Оптоволоконный рефлектометр Советский патент 1986 года по МПК G01N21/41 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения показателя преломления жидкостей при химико-биологических исследованиях, а также для контроля технологических процессов в труднодоступных местах.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2. функция преобразования рефрактометр

Устройство состоит из источника 1 излучения, соединенного посредством волоконно-оптической линии 2 передачи информации с измерительным участком 3, закрепленным в корпус 4, и приемника 5 излучения.

В устройстве используется явле- ние зависимости коэффициента затухания светового потока, идущего по световоду, на поверхностных нерегулярностях сердцевины волоконного световода от показателя преломления о.кружающей среды. Под поверхностными нерегулярностями понимаются отклонения поверхности сердцевины волоконного световода от идеальной цилиндрической формы (нерегулярност границ раздела сердцевины световода - окружающая среда).

Наличие поверхностных нерегуляр- ностей сердцевины волоконного световода на измерительном участке вызывает экспоненциальное затухание светового потока в световоде вследствие потерь на излучение

Р Р t

- 2 not.

(1)

где Р - мощность светового потока на выходе волоконного световода, PJ, - мощность светового потока на входе; L - длина измерительного участка; q- коэффициент затухания на поверхностных нерегулярностях.

В первом приближении нерегулярность границы раздела сердцевина световода - окружающая среда можно описать f(z) и sinSz, где U - максимальная величина поверхностных нерегулярностей; 0- число нерегу- лярностей на единицу длины, г - ось координат.

В этом случае коэффициент затухания П на поверхностных нерегулярностях имеет следующий вид:

„ с У МсЦсрА аЭ с2 1 2-5 - , 2/3Ja-H/KJpjcosMg

(-Vc) n -()

i

(-Vc)()

(/С) V{P:-(/C):

/

(2)

(3) (А) (5) (6)

где п , п , - показатели преломления сердцевины световода и окружающей среды соответственно;.сО- частота излучения; с - скорость света; р - постоянная распространения; а - радиус световода. Показатели преломления п 2 большинства жидкостей лежат в диапазоне п 1,30 ; п 1,0 показатель преломления кварцевой сердцевины п, (1,46.

В этом случае хорошо вьтолняется следующее неравенство:

Sir2 ,.. (7) ,

При выполнении (7) величину Р , как видно из (3) и (4), можно приблизительно считать равной 6 . В этом случае формулу (2) можно переписать в следующем виде

35

, ,2 г.г и (иЗ/с/- . jcos a -(п -п) -2--j.-;j7rie - ,

(8)

где величина

м У )-cos Яо a osVea 2рД(а+1)к;Тб

не зависит от п . Следовательно, для |-| можно записать

() м,

(9)

Из формулы (9) видно, что коэф- фициент затухания t на поверхностных нерегулярностях сердцевины волоконного световода сильно зависит от показателя преломления окружающей среды п, причем с увеличением

п J коэффициент затухания уменьшается.

Формула для светопропускания изогнутого участка волоконного световода имеет вид

.s. ,

n -n

(10)

где Rjj R/a - относительный радиус изгиба,

В реальных случаях RO 1, в , этом случае выражение (10) приводится к виду

1 R R. - о n -п„ J

(11)

Анализ выражения показывает, что при Со и

R S1±3JS.

о п,-п

Если светопропускание измерительного участка в виде изогнутого поверхностно-нерегулярного волоконного световода не меньше 0,9, то на изгибе теряется меньше 10% излучения и чувствительность датчика остается практически неизменной. В этом случае относительный радиус изгиба определяется следующей формулой

R 10 JJ iS- -,

° n ;. радиус изгиба R

R 10а 2 i2- П -П „

(12)

(13)

Так как диапазон измерения показателей преломления П;,, то с .целью линеаризации функции преобразования, т.е. получения одинаковой чувствительности по всему диапазону измерения, целесообразно выбирать радиус изгиба R при условии

Па+Пн

n --Г- т.е. при значении п , соответствующему середине диапазона измерения. В этом случае для R окончательно имеем

n g+njj

п, + - 2

R 10а.

(14)

-DilStL

n,- 2

т.е. R выбирается по (14) в зависимости от требуемого диапазона измерения .

При выполнекии условия (14) пр ак- тически все лучи проходят через изогнутый участок волоконного световода без потерь.

Устройство работает следующим образом.

Если показатель преломления контролируемой жидкости не меняется, то согласно (9) коэффициент затухания

на поверхностных нерегулярностях световода измерительного участка 3 также будет постоянным, соответственно световой поток от источника 1 излучения, падающий на приемник 5 излученйя, также не будет меняться. При изменении показателя преломления контролируемой жидкости происходит изменение коэффициента затухаи11я на поверхностных нерегулярностях световода измерительного участка 3, что приведет к измененшо светового потока от источника 1 , падающего на приемник 5 излучения (фотодиод). Соответственно происходит изменение тока

фотодиода 5, что приводит к изменению падения напряжения на сопротивление нагрузки фотодиода 5, которое контролируется высокоточным цифровым вольтметром.

В 1 ачестве источника излучения использовался светодиод АЛ-107, приемника излучения - фотодиод ФД-26-К, в вентильном режиме (режиме фото-ЭДС) применялся серийно вьшускаемый светодиод типа кварц-полимер КП-200 . Длина i измерительного участка в исследуемом макете оптоволоконного рефрактометра составила 150 мм, радиус изгиба световода на измерительном участке

R 24 мм.

Показатели преломления контролируемых жидкостей лежали в диапазоне п 1 ,30, n 1,40 . В этом случае оптимальньй радиус изгиба с учетом

(14) должен бьщ составить величину R i 25,5 мм. Таким образом, радиус изгиба волоконного световода .был практически оптимальным.

На фиг. 2 представлена экспериментально полученная функция преобразования устройства и f(n), которая является линейной. Чувствительность рефрактометра в данном случае составила S dU/dn 15,6 Б.

: Как известно, неустрани юй причиной погрешности первичных оптических преобразователей, ограничивающих их разрешающую способность, являются

дробовые шумы фотодиода, средний квадрат напряжения которых определяется формулой Шоттки

и

M.(Jp

2е I R., 4f

(15)

где е - зарЯд электрона, I - ток фо тодиода, RH сопротивление нагрузки, af - диапазон частот.

В данном случае при I 5-10 А, К„ 10 Ом среднее напряжение дробовых шумов составило величину и/л.йр. 1,27 10 В на 1 Гц.

Разрешающая способность, характе ризующая наименьшее различимое изме нение показателя преломления при со отношении сигнал/шум равном 2, опре деляется следующим образом

р г . . S

Формула изобретения

Оптоволоконный рефрактометр, содер- 10 .жащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно-оптическую линию передачи информации, измерительный участок, закрепленный в корпусе, приемник излучения, о т - - Сличающийся тем, что, с

целью повышения чувствительности, измерительный участок выполнен в виде поверхностно-нерегулярного изогнутого с радиусом R волоконного светово- 20 да, причем радиус изгиба R определя- (16) ется из соотношения

С учетом UoLgp 1,17-10 В, 15,6 В, разрешающая способность составила величину р S: 1,6-10

Таким образом, выполнение измерительного участка в виде поверхностно-нерегулярного изогнутого с радиусом R, волоконного световода, отражающая оболочка которого образована окружающей средой, позволило добиться чувствительности при измереи в)

.1 и .ч

и и

и д аг

1 lit 131 М l.yt WS 1.Ж 1J7 SJe 1.3Я r.W п, фил. 2

.Редактор А.Долинич

Составитель С.Голубев Техред А.Кравчук

Заказ 7060/48

Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

НИИ показателя преломления жидкостей 1,640 в диапазоне 1,30-1,40 против 210 у известных, т.е. чувствительность предложенного рефрактомет- ра почти 12,5 раз выше.

-аС

R lOa

,+

SulSn 2

где

-радиус световода;

-показатель преломления вещества световода ,

-значения показателей пре- ломления верхней и нижней

границ диапазона измерения.

Корректор И.Эрдейи

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения показателя преломления жидкостей при химикобиологических исследованиях, а также для контроля технологических процессов в труднодоступных местах, и направлено на повышение чувствительности. Рефрактометр содержит последовательно соединенные источник 1 излучения, волоконно-оптическую линию 2 передачи информации, измерительный участок 3, приемник 5 излучения, измерительный участок выполнен в виде поверхностно-нерегулярного, изогнутого с радиусом R,. волоконного световода, причем радиус изгиба R определяется из соотношения (n, +(п, +п,),-.(, где а - радиус световода, п - показатель преломления вещества п и Пц - значения показателей преломления верхней и нижней границ диа- , пазона измерения. 2 нл. § W /Г ю 00 о ел о IS5