Волоконно-оптический датчик Советский патент 1991 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к волоконно-оптическим датчикам физических полей и параметров окружающей среды: показателей преломления, показателей поглощения и т.п.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал/шум, а также обеспечение возможности перестройки диапазона измерений.

На фиг. 1 представлена схема датчика; на фиг. 2 - элемент датчика, в котором совмещены чувствительный элемент с изгибающим устройством; на фиг. 3 - график зависимости выходного сигнала I от показателя преломления п окружающей среды для разных величин амплитуды б изгиба световода.

Волоконно-оптический датчик содер- жит источник 1 излучения, многомодовый градиентный световод 2, вдоль которого расположены фильтр 3 оболочечных мод, устройство 4 регулировки чувствительности и чувствительный элемент 5, а также фотоприемник 6 с подключенным к нему решст- рирующим прибором 7. Устройство 4 соединено с приводом 8.

Чувствительный элемент датчика обра- зован участком волоконного световода, контактирующим с окружающей средой в месте удаления защитного чехла, или же участком с модифицированной защитной оболочкой, оптические характеристики которой зависят от параметров окружающей среды или внешних полей (например от величины электрического поля).

О

о

со

&ь

00

Устройство 4 регулировки чувствительности состоит из находящихся в контакте с поверхностью световода зубчатых пластин (изгибающего устройства), а также механизма привода 8 пластин.

Волоконно-оптический датчик работает следующим образом.

При изменении величины зазора между пластинами в результате действия механиз- ма привода расположенный между зубцами участок световода изгибается с периодом, равным расстоянию между зубцами определяемому по формуле

A m 0

Л NA Ь

где а - радиус сердцевины световода;

m - показатель преломления на оси световода;

NA - числовая апертура световода;

S-1,2,3,...

Изгибы такого периода обеспечивают максимальную связь мод при S 1 на изогнутом участке градиентного световода, что приводит к выходу части распространяющегося в световоде излучения из сердцевины в оболочку, имеющую показатель преломле- j-шя П2. Это увеличивает сигнал и отношение сигнал/шум. Доля вышедшего в оболочку излучения определяет чувствительность датчика и пропорциональна амплитуде изгибов д.

Начиная с некоторого значения 5 5макс , соответствующего максимальной чувствительности датчика и зависящего от формы и числа изгибающих световод зубь- ев, почти все прошедшее изогнутый участок излучение оказывается сосредоточенным в оболочке световода, распространяясь в ней посредством полного внутреннего отраже- ния.

Попадая далее в чувствительный элемент датчика, это излучение вследствие сильной зависимости эффекта полного внутреннего отражения от оптических характеристик внешней по отношению к обо- лочке световода среды испытывает потери, величина которых является функцией измеряемого параметра (показателя преломления, температуры, концентрации какого-либо вещества и т.п.). Влияние внешней среды на процесс распространения из- лучения в чувствительном элементе датчика сводится, таким образом, к изменению интенсивности этого излучения, которая измеряется со стороны выходного торца световода с помощью фотоприемника и ре- гистрирующего прибора.

Отсечка оболочечных мод, возбуждаемых а случае возможной децентровки, а также осевого и углового рассогласований источника излучения относительно входного торца световода, производится с помощью фильтра оболочечных мод, образованного слоем вещества с высоким коэффициентом поглощения излучения (например полиамидного лака), наносимого поверх оболочки световода на участке, примыкающем к источнику.

Изгибы оси световода делают зависимость его пропускания от параметров окружающей среды более сильной, поэтому с целью увеличения вклада изгибов световода в перестройку чувствительности предлагаемого датчика входящее в его состав изгибающее устройство располагается в области чувствительного элемента, как показано на фиг, 2.

Эффект расширения диапазона измеряемой величины при одновременном увеличении чувствительности датчика иллюстрируется на фиг. 3 для случая, когда измеряемой величиной является показатель п преломления окружающей среды. В отсутствие изгибов световода (3 0) все распро- страняющееся в нем излучение сосредоточено в сердцевине и не подвержено влиянию окружающей среды. Увеличение амплитуды изгибов предшествующего чувствительному элементу участка световода ведет к выходу излучения в оболочку, росту чувствительности датчика, определяемой наклоном графика функции I f(n), a также к снижению уровня остаточного излучения Imin, распространяющегося в сердцевине световода и не взаимодействующего с окружающей средой. Увеличение амплитуды изгибов световода и связанный с этим рост чувствительности датчика сопровождается уменьшением углов падения излучения на границу раздела оболочка - окружающая среда и расширением диапазона измерений показателя преломления.

С помощью датчика можно измерять величины, влияющие на показатели преломления и поглощения.

Чувствительный элемент датчика температуры Т помещается в закрытый объем, находящийся в тепловом контакте с средой, температура которой подлежит измерению, и содержащий вещество, оптические характеристики которого (показатель преломления п или показатель поглощения к) имеют выраженную температурную зависимость. В датчике на основе волоконного световода с кварцевой оболочкой (П2 1,46) е качестве указанного вещества удобно использовать бензино-керосиновую смесь (dn/dT к5 10 4оС) или любую другую жидкость

смесь жидкостей) с показателем преломения п, соответствующим середине линейного участка характеристики {п)(фиг. 3). Для световода с кварцевой оболочкой это требование удовлетворяется при п я. 1,455. Для получения смеси с требуемым показателем преломления п объемы смешиваемых компонентов рассчитываются из формулы n v +n v

n- v +v

где п и п показатели преломления, a v и v объемы смешиваемых компонентов. Так как погрешность измерения показателя преломления волоконно-оптическим рефрактометром не превышает , то погрешность измерения температуры при использовании бензино-керосиновой смеси ориентировочно равна ±1/5°С, а диапазон измерений температуры в области линейного отклика датчика составит 10°С.

Датчик напряженности электрического поля.

Чувствительный элемент датчика размещается между пластинами плоского конденсатора, содержащего в качестве диэлектрика нематический жидкий кристалл, который на длине волны 589 нм при 20°С имеет обыкновенный п0 и необыкновенный пе показатели преломления соответственно 1,4962 и 1,6167.

В отсутствие внешнего электрического поля подавляющее число молекул жидкого кристалла выстраивается параллельно электродам и оси световода. Наличие внешнего поля ведет к переориентации молекул и возрастанию с ростом поля результирующего показателя преломления п от значения По до значения пе. При этом происходит уменьшение оптических потерь и рост мощности (до 20% при )излучения, прошедшего через чувствительный элемент датчика в соответствии с правой (восходящей) ветвью характеристики 1 (п) (фиг. 3). Полная переориентация молекул нематика достигается при напряжении -300 В, что отвечает при расстоянии между пластинами d 300 мкм диапазону измерений напряженности электрического поля от 0 до 10 8/м.

Формула изобретения Волоконно-оптический датчик показателей преломления и поглощения, содержащий источник излучения, оптически связанный с многомодовым градиентом волоконным световодом с фильтром оболочеч- ных мод и чувствительным элементом в виде свободного от защитной оболочки участка световода, а также фотоприемник, оптически связанный с выходом световода и подключенный к нему, регистрирующий прибор, отличающийся тем.что.с целью повышения отношения сигнал/шум, в него дополнительно введено изгибающее световод устройство, расположенное в области чувствительного элемента или между чувствительным элементом и фильтром оболочеч- ных мод, выполненное в виде установленных в контакте со световодом зубчатых пластин, снабженных механическим приводом, при зтом период Л расположения зубцов в пластинах определяется по формуле

Л

23Са m

NA

где а - радиус сердцевины светорода;

ni - показатель преломления материала световода на его оси;

NA - числовая апертура световода.

Изобретение относится к приборостроению и может быть применено для измерения физических величин в труднодоступных местах объектов промышленного и др. назначения. Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-шум. Волоконно-оптический датчик содержит источник излучения, многомодовый градиентный волоконный световод с фильтром оболочеч- ных мод и чувствительным элементом в виде свободного от защитной оболочки участка световода, фотодетектор с измерительным прибором, а также изгибающее световод устройство, выполненное в виде контактирующих со световодом зубчатых пластин, расположенное между фильтром оболочеч- ных мод и чувствител ьн ым элементом датчика, либо в области чувствительного элемента Период расположения зубцов в пластинах определяется по формуле Я 2па ГИ/N А ,гдеа-радиуссердцевинысве- товода; ni - показатель преломления материала световода на его оси, NA - числовая апертура световода 3 ил.

Фиг.1

#а&Ј

I omtf. ед.

1

09 Qg 0.7 0.6 OS

SJvf-

Фиг. I