BR102022007001A2

BR102022007001A2 - CONTAMINATION SENSOR, SYSTEM FOR DETECTING CONTAMINANTS, AND CONTAMINANT DETECTION METHOD

Info

Publication number: BR102022007001A2
Application number: BR102022007001-6A
Authority: BR
Inventors: Gary Halama
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc.
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-07-11

Abstract

Trata-se de um sensor de contaminação para uma janela de observação de sensor óptico que inclui uma fonte, dois prismas, um detector e um controlador. A fonte pode emitir um feixe de luz colimado em um ângulo de incidência maior que um ângulo crítico de uma interface entre um fluido e a janela. A janela tem um índice de refração maior que o índice de refração do fluido. Os prismas podem direcionar o feixe de luz colimado dentro da janela de modo que o feixe de luz colimado reflita dentro de uma zona de detecção de contaminação da janela. O detector pode receber o feixe de luz colimado. O controlador pode se comunicar com a fonte e o detector. O controlador pode calcular uma razão de emissão/detecção definida por uma diferença entre uma quantidade de luz emitida pela fonte e uma quantidade de luz que passa da fonte para o detector por uma refletância interna total da janela.

It is a contamination sensor for an optical sensor observation window that includes a source, two prisms, a detector and a controller. The source can emit a beam of light collimated at an angle of incidence greater than a critical angle of an interface between a fluid and the window. The window has a refractive index greater than the refractive index of the fluid. The prisms can direct the collimated light beam within the window so that the collimated light beam reflects within a contamination detection zone of the window. The detector can receive the collimated light beam. The controller can communicate with the source and detector. The controller may calculate an emission/detection ratio defined by a difference between an amount of light emitted by the source and an amount of light passing from the source to the detector by a total internal reflectance of the window.

Description

CONTAMINATION SENSOR, SYSTEM FOR DETECTING CONTAMINANTS, AND CONTAMINANT DETECTION METHOD

BASICS OF THE INVENTION

[001] A presente divulgação se refere geralmente a sensores e mais especificamente a sensores ópticos para aeronaves.[001] The present disclosure generally refers to sensors and more specifically to optical sensors for aircraft.

[002] Os sensores ópticos usados em uma aeronave terão uma janela para visualizar o ambiente externo. Esta janela está exposta aos elementos do lado de fora da aeronave e pode ficar obscurecida por sujeira, fluido de degelo da aviação, graxa, óleo, combustível, gotas de água, gelo ou outros contaminantes. Contaminantes na superfície de uma janela de observação podem reduzir drasticamente a precisão e a confiabilidade das leituras feitas com um sensor óptico. As janelas de observação de sensores ópticos atuais não usam sensores para medir a limpeza da janela, exigindo inspeções manuais da superfície externa da janela enquanto a aeronave não estiver em uso. Outras aplicações de sensores de contaminação monitoram apenas uma pequena área da janela total.[002] Optical sensors used in an aircraft will have a window to view the external environment. This window is exposed to the elements outside the aircraft and may be obscured by dirt, aviation de-icing fluid, grease, oil, fuel, water droplets, ice or other contaminants. Contaminants on the surface of an observation window can drastically reduce the accuracy and reliability of readings taken with an optical sensor. Current optical sensor observation windows do not use sensors to measure window cleanliness, requiring manual inspections of the window's outer surface while the aircraft is not in use. Other contamination sensor applications only monitor a small area of the total window.

SUMMARY

[003] De acordo com um aspecto da presente invenção, um sensor de contaminação para uma janela de observação de sensor óptico inclui uma fonte, um primeiro prisma, um segundo prisma, um detector e um controlador. A fonte é configurada para emitir um feixe de luz colimado em um ângulo de incidência que é maior que um ângulo crítico de uma interface entre um fluido e a janela de observação do sensor óptico. A janela de observação do sensor óptico é feita de um material com um índice de refração maior que o índice de refração do fluido. A fonte é configurada para comunicar dados de emissão sobre o feixe de luz colimado com o controlador. O primeiro e o segundo prismas estão em contato com a janela de observação do sensor óptico. O primeiro prisma é configurado para direcionar o feixe de luz colimado para a janela de observação do sensor óptico de modo que o feixe de luz colimado reflita entre uma primeira superfície da janela de observação do sensor óptico e uma segunda superfície da janela de observação do sensor óptico dentro de uma zona de detecção de contaminação da janela de observação do sensor óptico. O segundo prisma está localizado ao longo de um caminho de feixe do feixe de luz colimado. O segundo prisma é configurado para receber o feixe de luz colimado após o feixe de luz colimado ter sido refletido entre a primeira superfície da janela de observação do sensor óptico e a segunda superfície da janela de observação do sensor óptico dentro da zona de detecção de contaminação da janela de observação do sensor óptico. O detector é configurado para receber o feixe de luz colimado do segundo prisma e comunicar os dados de refletância sobre o feixe de luz colimado com o controlador. O controlador é configurado para calcular uma razão de emissão/detecção que é definida por uma diferença entre uma quantidade de luz que é emitida pela fonte e uma quantidade de luz que passa da fonte para o detector por uma refletância interna total da janela de observação de sensor óptico.[003] According to one aspect of the present invention, a contamination sensor for an optical sensor observation window includes a source, a first prism, a second prism, a detector and a controller. The source is configured to emit a beam of light collimated at an angle of incidence that is greater than a critical angle of an interface between a fluid and the observation window of the optical sensor. The observation window of the optical sensor is made of a material with a refractive index greater than the refractive index of the fluid. The source is configured to communicate emission data about the collimated light beam with the controller. The first and second prisms are in contact with the observation window of the optical sensor. The first prism is configured to direct the collimated light beam toward the observation window of the optical sensor so that the collimated light beam reflects between a first surface of the observation window of the optical sensor and a second surface of the observation window of the sensor. optical sensor within a contamination detection zone of the optical sensor observation window. The second prism is located along a beam path of the collimated light beam. The second prism is configured to receive the collimated light beam after the collimated light beam has been reflected between the first surface of the optical sensor observation window and the second surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone. of the optical sensor observation window. The detector is configured to receive the collimated light beam from the second prism and communicate reflectance data about the collimated light beam to the controller. The controller is configured to calculate an emission/detection ratio that is defined by a difference between an amount of light that is emitted by the source and an amount of light that passes from the source to the detector by a total internal reflectance of the observation window. optical sensor.

[004] De acordo com outro aspecto da presente invenção, um sistema para detectar contaminantes em uma janela de observação de sensor óptico inclui a janela de observação de sensor óptico e o sensor de contaminação descrito acima.[004] According to another aspect of the present invention, a system for detecting contaminants in an optical sensor observation window includes the optical sensor observation window and the contamination sensor described above.

[005] De acordo com ainda outro aspecto da presente invenção, um método de detecção de contaminantes em uma janela de observação de sensor óptico inclui emitir, com uma fonte, um feixe de luz colimado em um ângulo de incidência que é maior que um ângulo crítico de uma interface entre um fluido e a janela de observação do sensor óptico. A janela de observação de sensor óptico é feita de um material que tem índice de refração maior que o índice de refração do fluido. Um primeiro prisma em contato com a janela de observação do sensor óptico direciona o feixe de luz colimado. O feixe de luz colimado é refletido entre uma primeira superfície da janela de observação do sensor óptico e uma segunda superfície da janela de observação do sensor óptico dentro de uma zona de detecção de contaminação da janela de observação do sensor óptico. Um segundo prisma, que está em contato com a janela de observação do sensor óptico e está localizado ao longo de um caminho de feixe do feixe de luz colimado, recebe o feixe de luz colimado que foi refletido entre a primeira superfície da janela de observação do sensor óptico e a segunda superfície da janela de observação do sensor óptico dentro da zona de detecção de contaminação da janela de observação do sensor óptico. Um detector recebe o feixe de luz colimado do segundo prisma. Os dados de emissão sobre o feixe de luz colimado são comunicados entre a fonte e um controlador. Os dados de refletância sobre o feixe de luz colimado que foi refletido dentro da zona de detecção de contaminação são comunicados entre o detector e o controlador. O controlador calcula uma razão de emissão/detecção que é definida por uma diferença entre uma quantidade de luz que é emitida pela fonte e uma quantidade de luz que passa da fonte para o detector por uma refletância interna total da janela de observação de sensor óptico.[005] According to yet another aspect of the present invention, a method of detecting contaminants in an optical sensor observation window includes emitting, with a source, a beam of light collimated at an angle of incidence that is greater than an angle critical of an interface between a fluid and the observation window of the optical sensor. The optical sensor observation window is made of a material that has a refractive index greater than the refractive index of the fluid. A first prism in contact with the observation window of the optical sensor directs the collimated light beam. The collimated light beam is reflected between a first surface of the optical sensor observation window and a second surface of the optical sensor observation window within a contamination detection zone of the optical sensor observation window. A second prism, which is in contact with the observation window of the optical sensor and is located along a beam path of the collimated light beam, receives the collimated light beam that was reflected between the first surface of the observation window of the optical sensor and the second surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone of the optical sensor observation window. A detector receives the collimated beam of light from the second prism. Emission data about the collimated light beam is communicated between the source and a controller. Reflectance data about the collimated light beam that was reflected within the contamination detection zone is communicated between the detector and the controller. The controller calculates an emission/detection ratio that is defined by a difference between an amount of light that is emitted by the source and an amount of light that passes from the source to the detector by a total internal reflectance of the optical sensor observation window.

BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES

[006] A Figura 1 é um diagrama de traço de raio simplificado de raios de luz que refletem através de uma janela.[006] Figure 1 is a simplified ray trace diagram of light rays reflecting through a window.

[007] A Figura 2A é um diagrama de traço de raio de raios de luz que refletem através de uma janela sem contaminação.[007] Figure 2A is a ray trace diagram of light rays reflecting through an uncontaminated window.

[008] A Figura 2B é um diagrama de traço de raio de raios de luz que refletem através de uma janela que tem esguicho de água sobre a superfície.[008] Figure 2B is a ray trace diagram of light rays reflecting through a window that has water splashing on the surface.

[009] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma janela retangular com bordas polidas e dois prismas.[009] Figure 3 is a perspective view of a rectangular window with polished edges and two prisms.

[0010] A Figura 4A é um diagrama de traço de raio de vista lateral de um raio central que reflete através da janela retangular da Figura 3.[0010] Figure 4A is a side view ray trace diagram of a central ray reflecting through the rectangular window of Figure 3.

[0011] A Figura 4B é um diagrama de traço de raio de vista frontal de um raio central que reflete através da janela retangular da Figura 3.[0011] Figure 4B is a front view ray trace diagram of a central ray reflecting through the rectangular window of Figure 3.

[0012] A Figura 4C é uma vista de topo de um diagrama de traço de raio central de um raio central que reflete através da janela retangular da Figura 3.[0012] Figure 4C is a top view of a central ray trace diagram of a central ray reflecting through the rectangular window of Figure 3.

[0013] A Figura 5A é um diagrama de traçado de raios de vista lateral de uma zona de detecção de contaminação da janela retangular da Figura 3.[0013] Figure 5A is a side view ray tracing diagram of a contamination detection zone of the rectangular window of Figure 3.

[0014] A Figura 5B é um diagrama de traço de raio de vista de topo de uma zona de detecção de contaminação da janela retangular da Figura 3.[0014] Figure 5B is a top view ray trace diagram of a contamination detection zone of the rectangular window of Figure 3.

[0015] A Figura 6 é uma vista em perspectiva de uma janela circular com dois blocos retangulares e dois prismas.[0015] Figure 6 is a perspective view of a circular window with two rectangular blocks and two prisms.

[0016] A Figura 7A é um diagrama de traço de raio de vista lateral de um raio central que reflete através da janela circular da Figura 6.[0016] Figure 7A is a side view ray trace diagram of a central ray reflecting through the circular window of Figure 6.

[0017] A Figura 7B é um diagrama de traço de raio de vista de topo de um raio central que reflete através da janela circular da Figura 6.[0017] Figure 7B is a top view ray trace diagram of a central ray reflecting through the circular window of Figure 6.

[0018] A Figura 8 é um diagrama de traço de raio de vista lateral de outro exemplo de raios de luz refletindo através de uma janela.[0018] Figure 8 is a side view ray trace diagram of another example of light rays reflecting through a window.

DETAILED DESCRIPTION

[0019] Um sensor de contaminação é incluído em uma janela de observação para um sensor óptico que emite um laser ou outra fonte de luz colimada. O sensor detecta contaminantes na superfície da janela através do uso de refletância interna total e medição de qualquer perda em sinal através da janela.[0019] A contamination sensor is included in an observation window for an optical sensor that emits a laser or other collimated light source. The sensor detects contaminants on the window surface by using total internal reflectance and measuring any loss in signal through the window.

[0020] A Figura 1 é um diagrama de traço de raio simplificado de raios Rluz que refletem através da janela 10 através do sensor de contaminação 12. A janela 10 tem uma superfície externa 14 e uma superfície interna 16. O sensor de contaminação 12 inclui fonte 18, detector 20 e prismas 22. No exemplo representado na Figura 1, o sensor de contaminação 12 inclui dois prismas 22.[0020] Figure 1 is a simplified ray trace diagram of light rays reflecting through the window 10 through the contamination sensor 12. The window 10 has an outer surface 14 and an inner surface 16. The contamination sensor 12 includes source 18, detector 20 and prisms 22. In the example depicted in Figure 1, the contamination sensor 12 includes two prisms 22.

[0021] A janela 10 é feita de um material que tem um índice de refração maior que o índice de refração de um fluido (como descrito abaixo) que entra em contato com a janela 10. Por exemplo, a janela 10 pode ser feita de vidro com índice de refração de aproximadamente 1,5. A fonte 18 é uma fonte de luz que emite um feixe de luz colimado, como um laser, um diodo emissor de luz (LED), um filamento ou uma lâmpada. Deve ser entendido que se a fonte 18 não for um laser, componentes adicionais podem ser necessários para garantir que a luz emitida pela fonte 18 seja colimada. No exemplo representado na Figura 1, a fonte 18 emite um feixe de luz colimado como raios Rluz. O detector 20 pode ser um único fotodiodo, um fotodiodo de avalanche ou um conjunto de fotodiodos. O detector 20 recebe raios Rluz que foram emitidos da fonte 18 e pode medir dados sobre os raios Rluz recebidos. Após serem emitidos pela fonte 18, os raios Rluz interagem com a janela 10 em locais como os locais A-D antes de serem recebidos pelo detector 20. Os prismas 22 são prismas de vidro polido opticamente que, no exemplo representado, são prismas triangulares de ângulo reto. Prismas 22 estão em contato com a janela 10. O primeiro prisma 22 pode direcionar os raios Rluz emitidos pela fonte 18 para a janela 10. O segundo prisma 22 está ao longo de um caminho de raio de Rluz e direciona os raios Rluz para o detector 20.[0021] Window 10 is made of a material that has an index of refraction greater than the index of refraction of a fluid (as described below) that comes into contact with window 10. For example, window 10 may be made of glass with a refractive index of approximately 1.5. Source 18 is a light source that emits a collimated beam of light, such as a laser, a light-emitting diode (LED), a filament, or a lamp. It should be understood that if the source 18 is not a laser, additional components may be required to ensure that the light emitted by the source 18 is collimated. In the example depicted in Figure 1, source 18 emits a collimated beam of light as Rlight rays. The detector 20 may be a single photodiode, an avalanche photodiode, or an array of photodiodes. Detector 20 receives Rlight rays that have been emitted from source 18 and can measure data about the received Rlight rays. After being emitted by the source 18, the light rays interact with the window 10 at locations such as locations A-D before being received by the detector 20. The prisms 22 are optically polished glass prisms which, in the example shown, are right-angled triangular prisms. . Prisms 22 are in contact with the window 10. The first prism 22 can direct the Rlight rays emitted by the source 18 to the window 10. The second prism 22 is along a Rlight ray path and directs the Rlight rays to the detector 20.

[0022] Onde a janela 10 entra em contato com um fluido, tal como ao longo da superfície externa 14 ou superfície interna 16, há uma interface vidro-fluido. A superfície externa 14 e a superfície interna 16 da janela 10 podem estar em contato com um fluido como ar ou água durante o uso. Fluidos como ar e água têm um índice de refração menor que o vidro, e a luz que incide na interface vidro-fluido está se deslocando de um material com índice de refração mais alto (vidro) para um material com índice de refração mais baixo (fluido como ar ou água). Se a luz incidente tiver um ângulo de incidência que é maior que um ângulo crítico da interface vidro-fluido, a luz incidente sofrerá refletância interna total (TIR) dentro do vidro. O ângulo crítico de uma interface vidro-ar é dado por:

[0022] Where the window 10 contacts a fluid, such as along the outer surface 14 or inner surface 16, there is a glass-fluid interface. The outer surface 14 and the inner surface 16 of the window 10 may be in contact with a fluid such as air or water during use. Fluids such as air and water have a lower index of refraction than glass, and light impinging on the glass-fluid interface is traveling from a material with a higher index of refraction (glass) to a material with a lower index of refraction (glass). fluid such as air or water). If the incident light has an angle of incidence that is greater than a critical angle of the glass-fluid interface, the incident light will experience total internal reflectance (TIR) within the glass. The critical angle of a glass-air interface is given by:

[0023] Um raio de luz com um ângulo de incidência maior que o ângulo crítico θC (isto é, um raio de luz que incide na interface vidro-ar em um ângulo maior que θC) resulta na reflexão total da luz incidente dentro da janela em vários pontos, conforme descrito em mais detalhes abaixo. Se não houver contaminantes presentes na superfície da janela 10, toda a luz emitida pela fonte 18 será recebida pelo detector 20.[0023] A ray of light with an angle of incidence greater than the critical angle θC (i.e., a ray of light that strikes the glass-air interface at an angle greater than θC) results in total reflection of the incident light within the window at various points, as described in more detail below. If there are no contaminants present on the surface of window 10, all light emitted by source 18 will be received by detector 20.

[0024] No local A, raios Rluz passam por um dos prismas 22 e entram na janela 10 com um ângulo de incidência de 0 graus. Os raios Rluz se deslocam através da janela 10 e são refletidos em vários pontos, como os locais B e C. Os raios Rluz podem refletir de uma primeira superfície e de uma segunda superfície, como a superfície externa 14 e a superfície interna 16. Nos locais B e C, os raios Rluz incidem nas interfaces vidro-ar em um ângulo de incidência de 45 graus. Como esse ângulo de incidência é maior que o ângulo crítico θC da interface vidro-ar, os raios Rluz sofrem TIR dentro da janela 10. Na localização D, a TIR dos raios Rluz é frustrada por um dos prismas 22, e os raios Rluz saem da janela 10 e são recebidos pelo detector 20. O detector 20 pode medir a quantidade de luz dos raios Rluz que são recebidos, bem como outros dados de refletância sobre os raios Rluz que são recebidos.[0024] At location A, Rlight rays pass through one of the prisms 22 and enter window 10 with an angle of incidence of 0 degrees. The Rlight rays travel through the window 10 and are reflected at various points, such as locations B and C. The Rlight rays can reflect from a first surface and a second surface, such as the outer surface 14 and the inner surface 16. locations B and C, the Rlight rays fall on the glass-air interfaces at an angle of incidence of 45 degrees. Since this angle of incidence is greater than the critical angle θC of the glass-air interface, the Rlight rays undergo TIR within window 10. At location D, the TIR of the Rlight rays is thwarted by one of the prisms 22, and the Rlight rays exit of window 10 and are received by detector 20. Detector 20 can measure the amount of light from the Rlight rays that are received, as well as other reflectance data about the Rlight rays that are received.

[0025] As Figuras 2A-2B são diagramas de traço de raio do sensor de contaminação 112 fazendo com que os raios Rluz sofram TIR dentro da janela 110. As Figuras 2A-2B serão discutidas em conjunto. A janela 110 inclui a superfície externa 114 e a superfície interna 116. O sensor de contaminação 112 inclui fonte 118, detector 120 e prismas 122. No exemplo representado, o sensor de contaminação 112 inclui dois prismas 122. O sensor de contaminação 112 pode incluir um controlador (não mostrado).[0025] Figures 2A-2B are ray trace diagrams of the contamination sensor 112 causing Rlight rays to undergo TIR within window 110. Figures 2A-2B will be discussed together. Window 110 includes outer surface 114 and inner surface 116. Contamination sensor 112 includes source 118, detector 120, and prisms 122. In the example depicted, contamination sensor 112 includes two prisms 122. Contamination sensor 112 may include a controller (not shown).

[0026] O controlador pode incluir uma unidade de memória, um ou mais processadores e um ou mais dispositivos de comunicação. A unidade de memória pode ser configurada para armazenar informações dentro do controlador durante a operação e pode ser um meio de armazenamento legível por computador que inclui um meio não transitório. Os um ou mais processadores podem ser configurados para implantar a funcionalidade e/ou instruções de processo para execução dentro do controlador. Os um ou mais dispositivos de comunicação podem ser configurados para se comunicar com dispositivos externos através de uma ou mais redes, tal como uma ou mais redes com fios ou sem fios, ou ambas. O controlador pode incluir adicionalmente componentes como um dispositivo de entrada, dispositivo de saída, sistema de sensor e/ou fonte de alimentação.[0026] The controller may include a memory unit, one or more processors, and one or more communication devices. The memory unit may be configured to store information within the controller during operation and may be a computer-readable storage medium that includes a non-transitory medium. The one or more processors may be configured to implement functionality and/or process instructions for execution within the controller. The one or more communication devices may be configured to communicate with external devices via one or more networks, such as one or more wired or wireless networks, or both. The controller may additionally include components such as an input device, output device, sensor system and/or power supply.

[0027] O controlador pode ser configurado para receber e executar instruções para a operação e a configuração de componentes dentro do sensor de contaminação 112. Por exemplo, o controlador pode ser configurado para se comunicar com a fonte 118 e o detector 120 para calcular a quantidade de luz recebida pelo detector 120 e a quantidade de luz emitida pela fonte 118. A fonte 118 pode comunicar, ao controlador, dados de emissão sobre os raios Rluz emitidos pela fonte 118. O detector 120 pode comunicar, ao controlador, dados de refletância sobre os raios Rluz recebidos pelo detector 120. O controlador pode ainda ser configurado para calcular uma razão de emissão/detecção. A razão de emissão/detecção é a porcentagem de luz emitida pela fonte 118 que é recebida pelo detector 120. Por exemplo, uma razão de emissão/detecção de 90% indicaria que 90% da luz emitida pela fonte 118 foi recebida pelo detector 120.[0027] The controller may be configured to receive and execute instructions for the operation and configuration of components within the contamination sensor 112. For example, the controller may be configured to communicate with the source 118 and the detector 120 to calculate the amount of light received by the detector 120 and the amount of light emitted by the source 118. The source 118 can communicate, to the controller, emission data about the light rays emitted by the source 118. The detector 120 can communicate, to the controller, reflectance data on the light rays received by the detector 120. The controller can further be configured to calculate an emission/detection ratio. The emission/detection ratio is the percentage of light emitted by source 118 that is received by detector 120. For example, an emission/detection ratio of 90% would indicate that 90% of the light emitted by source 118 was received by detector 120.

[0028] O controlador pode ser configurado para selecionar um valor limítrofe que representa um nível de contaminantes presentes na janela 110 e pode ainda ser configurado para comparar o valor limítrofe com a razão de emissão/detecção para calcular um índice de contaminação. O índice de contaminação é a diferença entre o valor limítrofe e a razão de emissão/detecção. O controlador pode ser configurado para, por exemplo, acionar um alerta quando o índice de contaminação for maior que zero (isto é, a razão de emissão/detecção estiver abaixo do valor limítrofe selecionado).[0028] The controller may be configured to select a threshold value that represents a level of contaminants present in window 110 and may further be configured to compare the threshold value with the emission/detection ratio to calculate a contamination index. The contamination index is the difference between the threshold value and the emission/detection ratio. The controller can be configured to, for example, trigger an alert when the contamination index is greater than zero (that is, the emission/detection ratio is below the selected threshold value).

[0029] O controlador pode ser configurado para detectar automaticamente condições, como contaminantes na superfície externa 114, e executar instruções predeterminadas com base nas condições detectadas. Adicional e/ou alternativamente, o controlador pode ser configurado para executar instruções de um usuário, como seleções ou ajustes no valor limítrofe. Finalmente, o controlador pode ser configurado para detectar periodicamente condições, como contaminantes na superfície externa 114, em intervalos de tempo selecionados. Por exemplo, o controlador pode ser configurado para avaliar a razão de emissão/detecção e/ou o índice de contaminação a cada cinco minutos durante o voo.[0029] The controller may be configured to automatically detect conditions, such as contaminants on the outer surface 114, and execute predetermined instructions based on the detected conditions. Additionally and/or alternatively, the controller may be configured to execute instructions from a user, such as selections or threshold value adjustments. Finally, the controller may be configured to periodically detect conditions, such as contaminants on the external surface 114, at selected time intervals. For example, the controller can be configured to evaluate the emission/detection ratio and/or contamination rate every five minutes during the flight.

[0030] Nos exemplos representados nas Figuras 2A-2B, a janela 110 é uma janela de observação para um sensor óptico de uma aeronave. O sensor de contaminação 112 na janela 110 opera substancialmente da mesma maneira que o exemplo descrito acima em relação à Figura 1. A Figura 2A ilustra uma janela 110 que não tem contaminantes na superfície externa 114, e a Figura 2B ilustra uma janela 110 que tem contaminantes suficientes na superfície externa 114 para desviar de uma porção de raios Rluz para fora da janela 110. A águaC contaminante na Figura 2B é um esguicho de água. Como a águaC contaminante está em contato com a superfície externa 114, a águaC frustra a TIR de uma porção de raios Rluz e faz com que essa porção de raios Rluz saia da janela 110.[0030] In the examples depicted in Figures 2A-2B, window 110 is an observation window for an aircraft optical sensor. The contamination sensor 112 in the window 110 operates in substantially the same manner as the example described above in relation to Figure 1. Figure 2A illustrates a window 110 that has no contaminants on the outer surface 114, and Figure 2B illustrates a window 110 that has sufficient contaminants on the outer surface 114 to deflect a portion of the light rays out of the window 110. The water contaminant in Figure 2B is a splash of water. As the contaminating waterC is in contact with the outer surface 114, the waterC frustrates the TIR of a portion of Rlight rays and causes that portion of Rlight rays to exit the window 110.

[0031] A Figura 3 é uma vista em perspectiva do sensor de contaminação 212 na janela 210. A janela 210 inclui superfície externa 214 (mostrada na Figura 4A), superfície interna 216 e bordas polidas 224. O sensor de contaminação 212 inclui sensor 218, detector 220 e prismas 222. O sensor de contaminação 212 pode incluir um controlador (não mostrado).[0031] Figure 3 is a perspective view of contamination sensor 212 in window 210. Window 210 includes outer surface 214 (shown in Figure 4A), inner surface 216, and polished edges 224. Contamination sensor 212 includes sensor 218 , detector 220, and prisms 222. The contamination sensor 212 may include a controller (not shown).

[0032] A janela 210 é uma janela retangular feita de vidro, como BK7 (um vidro de borossilicato). A superfície externa 214 e a superfície interna 216 podem ser polidas. O sensor de contaminação 212 dentro da janela 210 opera substancialmente da mesma maneira descrita acima em referência à Figura 1. As bordas polidas refletem raios Rluz (mostrados nas Figuras 4A4C), mantendo assim os raios Rluz dentro da janela 210. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, as bordas polidas 224 permitem que os raios Rluz completem um caminho através de uma porção da janela 210 refletindo os raios Rluz ao longo de vários caminhos de repetição formados por raios Rluz refletindo entre a superfície externa 214 e a superfície interna 216. As bordas polidas 224 permitem que a janela 210 seja montada enquanto preserva o TIR da janela 210. A montagem pode normalmente frustrar o TIR ao colocar a janela 210 em contato direto com outra superfície.[0032] Window 210 is a rectangular window made of glass, such as BK7 (a borosilicate glass). The outer surface 214 and the inner surface 216 can be polished. The contamination sensor 212 within the window 210 operates in substantially the same manner as described above with reference to Figure 1. The polished edges reflect Rlight rays (shown in Figures 4A4C), thereby keeping the Rlight rays within the window 210. As described in more detail below, the polished edges 224 allow the Rlight rays to complete a path through a portion of the window 210 by reflecting the Rlight rays along several repeating paths formed by Rlight rays reflecting between the outer surface 214 and the inner surface 216. The edges polished 224 allows the window 210 to be mounted while preserving the TIR of the window 210. Mounting can typically frustrate the TIR by placing the window 210 in direct contact with another surface.

[0033] A Figura 4A é um diagrama de traço de raio de vista lateral de um raio Rluz refletindo dentro da janela 210. A Figura 4B é um diagrama de traço de raio de vista frontal do raio Rluz da Figura 4A. A Figura 4C é uma vista superior de um diagrama de traço de raio central do raio Rluz da Figura 4A. As Figuras 4A-4C serão discutidas em conjunto.[0033] Figure 4A is a side view ray trace diagram of a ray Rlight reflecting within window 210. Figure 4B is a front view ray trace diagram of the ray Rlight of Figure 4A. Figure 4C is a top view of a central ray trace diagram of the ray Rlight of Figure 4A. Figures 4A-4C will be discussed together.

[0034] As Figuras 4A-4C representam os caminhos de um raio Rluz refletindo dentro da janela 210. A Figura 4A representa o raio Rluz refletindo entre a superfície externa 214 e a superfície interna 216. O raio Rluz se desloca ao longo do caminho mostrado na Figura 4A até atingir uma borda polida 224 e é, então, refletido de volta ao longo do caminho mostrado na Figura 4A até atingir a outra borda polida 224. Desta forma, o raio Rluz completa o caminho mostrado nas Figuras 4B-4C completando vários caminhos mostrados na Figura 4A e bordas polidas 224 permitem que o raio Rluz reflita através da janela 210 ao longo do caminho mostrado nas Figuras 4B-4C.[0034] Figures 4A-4C represent the paths of a ray Rlight reflecting within the window 210. Figure 4A represents the ray Rlight reflecting between the outer surface 214 and the inner surface 216. The ray Rlight travels along the path shown in Figure 4A until it reaches one polished edge 224 and is then reflected back along the path shown in Figure 4A until it reaches the other polished edge 224. In this way, the ray Rlight completes the path shown in Figures 4B-4C by completing several paths shown in Figure 4A and polished edges 224 allow the ray Rlight to reflect through the window 210 along the path shown in Figures 4B-4C.

[0035] A Figura 5A é um diagrama de traço de raio de vista lateral de raios Rluz dentro da janela 210. A Figura 5B é um diagrama de traço de raio de vista superior da zona de detecção de contaminação 226. As Figuras 5A-5B serão discutidas em conjunto.[0035] Figure 5A is a side view ray trace diagram of light rays within window 210. Figure 5B is a top view ray trace diagram of the contamination detection zone 226. Figures 5A-5B will be discussed together.

[0036] As Figuras 5A e 5B mostram múltiplos raios Rluz se deslocando ao longo dos caminhos ilustrados nas Figuras 4A e 4B, respectivamente. Desta forma, o sensor de contaminação 212 pode avaliar um nível de contaminação através da zona de detecção de contaminação 226. Os raios Rluz formam um feixe de luz colimado que é emitido pela fonte 218.[0036] Figures 5A and 5B show multiple rays Rlight traveling along the paths illustrated in Figures 4A and 4B, respectively. In this way, the contamination sensor 212 can evaluate a contamination level across the contamination detection zone 226. The Rlight rays form a collimated beam of light that is emitted by the source 218.

[0037] A Figura 6 é uma vista em perspectiva de um sensor de contaminação 312 na janela 310. A janela 310 inclui a superfície externa 314 (mostrada nas Figuras 7A-7B) e a superfície interna 316. O sensor de contaminação 312 inclui fonte 318, detector 320, prismas 322 e blocos 324. No exemplo representado na Figura 6, o sensor de contaminação 312 inclui dois prismas 322 e dois blocos 324. O sensor de contaminação 312 pode incluir um controlador (não mostrado).[0037] Figure 6 is a perspective view of a contamination sensor 312 in window 310. Window 310 includes the outer surface 314 (shown in Figures 7A-7B) and the inner surface 316. The contamination sensor 312 includes source 318, detector 320, prisms 322, and blocks 324. In the example depicted in Figure 6, the contamination sensor 312 includes two prisms 322 and two blocks 324. The contamination sensor 312 may include a controller (not shown).

[0038] No exemplo representado, a janela 310 é uma janela circular. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, a janela 310 pode ter qualquer formato. Prismas 322 são prismas de vidro triangulares. Os blocos 324 são blocos de vidro retangulares que são polidos opticamente.[0038] In the example shown, window 310 is a circular window. As described in more detail below, window 310 can be of any shape. 322 prisms are triangular glass prisms. 324 blocks are rectangular glass blocks that are optically polished.

[0039] O sensor de contaminação 312 dentro da janela 310 opera substancialmente da mesma maneira descrita acima em referência à Figura 1. Os blocos 324 operam substancialmente da mesma maneira que as bordas polidas 224 (como descrito acima em referência às Figuras 4A-4C). Como os blocos 324 são polidos, os blocos 324 refletem os raios Rluz (mostrados nas Figuras 7A-7B), mantendo assim os raios Rluz dentro da janela 310. Os blocos 324 permitem que a janela 310 seja montada enquanto ainda permite a TIR de raios Rluz dentro da janela 310.[0039] The contamination sensor 312 within the window 310 operates in substantially the same manner as described above with reference to Figure 1. The blocks 324 operate in substantially the same manner as the polished edges 224 (as described above with reference to Figures 4A-4C). . As the blocks 324 are polished, the blocks 324 reflect the Rlight rays (shown in Figures 7A-7B), thus keeping the Rlight rays within the window 310. The blocks 324 allow the window 310 to be mounted while still allowing for ray TIR. Rlight inside window 310.

[0040] A Figura 7A é um diagrama de traço de raio de vista lateral de um raio Rluz refletindo dentro da janela 310. A Figura 7B é um diagrama de traço de raio de vista superior de um raio Rluz refletindo dentro da janela 310. As Figuras 7A-7B serão discutidas em conjunto. A Figura 7A representa o raio Rluz refletindo entre a superfície externa 314 e a superfície interna 316. Conforme descrito acima em relação às Figuras 4A-4C, o raio Rluz se desloca ao longo do caminho mostrado na Figura 7A até atingir uma superfície polida, que neste exemplo é um bloco 324, e, então, é refletido de volta para o outro bloco 324. Desta forma, o raio Rluz completa o caminho mostrado na Figura 7B completando vários caminhos mostrados na Figura 7A e os blocos 324 permitem que o raio Rluz reflita através da janela 310 ao longo do caminho mostrado na Figura 7B.[0040] Figure 7A is a side view ray trace diagram of a ray Rlight reflecting within window 310. Figure 7B is a top view ray trace diagram of a ray Rlight reflecting within window 310. Figures 7A-7B will be discussed together. Figure 7A represents the ray Rlight reflecting between the outer surface 314 and the inner surface 316. As described above in relation to Figures 4A-4C, the ray Rlight travels along the path shown in Figure 7A until it reaches a polished surface, which in this example it is a block 324, and then it is reflected back to the other block 324. In this way, the ray Rluz completes the path shown in Figure 7B completing several paths shown in Figure 7A and the blocks 324 allow the ray Rluz reflect through window 310 along the path shown in Figure 7B.

[0041] Qualquer um dos sensores de contaminação descritos acima pode incluir vários conjuntos de fontes, detectores, prismas e, se necessário, blocos. Por exemplo, o sensor de contaminação 212 pode incluir duas fontes 218, dois detectores 220 e quatro prismas 222. O sensor de contaminação 312 pode incluir duas fontes adicionais 318 e dois detectores adicionais 320, juntamente com quatro prismas adicionais 322 e quatro blocos adicionais 324, em ambos os lados dos componentes representados no sensor de contaminação 312. Esses exemplos podem permitir que o sensor de contaminação monitore uma parte maior da janela. Adicional ou alternativamente, isso pode fornecer redundância ao sensor de contaminação, fazendo com que as zonas de detecção de contaminação de várias fontes e detectores se sobreponham pelo menos parcialmente. No caso de projetar redundâncias, o controlador pode ser configurado para determinar sinais redundantes (por exemplo, dois detectores comunicando dados de refletância que mostram contaminantes na superfície externa) e consolidar os sinais redundantes.[0041] Any of the contamination sensors described above may include multiple sets of sources, detectors, prisms and, if necessary, blocks. For example, the contamination sensor 212 may include two sources 218, two detectors 220, and four prisms 222. The contamination sensor 312 may include two additional sources 318 and two additional detectors 320, along with four additional prisms 322 and four additional blocks 324 , on both sides of the components depicted in contamination sensor 312. These examples may allow the contamination sensor to monitor a larger portion of the window. Additionally or alternatively, this can provide contamination sensor redundancy by causing contamination detection zones from multiple sources and detectors to at least partially overlap. In the case of designing redundancies, the controller can be configured to determine redundant signals (e.g., two detectors communicating reflectance data that show contaminants on the outer surface) and consolidate the redundant signals.

[0042] A Figura 8 é um diagrama de traço de raio de vista lateral de raios Rluz refletindo através da janela 410 através do sensor de contaminação 412. A janela 410 tem uma superfície externa 414 e uma superfície interna 416. O sensor de contaminação 412 inclui fonte 418, detector 420, prismas primários 422 e prismas secundários 424. No exemplo representado na Figura 8, o sensor de contaminação 412 inclui dois prismas primários 422 e dois prismas secundários 424. Os prismas secundários 424 podem ter o mesmo tamanho, forma e outros atributos que os prismas primários 422.[0042] Figure 8 is a side view ray trace diagram of rays R light reflecting through the window 410 through the contamination sensor 412. The window 410 has an outer surface 414 and an inner surface 416. The contamination sensor 412 includes source 418, detector 420, primary prisms 422, and secondary prisms 424. In the example depicted in Figure 8, contamination sensor 412 includes two primary prisms 422 and two secondary prisms 424. The secondary prisms 424 may have the same size, shape, and other attributes than primary prisms 422.

[0043] O sensor de contaminação 412 dentro da janela 410 opera substancialmente da mesma maneira descrita acima em referência à Figura 1. Os prismas primários 422 podem operar substancialmente da mesma maneira que os prismas 22. Um primeiro prisma secundário 424 pode receber raios Rluz da fonte 418 e fazer com que os raios Rluz sofram TIR dentro do primeiro prisma secundário 424. Os raios Rluz podem, então, passar para um primeiro prisma primário 422 e o primeiro prisma primário 422 pode, assim, direcionar os raios Rluz da fonte 418 para a janela 410. Um segundo prisma secundário 424 pode receber raios Rluz de um segundo prisma primário 422 e fazer com que os raios Rluz sofram TIR dentro do segundo prisma secundário 424. Os raios Rluz podem, então, ser recebidos pelo detector 420 e o segundo prisma primário 422 pode, assim, direcionar os raios Rluz da janela 410 para o detector 420. A modalidade representada na Figura 8 pode permitir que o sensor de contaminação 412 seja mais compacto que outras modalidades.[0043] The contamination sensor 412 within the window 410 operates in substantially the same manner as described above with reference to Figure 1. The primary prisms 422 may operate in substantially the same manner as the prisms 22. A first secondary prism 424 may receive rays of light from source 418 and cause the Rlight rays to undergo TIR within the first secondary prism 424. The Rlight rays may then pass to a first primary prism 422 and the first primary prism 422 may thus direct the Rlight rays from the source 418 to the window 410. A second secondary prism 424 may receive Rlight rays from a second primary prism 422 and cause the Rlight rays to undergo TIR within the second secondary prism 424. The Rlight rays may then be received by the detector 420 and the second Primary prism 422 can thus direct light rays from window 410 to detector 420. The embodiment depicted in Figure 8 can allow contamination sensor 412 to be more compact than other embodiments.

[0044] A implementação de um sensor de contaminação conforme descrito acima oferece várias vantagens. Os componentes do sensor de contaminação podem ser pequenos para evitar obscurecer uma grande área da janela. O número de componentes necessários é baixo, e os componentes estão prontamente disponíveis e são baratos. As medidas de retroadaptação variam com base na modalidade escolhida, mas geralmente são mínimas e de baixo custo. Redundâncias podem ser facilmente incorporadas ao sensor de contaminação, melhorando a confiabilidade. Finalmente, os mecanismos escolhidos permitem que uma porção muito maior de uma janela seja monitorada do que os sistemas convencionais de detecção de contaminação.[0044] Implementing a contamination sensor as described above offers several advantages. Contamination sensor components can be small to avoid obscuring a large area of the window. The number of components required is low, and the components are readily available and inexpensive. Retrofitting measures vary based on the modality chosen, but are generally minimal and low-cost. Redundancies can be easily incorporated into the contamination sensor, improving reliability. Finally, the chosen mechanisms allow a much larger portion of a window to be monitored than conventional contamination detection systems.

[0045] Os termos “cerca de” e “aproximadamente” são destinados a incluir o grau de erro associado à medição da quantidade específica com base no equipamento disponível no momento de depósito do pedido.[0045] The terms “about” and “approximately” are intended to include the degree of error associated with measuring the specific quantity based on the equipment available at the time of filing the order.

[0046] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade exemplificativa, será entendido por aquele indivíduo versado na técnica que diversas alterações podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar do escopo essencial da mesma. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à modalidade particular (ou modalidades particulares) divulgada, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.[0046] Although the invention has been described with reference to an exemplary embodiment, it will be understood by that individual skilled in the art that various changes can be made and equivalents can be substituted for elements thereof without departing from the scope of the invention. Furthermore, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Therefore, it is intended that the invention is not limited to the particular embodiment (or particular embodiments) disclosed, but that the invention includes all embodiments falling within the scope of the appended claims.

Claims

Contamination sensor for an optical sensor observation window, the contamination sensor being characterized by the fact that it comprises: a source that is configured to emit a beam of light collimated at an angle of incidence that is greater than a critical angle of a interface between a fluid and the observation window of the optical sensor, wherein the observation window of the optical sensor is made of a material that has an index of refraction greater than the index of refraction of the fluid and the source is configured to communicate data of emission onto the light beam collimated with a controller; a first prism in contact with the optical sensor observation window, wherein the first prism is configured to direct the collimated light beam toward the optical sensor observation window such that the collimated light beam reflects between a first surface of the optical sensor observation window and a second surface of the optical sensor observation window within a contamination detection zone of the optical sensor observation window; a second prism in contact with the optical sensor observation window and located along a beam path of the collimated light beam, wherein the second prism is configured to receive the collimated light beam after the collimated light beam has been reflected between the first surface of the optical sensor observation window and the second surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone of the optical sensor observation window; a detector, wherein the detector is configured to receive the collimated light beam from the second prism and communicate reflectance data about the collimated light beam to the controller; and the controller, wherein the controller is configured to calculate an emission/detection ratio that is defined by a difference between an amount of light that is emitted by the source and an amount of light that passes from the source to the detector by an internal reflectance total optical sensor observation window.

Contamination sensor according to claim 1, characterized in that the optical sensor observation window is a rectangular window with polished edges.

Contamination sensor according to claim 1, the contamination sensor being characterized by the fact that it further comprises a first rectangular glass block and a second rectangular glass block, and the first prism is configured to direct the collimated light beam towards the optical sensor observation window so that the collimated light beam reflects between the first rectangular glass block and the second rectangular glass block within a contamination detection zone of the optical sensor observation window.

Contamination sensor according to claim 3, characterized in that the optical sensor observation window is a circular window.

Contamination sensor according to claim 1, characterized by the fact that the collimated light beam is a laser.

Contamination sensor according to claim 1, characterized in that the source is one of a light-emitting diode, a filament and a lamp.

Contamination sensor according to claim 1, characterized by the fact that the controller is further configured to periodically calculate the emission/detection ratio.

Contamination sensor according to claim 1, characterized by the fact that the controller is further configured to calculate a contamination index, wherein the contamination index is the difference between a threshold value and the emission/detection ratio.

Contamination sensor according to claim 8, characterized by the fact that the controller is further configured to trigger an alert if the contamination index is greater than zero, wherein the contamination index having a value greater than zero is indicative of a level of contamination on a surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone.

Contamination sensor according to claim 8, characterized by the fact that the controller is further configured to execute instructions from a user that include a selection of the threshold value.

Contamination sensor according to claim 8, characterized in that the controller is further configured to periodically calculate the contamination index.

Contamination sensor according to claim 1, characterized in that the optical sensor observation window is an aircraft observation window and the fluid is air.

Contamination sensor according to claim 1, characterized in that the source is a first source, the collimated light beam is a first collimated light beam, the contamination detection zone is a first contamination detection zone and the detector is a first detector and further comprises: a second source, wherein the second source is configured to emit a second beam of light collimated at the angle of incidence; a third prism in contact with the optical sensor observation window, wherein the third prism is configured to direct the second collimated light beam to the optical sensor observation window such that the second collimated light beam reflects between the first surface of the optical sensor observation window and the second surface of the optical sensor observation window within a second contamination detection zone of the optical sensor observation window; a fourth prism in contact with the optical sensor observation window and located along a beam path of the second collimated light beam, wherein the fourth prism is configured to receive the second collimated light beam after the second light beam collimated has been reflected between the first surface of the optical sensor observation window and the second surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone of the optical sensor observation window; and a second detector, wherein the second detector is configured to receive the second collimated light beam from the fourth prism and communicate reflectance data about the second collimated light beam to the controller; wherein the controller is configured to calculate an amount of light passing from the second source to the second detector by the total internal reflectance of the optical sensor observation window.

Contamination sensor according to claim 13, characterized by the fact that the first contamination detection zone at least partially overlaps the second contamination detection zone, thus providing redundancy to the contamination sensor.

System for detecting contaminants in an optical sensor observation window, the system being characterized by the fact that it comprises: the optical sensor observation window; and a contamination sensor, wherein the contamination sensor comprises the contamination sensor as defined in claim 1.

System according to claim 15, characterized by the fact that the optical sensor observation window is a rectangular window with polished edges.

System according to claim 15, characterized by the fact that the contamination sensor further comprises a first rectangular glass block and a second rectangular glass block, and the first prism is configured to direct the collimated light beam to the viewing window. optical sensor observation such that the collimated light beam reflects between the first rectangular glass block and the second rectangular glass block within a contamination detection zone of the optical sensor observation window.

Method of detecting contaminants in an optical sensor observation window, characterized by the fact that it comprises: emitting, with a source, a beam of light collimated at an angle of incidence that is greater than a critical angle of an interface between a fluid and the optical sensor observation window, wherein the optical sensor observation window is made of a material that has a refractive index greater than the refractive index of the fluid; directing, with a first prism in contact with the optical sensor observation window, the collimated light beam; reflecting the collimated light beam between a first surface of the optical sensor observation window and a second surface of the optical sensor observation window within a contamination detection zone of the optical sensor observation window; receive, with a second prism in contact with the optical sensor observation window and located along a beam path of the collimated light beam, wherein the collimated light beam was reflected between the first surface of the sensor observation window optical and the second surface of the optical sensor observation window within the contamination detection zone of the optical sensor observation window; receive, with a detector, the collimated beam of light from the second prism; communicate, between the source and a controller, emission data about the collimated light beam; communicate, between the detector and the controller, reflectance data about the collimated light beam that was reflected within the contamination detection zone; and calculate, with the controller, an emission/detection ratio that is defined by a difference between an amount of light that is emitted by the source and an amount of light that passes from the source to the detector by a total internal reflectance of the observation window optical sensor.

Method, as defined in claim 16, characterized by the fact that it further comprises calculating, with a controller processor, a contamination index, wherein the contamination index is the difference between a threshold value and the emission/detection ratio.

Method, as defined in claim 16, characterized by the fact that it further comprises triggering an alert with the controller if the contamination index is greater than zero, wherein the contamination index that has a value greater than zero is indicative of a level of contamination on a surface of the optical sensor observation window in the contamination detection zone.