Волоконно-оптический датчик
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 оболочечных 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 оболочечных 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-радиуссердцевинысветовода; ni - показатель преломления материала световода на его оси, NA - числовая апертура световода 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
tst)s G 01 N 21/41
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ а ъ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4604886/25 (22) 08,08,88 (46) 23.11.91, Бюл. N 43 (71) Институт общей физики АН СССР (72) В.П.Гаричев, С.Г.Кривошлыков и Й.-У.Ян (53) 661.189.21(088,8) (56) Белоцерковский Э,Н. Многомодовые поверхностно-нерегулярные световоды и датчики физических величин на их основе.—
Оптико-механическая промышленность, 1987, ¹ 22, с.31-33.
Т,Takashi, H.Hattori. Optical fiber sensor
for measuring refractive index, 3að. i. of
Арр1,Phys„1982, 21, ¹ 20, рр,1509 — 1519. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК (57) Изобретение относится к приборостроению и может быть применено для измерения физических величин в труднодоступных местах объектов промышленного и др, наИзобретение 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 воэможности 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! от показателя преломления и окружающей среды для разных величин амплитуды д изгиба световода, „„ „„1693481 А1 значения. Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-шум. Волоконно-оптический датчик содержит источник излучения, многомодовый градиентный волоконный световод с фильтром оболочечных 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 оболочечных мод и чувствительным элементом датчика, г ибо в области чувствительного элемента. Период расположения зубцов в пластинах определяется по формуле
А = 2л а n /Гч A,гдеа-радиуссердцевинысветовода; п1 — показатель преломления материала световода на его оси; NA â€, числовая апертура световода. 3 ил.
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 регистрирующим прибором 7, Устройство 4соединено с приводом 8.
Чувствительный элемент датчика абра° 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).
1693431
Устройство 4 регулировки чувствительности состоит из находящихся в контакте с поверхностью светсвода зубчатьх пласти (изгибающего устройства), а также механизма привсда 8 пластин. 5
Волоконно-оптический датчик работает следующим образом, При изменении величины зазора между пластинами в результате действия механиз ма привода расположенныл между зубцами 10
- участок световода изгибается с периодом, равным расстоянию между зубцами Л„определяемому по формуле
2%а п1
NA "5 где а — радиус сердцевины световода;
A — показатель преломления на оси световода;
ЙА — числоВая B j|8 pr)ра световодсj;
Я вЂ” 1,2,3..., 20
Изгибы такого периода обеспечивают максимальную связь мод при S:=- на изогнутом участке градлентного световода, что приводит к выходу части распространяющегося в световоде излучения из сердцевины 25 в оболочку, имеющую показатель преломле-. ния o; ."-.1то увеличивает сигнал и отношение сигнал/шум. Доля вышедшего в оболоку излучения определяе.. чувствительность датчика и пропорциональна амплитуде 3О изгибов д, Начиная с некоторого значения д == — дмикс, соотВетстВующеГО максимальнОй чувствительности датчика и зависящего сп формы и числа изгибающих световод зубь- 35 ев, почти все прошедшее изогнутый участок излучение оказывается сосредоточенным В оболочке световода, распространяясь в ней посредством полного внутреннего Отражения. PQ
Попадая далее в чувствительный элемент датчика, это излучение вследствие сильной зависимости эффекта полногс внутреннего отражения от оптических характеристик внешней по отношению к оболочке световода среды испытывает потери, величина которых является функцией измеряемого параметра (показателя преломления, температуры, концен Грации какого-либо вещества и т,;,). Lëèÿíèe Внешнеи среды на проц )og распространения и Я) лу . ния в чувствительном элементе датчика сводится, таким образом, к лзменению интенсивности этого излучения, которая измеряется со стороны выходного торца световода с помощью фотоприемника и ре- 55 гистрирующего прибора, Стсечка оболочечных мод, возбуждаемых в случа -: 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), найосимого 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 чувствительногс 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 и преломления окружающей среды. В отсутствие изгибов световода (д =- 0) Все распространяющееся 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 чувствя гельности датчика, определяемой наклоном графика функции I = f(n), а также к снижению уровня остаточного излучения I jp, распространяющегося в сердцевине световода и не взаимодействующе о с окружающей средой. Увеличение амплитуДы изГибов светОВОДа и сВязанный с этим
poGT чувстВительности датчика сопрОВОждается уменьшением углов падения излучения на границу раздела оболочка — окружающая
",.реда и расширением диапазона измерений показателя преломления, С помощью датчика мож" î измерять величины, влияющие на показатели преломления и поглощения.
Чувствительный элемент датчика температуры Т помещается в закрытый объем, находящийся в тепловом контакте с средой, температ ра которОЙ подлежит измерению, и содержащий Вещество, оптические характеристики которого (показатель преломления и или показатель псглощекия Ic) имеют выраженную температурную зависимость, В датчике на осноье волоконного световода с кварцевой ооолочкой (п2 = 1,4б) в качестве указанного Вещес ва удобно использовать бензино-керосиновую смесь (dn/dT м
-4о„
5 10 С) или любую другую жидкость
1693481 (смесь жидкостей) с показателем преломления и, соответствующим середине линейного участка характеристики!(и) (фиг. 3). Для световода с кварцевой оболочкой зто требование удовлетворяется при и х 1,455. Для 5 получения смеси с требуемым показателем преломления п объемы смешиваемых компонентов рассчитываются из формулы и ч +и v ч +ч 10 где и и ппоказатели преломления,,à v и ч
I И объемы смешиваемых компонентов. Так как погрешность измерения показателя преломления волоконно-оптическим рефрактометром не превышает 10, то погрешность 15 измерения температуры при использовании бензина-керосиновой смеси ориентировочно равна и 1/5 С, а диапазон измерений температуры в области линейного отклика датчика составит =10 С. 20
Датчик напряженности электрического поля.
Чувствительный элемент датчика размещается между пластинами плоского конденсатора, содержащего в качестве 25 диэлектрика нематический жидкий кристалл, который на длине волны 589 нм при
20 С имеет обыкновенный и и необыкновенный пе показатели преломления соответственно 1,4962 и 1,6167. 30
В отсутствие внешнего электрического поля подавляющее число молекул жидкого кристалла выстраивается параллельно электродам и оси световода, Наличие внешнего поля ведет к переориентации молекул 35 и возрастанию с ростом поля результиру;ощего показателя преломления и от значения подо значения пе. Приэтом происходит уменьшение оптических потерь и рост мощности (до 20 при п=пе) излучения, прошед- 40 шего через чувствительный элемент датчика в соответствии с правой (восходящей) ветвью характеристики l (n) (фиг, 3). Полная переориентация молекул нематика достигается при напряжени =300 В, что отвечает при расстоянии между пластинами d
=300 мкм диапазону измерений напряженности электрического поля от 0 до =10 В/м, Формула. изобретения
Волоконно-оптический датчик показателей преломления и поглощения, содержащий источник излучения, оптически связанный с многомодовым градиентом волоконным световодом с фильтром оболочечных 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, отл ич а ю щи и с ятемчто,с целью повь шения отношения сигнал/шум, в него дополнительно введено изгибающее световод устройство, расположенное в области чувствительного элемента или между чувствительным элементом и фильтром оболочечных мод, выполненное в виде установленных в контакте со световодом зубчатых пластин, снабженных механическим приводом, при этом период Лрасположения зубцов в пластинах определяется по формуле
2Ха п1
NA где а — радиус сердцевины светорода; п1 — показатель преломления материала световода на его оси;
NA — числовая апертура световода.
1693481 аь
/2 Л, ЯО2 фиг.3
Составитель B. Варнавский
Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор О. Ципле
Редактор М, Янкович
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 4072 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
