Цель изобретения — повышение чувствительности.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства, на фиг. 2.— функция преобразования рефрактометра.
Устройство состоит иэ 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 явление зависимости коэффициента затухания светового потока, идущего по световоду, на поверхностных нерегулярностях сердцевины волоконного световода от показателя преломления окружающей среды. Под поверхностными нерегулярностями понимаются отклонения поверхности сердцевины волоконного световода от идеальной цилиндрической формы (нерегулярность границ раздела сердцевины световода — окружающая среда). (2) (3) (4) 10 (6) 15
25 (8) P = P((1) 40 (9) (n,-n ) M. г г 2
1 1
Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольНаличие поверхностных нерегулярностей сердцевины волоконного световода на измерительном участке вызывает экспоненциальное затухание светового потока в световоде вследствие потерь на излучение где P — мощность светового потока на выходе волоконного световода, P, — мощность светового потока на входе, L — длина измерительного участка; «1 в коэффициент затухания на поверхностных нерегулярностях.
В первом приближении нерегулярность границы раздела сердцевина световода — окружающая среда можно описать f(z) = U sin8z, где U— максимальная величина поверхностных нерегулярностей; 6 — число нерегулярностей на единицу длины, z — ось координат.
В этом случае коэффициент затухания на поверхностных нерегулярностях имеет следующий вид:
2 пг р ={(1/с) и — (P,- ) 3
2 2
6= g (/с) n, — (P,-9)
fl =((d/с) и - P, )
К = IP,-(
В этом случае хорошо выполняется следующее неравенство: и -n с(1. (7) п„
При выполнении (7) величину р как видно из (3) и (4), можно приблизительно считать равной б . В этом случае формулу (2) можно переписать в следующем виде
2 1 г г > U (M/с) ° сов a;cos Ъ а
2p,(а+1/К 16 где величина г М г
U (>/с) cps P à.cps 8ea
2Р,1.(a+1)K, JG не зависит от и . Следовательно, 2 для 1 можно записать
Из формулы (9) видно, что коэффициент затухания 1 на поверхностных нерегулярностях сердцевины волоконного световода сильно зависит от показателя преломления окружающей среды и, причем с увеличением п г коэффициент затухания уменьшается.
Формула для светопропускания 7 изогнутого участка волоконного световода имеет вид
1280502
+1 и, -n2 R0 -1 п -п
2 (10) 1 г п+п
К Л.+ )
R. o n -n ь 2
n +n
R» 1 х
n -n а (12),n+n
R = 10a — - —— п -n . 2 (13) 35 и +п„ ф Н
n + 2
R= 10а (14) "2+" п — 2
/ где R, = R/а — относительный радиус изгиба.
В реальных случаях R, » 1, в этом случае выражение (10) приводится к виду
Анализ выражения показывает, что ь-1 при R - и
Если светопропускание измерительного участка в виде изогнутого поверхностно-нерегулярного волоконного световода не меньше 0,9, то на изгибе теряется меньше 10Х излучения и .чувствительность датчика остается практически неизменной. В этом случае относительный радиус изгиба определяется следующей формулой
R = 10 — - —— и +п о ni-п,, а радиус изгиба R
Так как диапазон измерения показателей преломления (n„; и ), то с, целью линеаризации функции преобразования, т.е. получения одинаковой чувствительности по всему диапазону измерения, целесообразно выбирать радиус изгиба R при условии пе+и ц .n = — — -- т. е. при значении и со2 2 ответствующему середине диапазона измерения. В этом случае для R окончательно имеем т.е. R выбирается по (14) в зависимости от требуемого диапазона измерения.
При выполнении условия (14) практически 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 излучения, также не будет меняться. При изменении показателя преломления контролируемой жидкости происходит изменение коэффициента затухания на поверхностных нерегулярностях световода измерительного участка 3, что приведет к изменению 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 качестве источника излучения использовался светодиод АЛ-107, приемника излучения — фотодиод ФД-2б-К, в вентильном режиме (режиме фото-ЭДС) применялся серийно выпускаемый светодиод типа кварц-полимер КП-200. Длина 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 оптимальный радиус изгиба с учетом (t4) должен был составить величину
R N 25,5 мм. Таким образом, радиус изгиба волоконного световода бып практически оптимальным.
На фиг. 2 представлена экспериментально полученная функция преобразования устройства u = r(n ), которая является линейной. Чувствительность рефрактометра в данном случае составила S = dU/dn = 15,6 В.
Как известно, неустранимой причиной погрешности первичных оптических преобразователей, ограничивающих их разрешающую способность, являются
1280502 нии показателя преломления жидкостей
1,6 10 в диапазоне (1,30-1,401 против 2 10 у известных, т.е. чувствительность предложенного рефрактометра почти 12, 5 раз вьпде, дробовые шумы фотодиода, средний квадрат напряжения которых определяется формулой Шоттки
U „ „, = 2е I R, nf, (15) Формула изобретения
2 Пшз.. (16) С учетом Ош 1,17 10 В, 15,6 В, разрешающая способность составила величину P " 1,6-10 "
Я .Ь п + 2
1 Оа — — — — -- —-n — - —
2 радиус световода, — показатель преломления вещества световода, значения показателей пре-ломления верхней и нижней границ диапазона измерения. где а п ип н
Фиа Х
Составитель С.Голубев,Редактор А.Долинич Техред А.Кравчук Корректор И. Эрдейи
Заказ 7060/48
Тираж 778 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 где е — заряд электрона, I — ток фотодиода, R „— сопротивление нагрузки, дЙ вЂ” диапазон частот.
В данном случае при I = 5 10 А, R „ = 10 Ом среднее напряжение дробовых шумов составило величину
U р = 1,27 10 6В на 1 Гц.
Разрешающая способность, характеризующая наименьшее различимое изменение показателя преломления при соотношении сигнал/шум равном 2, определяется следующим образом
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 измереОптоВолоконный рефрактометр coдер10 жащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно-оптическую линию передачи информации, измерительный участок, закрепленный в корпусе, приемник излучения, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности, измерительный участок выполнен в виде поверхностно-нерегулярного изогнутого с радиусом R волоконного светово20 да, причем радиус изгиба R определяется из соотношения
