Волоконно-оптический датчик

(я)5 6 01 М 21 ИДЕТЕЛ ЬСТВ АВТО 2 гомодовые етоводы и х основе, - шленность ЛЬег зепзог 3 ар, . оГ 09-1519.(54) ВОЛОКОННО (57) Изобретение ению и может бы ния физических в местах объектов товода, п 1ала светоапертура риборостро -оптическим параметров ей преломле и т,п.тся увеличе также обес ерестройки На фиг, 1 а фиг. 2 - эл ещены чувс им устро ависимости еля преломл азных велич ода, представлена схема емент датчика, в кот твительный элемент ством; на фиг, 3 ыходного сигналао ния и окружающей с ин амплитуды д изги датчика; ором сос изгиба - график т показареды для ба световм ющ ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗОБР(71) Институт общей физики АН(56) Белоцерковский Э,Н. Мноповерхностно-нерегулярные свдатчики физических величин на иОптико-механическая промы1987, М 2, с.31 - 33.Т,ТаКазЫ, Н.Напог. Орссааког гпеазигп 9 ге 1 гассче поехАрр,Роуз 1982, 21, М 20, рр,15-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК относится к приборостроь применено для измереличин в труднодоступнь 1 х промышленного и др, наИзобретение относится к ению, а именно к волоконн датчикам физических полей и окружающей среды: показател ния, показателей поглощенияЦелью изобретения являе ние отношения сигнал/шум, а печение воэможности и диапазона измерений,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 = 2 л а П 1/К А,гдеа-радиуссердцевинысвев показатель преломления матери- вода на его оси; ЧА - . числовая световода. 3 ил,Волоконно-оптический датчик содержит источник 1 излучения, многомодовый градиентный световод 2, вдоль которого расположены фильтр 3 оболочечных мод, устройство 4 регулировки чувствительности и чувствительный элемент 5, а также фото- приемник 6 с подключенным к нему регистрирующим прибором 7, Устройство 4 соединено 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).Устройство 4 регулировки чувствитель.ности состоит из находящихся в контакте споверхностью светсвода зубчатых пластин(изгибающего устройства), я также механизма привсда 8 пластин, 5Волоконно-оптический датчик работаетследующим образом,При изменении величины зазора междупластинами в результате действия механиз ма привода расположенныл между зубцами 10участок световода изгибается с периодом,равным расстоянию между зубцами Лопределяемому по формуле2%а п 1ИАгде а - радиус сердцевины световода;и; - показатель прелою ения на осисветовода;ЙА - числовая апертура световода;Я - 1,2,3, 20Изгибы такого периода обеспечиваютмаксимальную связь мод при Б:.=на изогнутом участке градлентного световода, чтоприводит к выходу части распространяющегося в световоде излучения из сердцевины 25в оболочку, имеющую показатель преломле. ри 5, Р 2. -.ТО увеличивает сигнал и ОтнОшениесигнал/шум. Доля вышедшего в оболочку из.лучения определяе чувствительность датчика и пропорциОнальна амплитуде 30изгибов д,Начиная с некоторого значения д=дкс, соответствУющего максимальнойчувствительности датчика и зависящего отформы и числа изгибающих световод зубьев, почти все прошедшее изогнутый участокизлучение оказывается сосредоточенным воболочке световода, распространяясь в нейпосредством полного внутреннего отражения. 40Попадая далее в чувствительный элемент датчика, это излучение вследствиесильной зависимости эффекта полноговнутреннего отражения от оптических хв.рактеристик внешней по отношению к обо 45лочке световода среды испытывает потери,величина которых является функцией измеряемого параметра показателя преломления, температ уры, конценграциикакого-либо вещества и т,п,). Влияние внешней среды на процесс Оаслространения и 50лучения в чувствительном элементе датчикасводится, таким Образом, к лзменениа интенсивности эого излучения, которая измеряется со стороны выходного торцасветовода с помощью фотоприемника и регистрирующего прибора,Отсечка оболочечных мод, возбуждаемых в случае возможной децектрщвки, а гакже 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 = О) 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= 1(п), а также к снижению уровня остаточного излучения мп, 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 измеренийоказателя преломления,С помощью датчика можно измерять величины, влияющие на показатели преломле- НИЯ 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 к) имеют выраженную температурную зависимость, В датчике на осноье волоконноо световода с;варцевой оболочкой (п 2 = 1,4 б) в качестве указанноо вещества удобно использовать бензино-керосиновую смесь (бпlбТ м.510 С) или лтобую другую жидкость(смесь жидкостей) с показателем преломления п, соответствующим середине линейного участка характеристики 1(и) (фиг. 3). Для световода с кварцевой оболочкой зто требование удовлетворяется при и в 1,455. Для 5 получения смеси с требуемым показателем преломления и обьемы смешиваемых компонентов рассчитываются из формулыи ч+и чч +ч 10 где п и и показатели преломления, а ч и ч1 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 й 15 С, а диапазон измерений температуры в области линейного отклика датчика составит =10 С. 20Датчик 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 ио и необыкновенный ие показатели преломления соответственно 1,4962 и 1,6167, 30В 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 и=пе) излучения, прошед шего через чувствительный элемент датчика в соответствии с правой (восходящей) ветвью характеристики(и) (фиг, 3), Полная переориентация молекул нематика достигается при напряжени =300 В, что отвечает при расстоянии между пластинами б =300 мкм диапазону измерений напряженности электрического поля от 0 до =10 В/м,ф о р м у л а. и з о б р е т е н и я 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 й с ятемчто,с целью повышения отношения сигнал/шум, в него дополнительно введеноизгибающее 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 формуле2 Га и 1 МА где а - радиус сердцевины светорода; и 1 - показатель преломления материала световода на его оси; МА - числовая апертура световода.1693481 2 ЛфЯО 2Составитель В, Варнавский едактор М, Янкович Техред М,Моргентал Корректор О, ци аказ 4072 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10