде, в водном образце образуется цвет, и измеряется интенсивность света, попавшего в волокно, от освещения образца белым светом. Интенсивность этого сигнала для различных концентраций нитрата натрия показана на ФИГ.3А. Эти данные N=50 (число значений) связываются линейным уравнением с коэффициентом корреляции R=0.9868. Используя Критические значения Коэффициента корреляции Пирсона r, точность этого коэффициента составляет больше чем 99%.
[72] Измеритель помутнения был продемонстрирован в схеме датчика на ФИГ.2В. ФИГ.3В - данные, полученные с этой схемой. В этом случае, помутнение использовалось для определения концентрации иона калия в образце раствора через известный натрий тетрафенилборатный (ТФБ) метод, используя ТФБ в качестве реактива. Используя этот метод, 8 мл растворов различных концентраций хлорида калия (KCl), разбавленных в отношении 1:5, были смешаны с двумя каплями реактива гидроокиси натрия с металлическими ингибиторами и 0.05 граммами ТФБ. После того как произошла реакция между ионами калия и ТФБ, раствор в области зондирования 92 становится мутным и, будучи в контакте с сердцевиной оптоволокна 106, освещается источником белого света 100b. Количество света, собранного в среду оптоволокна 106, вследствие рассеяния образцом в точке зондирования 92, измеряется фотодатчиком 108а. Интенсивность этого сигнала для различных концентраций ионов калия показывают в ФИГ.3В. Нужно отметить, что после добавления реактива ТФБ в оригинальную среду, она становится мутной и по мере увеличения в ней концентрации иона калия помутнение также становится выше. В результате сигнал, рассеиваемый раствором, увеличивается. Этот график был интерполирован линейной кривой по 6 точках, приводящих к очень высокому коэффициенту корреляции R=0.96. Используемые концентрации были 50, 100, 200, 300 и 400 промилле иона калия. Используя Критические значения Коэффициента корреляции Пирсона, точность этого результата составляет более чем 99% (таблицы А-6 Трайолу, 2007) (см. М.Ф.Трайолу, "Элементарная Статистика", 10-ый Выпуск, Пирсон/Эддисон Уэсли, 2007). Этот эксперимент проводился несколько раз, приводя к таким же значениям точности. Другой способ проверить этот датчик помутнения при использовании стандарта помутнения, например, "Formazin", куплен в" Formazin Calibration Kit" от Hach Company, Ловленд, Колорадо, США (Выпуск каталога датировался 2008-2009).
[73] Конфигурации на ФИГ.2А и 2В могут также использоваться в качестве недорогого рефрактометра, для обнаружения уровня жидкости в замкнутом пространстве. Например, обращаясь к ФИГ.2В, среда, связанная с измеряемой величиной в области зондирования 92 может быть бензином, водой или воздухом. Когда область зондирования 92 окружена воздухом, интенсивность сигнала, регистрируемая датчиком 108, равна, например, 989 единицами. Когда область зондирования окружена водой, регистрируемая интенсивность равна 500 единицами. ФИГ.4А и 4В иллюстрируют, как этот датчик может использоваться в качестве датчика уровня жидкости. На ФИГ.4А и 4В показано измерительное волокно 98 во внутренней части контейнера 172, погруженное в жидкость 174 с поверхностью раздела 176. Выше уровня жидкости находится воздух 178. Измерительное волокно 98 присоединено к линейному множеству светодиодов 138. Когда область зондирования, связанная с источником света зондирования 100, погружена в жидкость 174, сигнал, обнаруженный датчиком 108, и регистрируемый датчиком 111, ФИГ.4А, слабее, чем сигнал, регистрируемый тем же самым датчиком на ФИГ.4В. Этот результат показывает, что более высокие показания сигнала указывают, что область зондирования находится выше уровня жидкости, тогда как более низкие показания указывают, что эта область ниже уровня жидкости. Эта процедура может быть повторена к остальным точкам зондирования, чтобы определить уровень жидкости.
[74] Альтернатива вышеупомянутым схемам показана на ФИГ.5А. В этом примере оригинальная оболочка измерительного волокна 98' сохранена (то есть, не удалена), и освещена с внешней стороны источником света зондирования 100. Волокно в точке зондирования 92 при этом окружено средой связанной с измеряемой величиной. Поскольку эта конфигурация не требует удаления оболочки волокна, производство датчика упрощено. Это же волокно в оболочке может использоваться вместе с химически активной пленкой 99, нанесенной на оригинальную оболочку (см. ФИГ.5В). У этой пленки есть индикатор, который чувствителен к определенным химическим элементам.
[75] Нужно отметить, что все описанные конфигурации датчика волокна, за исключением ФИГ.5В, не требуют химического индикатора, нанесенного на волокно, и более просты, чем тот, который был предложен Элагоном (американский патент №7473906).
[76] Источники света зондирования в конфигурациях, показанных на ФИГ.1, 2, 5 и 8, могут также быть заменены диодами, которые излучают на нескольких длинах волн. Эти светодиоды могут использоваться для зондирования единственной точки на трех различных длинах волны и обнаруживать несколько параметров в области зондирования.
[77] Во всех описанных воплощениях есть различные способы произвести измерительное волокно 98. Для самого простого метода требуется коммерчески доступное оптоволокно 96а с наличием сердцевины 106, внешнего защитного чехла 101 и оболочки оптоволокна 116 ФИГ.6А. Как изображено на ФИГ.6В, защитный чехол 101 и оболочка оптоволокна 116 удалены в отдельных областях, выбранных для зондирования измеряемого вещества (например, нитрата). Есть несколько коммерчески доступных оптических волокон 96а, подходящих для этой задачи, в том числе стеклянные и пластмассовые волокна. Предпочтительно, чтобы у такого волокна был большой диаметр сердцевины 106, от 1 мм до 1.5 мм, чтобы обеспечить измерительному волокну 98 высокую сигнальную выходную мощность, хотя волокна других диаметров тоже могут приводить к приемлемым результатам.
[78] Используя волокно со стеклянной сердцевинной 106а (например, см. ФИГ.6А), пластмассовой оболочкой 116а, и пластмассовым чехлом 101а, измерительное волокно 98 может быть произведено из оригинального волокна 96. Это делается, удалением отдельных областей пластмассовой оболочки и чехла (см. ФИГ.6А) в предполагаемых областях зондирования. Удаление может быть сделано любым химическими средствами, механическими средствами (с помощью скальпеля), или с помощью источника тепла, который сжигает защитный чехол 101 и пластмассовою оболочку 116а. С помощью любого из этих методов стеклянная сердцевина 106а получает непосредственный контакт с внешней окружающей средой. В результате получается область зондирования 92 волокна как показано в рисунке 6b. Хотя на этой иллюстрации показана единственная очищенная область зондирования 92, могут быть обнажены несколько областей, а при необходимости и вся сердцевина оптоволокна 106.
[79] Коммерчески доступное пластмассовое оптоволокно, такое как Raytela® PBFU-FB1000 (Raytela® - зарегистрированная торговая марка Торея Кэбушики Кэйши (Toray Industries, Inc.) корпорация) Токио, Япония, может использоваться для создания датчика. У этого волокна есть пластмассовая сердцевина и оболочка, но нет чехла. Удаление оболочки может быть сделано с использованием ацетона с помощью процедуры, описанной в статье Д.Ф.Мерчант, П.ДЖ.Скалли и Н.Ф.Шмитт "Химическая обработка оптического полотна полимера", Датчики и приводы, издание 76, стр. 365-371, 1999.
[80] Еще одна схема, ФИГ.6С, включает отражатель 122 во втором конце 118 измерительного волокна 98 напротив датчика 108, для усиления светового сигнала посредством обратного отражения волн 124 к датчику 108, который расположен в первом конце волокна 120, усиливая флуоресцентный, поглощающийся или рассеянный сигнал.
[81] Еще одна схема, показанная на ФИГ.7, предполагает использование измерительного волокна 98а с конической сердцевиной 107, расходящейся в сторону датчика, поскольку флюоресценция 104а, как было показано, распространяется от пункта зондирования 92 к датчику 108. Показана поверхность раздела 128 между заостренной сердцевиной и оболочкой. Преимущество этой схемы в том, что она собирает больше света в сердцевину оптоволокна 106, чем другие конфигурации и, в результате чего усиливает сигнал измерительного волокна 98. Излучение, которое в обычной сердцевине оптоволокна 106 рассеялось бы, собирается в волокне с конической сердцевиной 107, как слабозатухающие волны, и распространяются на более длинные расстояния. Это волокно может быть сконструировано с использованием вышки для формирования заостренной формы. Другой метод заключается в вытягивании цилиндрической заготовки с переменной скоростью для создания заострения в волокне. Кроме того, это волокно может быть сформировано из стекла вручную (выдуто). Еще можно заострить пластмассовое оптоволокно, используя процедуру, обрисованную в общих чертах Мерчантом и др., на которую ссылались выше.
[82] В еще одном воплощении, как показано на ФИГ.8, множество источников света, таких как ультрафиолетовые светодиоды 100а, установлены в опоре оптоволокна 134 линейно вдоль измерительного волокна 98. Все источники света зондирования 100 одновременно излучают в сердцевину оптоволокна 106 (см. ФИГ.1А, 1В, 1С, 2А, 2В, 5А и 5В). Длина линейного множества светодиодов 138 соответствует главным образом "продолжительности точки зондирования 92 измерительного волокна 98 (как показано в ФИГ.1А, 1В, 1С, 2А, 2В, 5А и 5В). Такое расположение может использоваться для увеличения полного сигнала измерительного волокна 98. Разъем оптоволокна 132 обеспечивает защиту до конца измерительного волокна 98, предотвращая поломку, и позволяя установить конец измерительного волокна 98 рядом сдатчиком 108 (также например см. ФИГ.1А, 1В, 1С, 2А, 2В, 5А и 5В). Поочередно включая и выключая каждый светодиод 100а, можно зондировать отельные точки зондирования 92, тем самым получая волокно 98 с улучшенным распределением.
[83] Источник электропитания 114 (см. ФИГ. 1А, 1В, 1С, 2А, 2В, 5А и 5В), разработан таким образом, чтобы они не превышали текущие ограничения светодиодов 100а. Коммерчески доступные источники питания светодиодов могут использоваться в качестве электропитания для источника, такого как светодиодный источник питания разработки Sandhouse (Sandhouse Design LLC, Данидин, Флорида, США).
[84] ФИГ.9А - иллюстрация простого подобного спектрометру устройства, которое использует несколько точек зондирования (92, 92', 92", …) освещенного со стороны чувствительного оптоволокно (98) с датчиком (108), чтобы определить данное вещество (93) в точках зондирования (92). Каждая точка зондирования (92) освещена соответствующим источником света зондирования (100, 100', …) с различными пиками длин волны, λi. Когда каждая из этих точек исследуется, по очереди, датчик регистрирует сигнал источника света (100). Отображая ответ датчика на каждый источник различной пиковой длины волны, из-за поглощения определяемым веществом (93), мы получаем недорогое устройство, которое работает как простой спектрометр. Разрешение этого устройства, подобного спектрометру, зависит от ширины полосы длин волн, Δλi каждого источника света зондирования (100).
[85] ФИГ.9В - иллюстрация еще одной схемы, где у измерительного волокна (98) есть по крайней мере две области зондирования (92), которые одновременно освещены соответствующими светодиодами (100а). Эти светодиоды излучают на различных длинах волн, одновременно определяя измеряемые величины, исследуемые в их соответствующих областях зондирования, спектрометром (108с), расположенным в конце оптоволокна (120).
[86] В дополнение к ранее описанным схемам, возможны альтернативные реализации этих схем освещения. Например, светодиоды 100а могут быть заменены полосой органических светодиодов. Органические светодиоды могут быть выложены в полоску, над которой установлен оптоволоконный датчик.
[87] ФИГ.10А показывает схему, для которого используется оптоволокно освещения 144, чтобы зондировать точку 92 (см. ФИГ.2А и 2В) измерительного волокна 98. В этом случае, оптоволокно освещения 144 служит световодом для света освещения 150, а оптоволокно освещения 144 размещено параллельно измерительному волокну 98. Оптоволокно освещения 144 имеет отражающую поверхность на дальнем конце 148 под углом приблизительно 45 градусов (могут быть и другие углы), которая отражает свет 150 к области зондирования измерительного волокна 98. Однако углы кроме 45 градусов будут работать при условии, что свет направлен к области зондирования. В этой схеме освещение производится источником света зондирования 100 в ближнем конце волокна 152, и вводится в осевом направлении. Положение отражающей поверхности на 148 на дальнем конце, может изменяться для зондирования различных точек измерительного волокна 98, или могут использоваться несколько волокон освещения, каждое зондирующее определенную область измерительного волокна 98.
[88] ФИГ.10В иллюстрирует альтернативное воплощение ФИГ.10А, в котором несколько зондирующих источников света, 100, 100', 100", и т.д., освещают со стороны оптоволокно освещения 144. Это - привилегированная схема, так как она учитывает множественное одновременное освещение оптоволокна освещения 144 несколькими источниками света. Это также упрощает волокно освещения, так как не требует ни точной юстировки источников, ни использования линз для фокусировки света в маленький дальний конец волокна 152. Для этой конкретной конфигурации оптоволокна освещения 144, оно предпочтительно должно быть освещено в точке, где отсутствует оболочка. Освещение оптоволокна освещения 144 производится так же, как и освещение измерительного волокна 98. Кроме того, в этом случае, оптоволокно освещения 144 действует как простой N×1 разветвитель, для которого требуется единственное волокно.
[89] Еще одно дополнительное воплощение, как видно из ФИГ.11А, использует оптоволокно освещения 154 с наличием нескольких Брэгговских решеток с длинными периодами 156. Это волокно освещения 154 также расположено вдоль измерительного волокна 98 и освещает несколько его точек с помощью Брэгговской решетки с длинными периодами 156. Решетки каждого определенного периода 156 предназначены для отклонения света из связанного пучка волн 158 в оптоволокне освещения 154 в моды 162 конкретных длин волн, λi, в пределах спектра поглощения исследуемой области. В этом случае, свет от широкополосного зондирующего источника света 100, проходит через монохроматор 160, который сканирует волны с длиной волны в пределах спектра поглощения измеряемой области измерительного волокна 98. Когда монохроматор 160 настроен на длину волны λi, только отдельна решетка с определенным периодом 156 настроенный на эту длину волны направляет свет в измерительное волокно 98, и освещенный участок соответствует положению этой решетки с определенным периодом 156. Процедуру можно повторить для других длин волны. Она же, как обрисовано в общих чертах на ФИГ.11В, может использоваться для схемы, показанной на ФИГ.11А, где источники света зондирования 100, 100' и 100" помещены рядом с волокном освещения (см. ФИГ.11В). В этом случае, каждый источник света зондирования 100, 100' и 100" может быть выбран, чтобы излучать волны с различными длинами волны, на которые настроены решетки в волокне освещения 154.
[90] Еще две схемы волокна освещения проиллюстрированы на ФИГ.12А и 12В с учетом осевого освещения со стороны. В этом случае, волокно освещения 157 произведено с несколькими вставленными диэлектрическими зеркалами 180, помещенными под углом 45 градусов. Каждое вставленное диэлектрическое зеркало предназначено для отражения света с отдельной длинной волны, λi (например, λ1, λ2 и λ3), в направлении области зондирования 92 измерительного волокна 98. Это волокно работает так же, как и волокно освещения, сделанное из Брэгговских решеток, с той лишь разницей, что оно более дешево в производстве. Эти длины волны, λi, могут поглощаться средой, связанной с измеряемой величиной, окружающей измерительное волокно 98 в точке зондирования 92 (см. ФИГ.1А, 1В и 1С). Изменяя длину волны входного света, можно зондировать разные точки, в известных местоположениях вдоль волоконного датчика, таким образом создавая систему зондирования с улучшенным распределением.
[91] В обоих случаях ФИГ.11А и 12В, монохроматор может быть заменен множеством монохроматических источников света, такими как светодиоды и лазеры.
[92] Система зондирования, показанная на ФИГ.13, включает кремниевый фотодетектор 108b в светонепроницаемом пространстве 109, кабель фотодетектора 112, штырьковый разъем 164 и регистратор 111. Штырьковый разъем 164 связан с гнездом 168 регистратора 111. Фотодетектор 108а установлен в светонепроницаемом пространстве 109, который может быть присоединен к оптоволоконному разъему, показанным в ФИГ.8. Проводники датчика связаны с кабелем, который передает фотоэлектрический сигнал к цепи усиления. Цепь усиливает сигнал, и его интенсивность показывается на дисплее 170 регистратора 111. Есть несколько коммерчески доступных систем обнаружения, которые могут использоваться в данной конструкции, такие как фотометр модели АЕМС СА811 (Chauvin Arnoux®, Inc. d.b.a. AEMC®, Фоксборо, Массачусетс, США, Модуль Фотодиода Hamamatsu Corporation C10439 (Фотоника Хамамацу, К.К. Размещенный в городе Хамамацу, Япония и наличии филиала, Hamamatsu Corporation, Бриджуотер, Нью-Джерси, США), и модель точечного детектора разработки Sandhouse SPD-UV/VIS (Бриджуотер, Нью-Джерси).
[93] Данное изобретение, в его различных формах, может иметь много применений, включая контроль помутнения и цвета раствора, концентрации хлорофилла, уровень жидкости и прочее.
[94] Хотя данное изобретение было описано в отдельных реализациях, надо понимать, что могут быть разработаны его дополнительные вариации без отступления от заявляемой концепции. Много усовершенствований, модификаций, и дополнений будут очевидны для квалифицированного специалиста, без отступлений от описанных здесь идей данного изобретения, и определенных в следующей формуле изобретения.
Численные обозначения
| 92 | Область зондирования, обнаженная область сердцевины | 111 | Регистратор |
| 92а | Конкретная область зондирования | 112 | Кабель фотодетектора |
| 93 | Определяемое вещество, среда измеряемой величины | 114 | Источник электропитания |
| 96 | Новое оптоволокно | 116 | Оболочка оптоволокна |
| 96а | Коммерческое оптоволокно | 116а | Пластмассовая Оболочка |
| 98 | Измерительное волокно, измерительное оптоволокно | 118 | Второй конец оптоволокна |
| 98а | Датчик оптоволокна с заостренной сердцевиной | 120 | Первый конец оптоволокна |
| 99 | Химически активная пленка, Чувствительная пленка | 122 | Отражатель |
| 100 | Источник зондирующего света | 124 | Моды, распространяющиеся в обратном направлении |
| 100а | Светодиод | 128 | Поверхность раздела между заостренной сердцевиной и оболочкой |
| 100b | Источник белого света | 132 | Разъем присоединения оптоволокна |
| 101 | Защитный чехол | 134 | Опора оптоволокна |
| 101a | Пластмассовый чехол | 138 | Светодиодная линейка |
| 104 | Оптический сигнал | 144 | Оптоволокно освещения |
| 104a | Флюоресценция | 148 | Отражающая поверхность на конце |
| 106 | Сердцевина оптоволокна, сердцевина, | 150 | Освещающий свет |
| 106а | Стеклянная сердцевина | 152 | Ближний конец волокна |
| 107 | Заостренная сердцевина | 154 | Оптоволокно освещения с несколькими Брэгговскими решетками с длинным периодом |
| 108 | Датчик | 156 | Брэгговские решетки с длинным периодом |
| 108а | Фотодетектор | 157 | Волокно освещения с вложенными диэлектрическими зеркалами. |
| 108b | Кремниевый фотодетектор | 158 | Связанная волна в оптоволокне освещения |
| 108с | Спектрометр | 160 | Монохроматор |
| 109 | Замкнутое светонепроницаемое пространство | 162 | Моды излучения |
| 110 | Сигнальный процессор | 164 | Штырьковый разъем фотодетектора |
| 168 | Гнездо считывающего прибора | 176 | Поверхность жидкости |
| 170 | Дисплей | 178 | Воздух |
| 172 | Контейнер | 180 | Вложенное диэлектрическое зеркало |
| 174 | Жидкость |
1. Система зондирования, содержащая: измерительное оптоволокно (98),
имеющее первый (120) и второй (118) конец и сердцевину (106),
конфигурированное таким образом, чтобы его можно было разместить в окружающей среде, содержащей люминесцирующие, фосфоресцирующие, флуоресцирующие, рассеивающие или поглощающие свет вещества,
и имеющее по меньшей мере одну оголенную область сердцевины (92), размещаемую в прямом контакте с окружающей средой и работающую как чувствительная область волокна, в которой упомянутое измерительное оптоволокно подвергается оптическому воздействию со стороны окружающей среды;
и по меньшей мере один источник (100) света зондирования, излучающий свет зондирования, который взаимодействует со средой с измеряемым параметром в окружающей среде упомянутой области зондирования для формирования измененного света зондирования по существу посредством упомянутого взаимодействия со средой с измеряемым параметром в окружающей среде,
при этом упомянутый измененный свет зондирования освещает оптоволокно сбоку и по существу подается в упомянутую сердцевину как оптический сигнал (104).
2. Система зондирования по п. 1, также включающая
датчик (108), оптически связанный с упомянутым первым концом (120) упомянутого измерительного оптоволокна для приема светового сигнала после возбуждения упомянутого первого конца (120), для того, чтобы измерять интенсивность светового сигнала в заданном диапазоне длин волн и связывать эту интенсивность с электрическим сигналом.
3. Система зондирования по п. 2, включающая
сигнальный процессор (110), связанный с упомянутым датчиком (108), посредством которого электрический сигнал связывается с измеряемой величиной.
4. Система зондирования по п. 3, содержащая дисплей, связанный с упомянутым сигнальным процессором, и источник (114) электропитания для передачи энергии упомянутым источнику света зондирования, сигнальному процессору и дисплею.
5. Система зондирования по п. 3, содержащая дисплей, связанный с упомянутым сигнальным процессором, и источник (114) электропитания для передачи энергии упомянутым источнику света зондирования, датчику, сигнальному процессору и дисплею.
6. Система зондирования по п. 1, в которой:
упомянутое измерительное оптоволокно имеет по меньшей мере две области с удаленной оболочкой (92) с по меньшей мере одной оголенной областью сердцевины (92) в прямом контакте с окружающей средой, чтобы обеспечить по меньшей мере две чувствительные области;
упомянутый источник света зондирования освещает каждую чувствительную область индивидуально, по одной; и
упомянутый свет зондирования оптически взаимодействует индивидуально с окружающей средой в каждой упомянутой чувствительной области, так что формируется измененный свет зондирования, и на каждое такое изменение по существу влияет среда (93) с измеряемым параметром в окружающей среде.
7. Система зондирования по п. 1, в которой:
упомянутое измерительное оптоволокно имеет по меньшей мере две области с удаленной оболочкой (92) с по меньшей мере одной оголенной областью сердцевины (92) в прямом контакте с окружающей средой, чтобы обеспечить по меньшей мере две чувствительные области;
упомянутый источник света зондирования освещает каждую чувствительную область одновременно; и
упомянутый свет зондирования оптически взаимодействует с окружающей средой в каждой упомянутой чувствительной области, так что формируется измененный свет зондирования, и на каждое такое изменение по существу влияет среда (93) с измеряемым параметром в окружающей среде.
8. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутый источник света зондирования освещает каждую чувствительную область индивидуально, по одной.
9. Система зондирования по п. 1, в которой источник света допускает расположение на любом расстоянии от упомянутой чувствительной области, достаточном для ее освещения.
10. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутая область обнаружения не содержит химических индикаторов.
11. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутое измерительное оптоволокно (98) включает свою оригинальную оболочку (116).
12. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутое измерительное оптоволокно (98) включает чувствительную пленку (99) поверх упомянутой оригинальной оболочки волокна.
13. Система зондирования по п. 1, в которой среда с измеряемым параметром характеризируется или цветом, или помутнением, или определяемым при анализе веществом, или показателем преломления.
14. Система зондирования по п. 1, в которой окружающая среда расположена между упомянутой сердцевиной волокна и источником света и/или позади сердцевины волокна.
15. Система зондирования по п. 1, где упомянутая сердцевина волокна окружена упомянутой окружающей средой.
16. Система зондирования по п. 1, в которой оптическое взаимодействие света зондирования со средой с измеряемым параметром приводит в результате к поглощению света, или рассеиванию, или флюоресценции, или фосфоресценции, или хемилюминесценции.
17. Система зондирования по п. 13, в которой упомянутое определяемое при анализе вещество химически взаимодействует с окружающей средой, тем самым вызывая изменение в цвете окружающей среды.
18. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутое измерительное оптоволокно содержит рефрактометр, чтобы обеспечить различение окружающих сред с различными показателями преломления.
19. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутое измерительное оптоволокно функционирует для определения уровня жидкости, находящейся в контакте с датчиком.
20. Система зондирования по п. 1, которая является многоточечным оптоволоконным датчиком, в котором каждая точка зондирования способна обнаруживать различные измеряемые величины.
21. Система зондирования по п. 1, которая является многоточечным оптоволоконным датчиком, в котором каждая точка зондирования освещается множеством источников света с различными длинами волн для обнаружения множества измеряемых величин.
22. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутый свет зондирования передается оптоволокном освещения, которое имеет множество диэлектрических зеркал (180) и помещено параллельно упомянутому измерительному оптоволокну, упомянутые диэлектрические зеркала освещают под углом упомянутую чувствительную область измерительного оптоволокна в дискретных местах, источник света зондирования вводит свет зондирования в монохроматор, который фильтрует свет зондирования с получением заданной длины волны, свет зондирования с заданной длиной волны вводится в осевом направлении в оптоволокно освещения, свет зондирования с заданной длиной волны распространяется к соответствующим ему диэлектрическим зеркалам, имеющим аналогичные характеристики длины волны, и заданное диэлектрическое зеркало перенаправляет свет зондирования под углом к чувствительной области измерительного волокна, при этом каждое диэлектрическое зеркало предназначено для подачи света из сердцевины оптоволокна освещения со связанными модами в виде излучаемых мод на конкретной длине волны, и излучаемые моды с конкретной длиной волны освещают упомянутую чувствительную область.
23. Система зондирования по п. 1, в которой у оптоволокна освещения удалена оболочка по меньшей мере в одной его области, и упомянутая область с удаленной оболочкой освещается множеством источников света зондирования, которые подают свет в сердцевину волокна освещения как связанные и вытекающие моды, чтобы осветить упомянутое измерительное волокно.
24. Система зондирования по п. 1, в которой каждая упомянутая чувствительная область освещается множеством источников света с различной длиной волны, чтобы измерять одну измеряемую величину.
25. Волокно (144) освещения, включающее
оптоволокно, имеющее первый (120) и второй (118) концы, сердцевину (106) и по меньшей мере одну оголенную область (92) сердцевины, и по меньшей мере один источник (100) света зондирования, при этом упомянутый свет зондирования освещает сбоку упомянутую оголенную область сердцевины и по существу подается в упомянутую сердцевину как свет освещения.
26. Волокно освещения по п. 25, содержащее коническую сердцевину (107), расходящуюся в одном из направлений распространения света, чтобы увеличить количество света освещения, который распространяется в этом направлении.
27. Волокно освещения по п. 25, имеющее коническую сердцевину (107), расходящуюся в обоих направлениях распространения света, для увеличения количества света, распространяющегося в обоих направлениях.
28. Волокно освещения по п. 25, имеющее по меньшей мере одно диэлектрическое зеркало (180) и по меньшей мере одну дифракционную решетку с длинным периодом вдоль его длины для перенаправления света от упомянутого источника света зондирования в конкретном диапазоне длин волн за пределы волокна освещения.
29. Волокно освещения по п. 26, также содержащее по меньшей мере одно диэлектрическое зеркало (180) и по меньшей мере одну дифракционную решетку с длинным периодом вдоль его длины, каждые из которых способны перенаправлять свет от упомянутого источника света зондирования в конкретном диапазоне длин волн за пределы упомянутого волокна освещения.
30. Волокно освещения по п. 27, содержащее по меньшей мере одно диэлектрическое зеркало (180) и по меньшей мере одну дифракционную решетку с длинным периодом вдоль каждого направления распространения света, при этом диэлектрическое зеркало и дифракционная решетка с длинным периодом способны перенаправлять свет от упомянутого источника света зондирования в конкретном диапазоне длин волн за пределы упомянутого волокна освещения.
31. Система зондирования по п. 1, содержащая коническую сердцевину (107), расходящуюся в направлении распространения света для увеличения оптического сигнала, который направляется к концу волокна.
32. Система зондирования по п. 2, включающая второй датчик (108), оптически связанный с упомянутым вторым концом (118) оптоволокна для приема светового сигнала после выхода из упомянутого второго конца (118), для измерения интенсивности светового сигнала в заданном диапазоне длин волн и для связывания этой интенсивности с электрическим сигналом.
33. Система зондирования по п. 22, с отсутствием монохроматора, в которой по меньшей мере одна область упомянутого волокна освещения имеет удаленную оболочку, и эта область с удаленной оболочкой освещается сбоку множеством источников света зондирования, которые посылают их свет в сердцевину волокна освещения в виде связанных и вытекающих мод для того, чтобы осветить упомянутое измерительное волокно.
34. Система зондирования по п. 1, в которой упомянутая система зондирования представляет собой многоточечный оптоволоконный датчик, в котором каждая точка зондирования освещается одновременно множеством источников света с различными длинами волны, чтобы обнаружить множество измеряемых величин.
35. Способ измерения свойства вещества, включающий: обеспечение наличия системы по п. 3;
приложение по меньшей мере одного вещества, которое нужно исследовать, по меньшей мере к одной оголенной области сердцевины;
включение по меньшей мере одного источника света зондирования, чтобы осветить по меньшей мере одну оголенную область сердцевины;
обнаружение и измерение света, испускаемого из конца оптоволокна упомянутой системы; и
сопоставление результата измерения света с ранее полученными результатами измерения для веществ с известными свойствами.
