Волоконно-оптический датчик уровня

(19) (1) 51) С 01 Р 23/22 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ БРЕ Н АВТО 239/24-102.834.85. БюлСвирид, Ннцев и Л.Кский орденинститутрьской соци В 14.Богомолов,ЯровойЛенина политехи. 50-летня Вели алистической ре 8,65 (08.8)(56) 1.Патент США В 3120125,кл. 73-293, опублик. 1964.2.АбуаФ Н., Джонс О.С. мл.,Цнм";. мер Д.А. Оптический зонд для локальных измерений доли пустот и скорости межазных границ. - чПрнборы .для научнык исследований", 1978, В 8, с. 70"75 (прототип). о юшение 4 К -н,о изЭаю(54) (57) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИКУРОВНЯ, содержащий последовательнорасположенные источник излучения,передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемникизлучения, в котором передающее иприемное волокна соединены с первичньак преобразователем, выполненнымв виде световода из оптически прозрачного материала, о т л и ч а ю -щ и й с я тем,что, с целью повышения чувствительности датчика, поверхность первичного преобразователя,Ф иЯи) де ы и, исо- перишим(72) В,АС.Н.Хотяи (71) Киев ническийкой Октяб волюпии(53) 681 АНИЕ Ионамм сВИДЕВЪ обращенная в сторону измеряемых среди ограниченная апертурами волокон,выполнена в виде двух зеркально симметричных частей,. каждая из которыхобразована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их .торцов, причемцентры спиралей совмещены с центраьяторцов волокон, расстояние 1 междукоторыми определяется соотношением Яди сс ехр(0, 59 йре) при АМ между осями волокон - соота угол о падения луча, исходящегцентра торца передающего волокнана поверхность первичного преобрзователя - соотношением диаметр световедущей жнл передающего волокна, показатели преломления ответственно материала вичного преобразователя измеряемой среды с мень показателем преломления(3) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня или оптической плот" ности сред путем использования в составе дискретных уровнемеров и 5 рефрактометров.Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее источник излучения, передающий световод, призму полного внутреннего отражения, 10 приемный световод и приемник излучения 11,Наиболее близким к предлагаемому , по технической сущности является волоконно-оптический датчик уровня, 15 содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, первичный преобразователь, приемное оптическое волокно и приемник излучения; первичный 20 преобразователь выполнен в виде плоских торцов передающего и приемо ного волокон, скошенных под углом 90друг к другу Я .В известных датчиках иэ передаю щего волокна на обращенную в сторону измеряемых сред плоскую поверхность первичного преобразователя падает расходящийся пучок света, что снижает чувствительность датчика - минимальный регистрируемый дискрет оптических плотностей этих сред. Цель изобретения - повцшение чувствительности. 35Поставленная цель достигается тем, что в волоконнооптическом датчике уровня, содержащем последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно,40 приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передающее и приемное волокна соединены с первичным преобразователем, выполненным в виде световода из оптически про зрачного материала, поверхность первичного преобразователя, обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена из двух зеркально симметричных частей 50 каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, при этом центры спиралей .совмещены е центрами торцов волокон, расстояние 1 между которыми определяется соотношением угол 2 у между осями волокон - соотношением а. угол К падения луча, исходящегоиз центра торца передающего волокна,на поверхность первичного преобразователя - соотношением где 4 - диаметр световедущей жилыпередающего волокна,п 1, и - показатели преломления соответственно материала первичного преобразователя иизмеряемой среды с меньшимпоказателем преломления,На фиг. 1 приведена схема датчика; на фиг. 2 - ход лучей в первичном преобразователе; на фиг. 3графические зависимости усредненного коэффициента отражения от показателя преломления внешней среды дляпрототипа предлагаемого датчикаВолоконно-оптический датчик уровня содержит источник 1 излучения,например полупроводниковый излучающий диод, оптически соединенный спередающим оптическим волокном 2,который в свою очередь соединенпосредством первичного преобразователя 3 с приемным оптическим волокном 4. Первичный преобразовательвыполнен из оптически прозрачногоматериала, например кварца. Его поверхность, обращенная в сторону измеряемых сред, состоит из двух зеркально симметричных частей, каждаяиз которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси 001, лежащей в плоскостиволокон и проходящей через центрыих торцов (фиг. 2). Центры спиралей .совпадают с центрами торцов соответствующих волокон, расстояниеи уголЬ ч между которыми определяются соответственно соотношениями (1) и (2), ауголпадения луча, исходящего изцентра торца передающего волокна,на поверхность первичного преобразо-,вателя выбирается из соотношения (3).Достаточно, чтобы поверхностьпервичного преобразователя имела(ба 1 3предложенную форму только в областях, ограниченных апертурами 20 передающего и приемного волокон. Приемное волокно 4 оптически соединено с приемником 5 .излучения, например фотодиодом.Устройство работает следующим образом.Излучение источника 1 направляется передакяцим волокном 2 к первичному преобразователю 3. Поток излучения 1 о из выходного торца передающего волокна 2 падает на первую часть рабочей поверхности первичного преобразователя 3. Форма рабочей поверхности первичного преобразователя 3 в любом сечении, проходящем через ось, соединяющую центры торцов волокон 2 и 4, имеет вид логарифмической спирали, уравнение которой в .полярной системе координат с центром в точке О и осью Х имеет видО, 25 А ехр(рЖ), В этом случае лучи из волокна 2 падают на первую часть поверхности первичного преобразователя 3 под одним и тем же углом с(, . Отраженное от первой части излучение падает на вторую часть рабочей поверхности также под углом 4 и, отражаясь от нее, фокусируется на торце приемного волокна 4,Как видно из фиг. 2, необходимым условием фокусирования излучения на торце приемного волокна 4 является симметрия первичного преобразователя 3 относительно плоскости, проходящей через точку 1 пересечения крайних лучей ОВ 1 и ОВ апертуры и перпендикулярной оси ОО . Это условие с точностью до 1 Х обеспечивается при значениях 1 и 2 , определяемых соотношениями ( 1) и (2), справедливых при малых значениях угла 4 Поток получения Т, поступающий в приемное волокно, равенгде коэффициент отражения К определяется. формулой Френеля 5где п и и - ноказателн премомлв 1 2ния материала первичного преобразователя20 и внешней среды.Иэ выражений (4) и (5) следует,что при изменении показателя прелоМления внешней среды (напримвр, припогружении датчика в жидкость) йзмед няется и величина регистрируемогоприемником 5 излучения сигнала.Угол М выбирается из соотношения,(3), при котором для внешней средыс меньшим показателем нреломлвнияи (например, воздуха) выполняетсяусловие полного внутреннего отражения.На фиг. 3 приведены графики зависимостей коэффициента отражения Кот показателя преломления внешнейсреды п для предлагаемого датчика(кривая 1) и для прототипа (кривая 2),построенные для случая и = 1,47,М - -45;8=1 О40Изобретение повышает чувствитель"ность волоконно-оптического датчикак минимально регистрируемому дискрету оптическихнпотностей измеряемыхсред,теат, г.узг ППЮПП 1 Заказ. 2131/31 Ти аа Еввваа ППППаород узЯроектвалп 4