PL204205B1

PL204205B1 - Fibre optic sensor head

Info

Publication number: PL204205B1
Application number: PL359259A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Kalenik; Mateusz Śmietana
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2009-12-31
Also published as: PL359259A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest głowica czujnika światłowodowego służąca do pomiaru parametrów otaczającego ją środowiska, a zwłaszcza współczynnika załamania światła lub poziomu cieczy.The subject of the invention is a fiber optic sensor head for measuring the parameters of the surrounding environment, in particular the refractive index or the liquid level.

Znana jest głowica czujnika światłowodowego do pomiaru poziomu cieczy, zawierająca światłowód grubordzeniowy, którego powierzchnia boczna jest profilowana w taki sposób, że średnica światłowodu ulega zmianom na wybranych krótkich odcinakach tejże powierzchni. Głowica zaopatrzona jest w źródło światła i detektor, które sprzężone są bezpośrednio z światłowodem grubordzeniowym na jednym końcu. Na drugim końcu może być zamocowane zwierciadło. Światło biegnące w głowicy światłowodowej oddziałuje z otoczeniem głównie w obszarach zmiany średnicy.An optical fiber sensor head for measuring the liquid level is known, comprising a core-core optical fiber, the side surface of which is profiled in such a way that the diameter of the optical fiber changes over selected short sections of the surface. The head is equipped with a light source and detector which are coupled directly to the core-core fiber at one end. A mirror may be attached to the other end. The light traveling in the fiber optic head interacts with the environment mainly in the areas of diameter change.

Wadą znanych głowic jest dyskretny pomiar.The disadvantage of the known heads is the discrete measurement.

Istota rozwiązania pierwszej wersji wynalazku polega na tym, że rdzeń światłowodu ma przekrój stały wzdłuż długości światłowodu. Powierzchnia boczna rdzenia pokryła jest korzystnie na całej długości pseudopłaszczem wykonanym z substancji, której współczynnik załamania światła jest silnie zależny od parametrów środowiska, korzystnie od wilgotności względnej otoczenia.The essence of the solution of the first version of the invention consists in the fact that the core of the optical fiber has a constant cross-section along the length of the optical fiber. The side surface of the core is preferably covered over the entire length with a pseudo-jacket made of a substance whose refractive index is strongly dependent on environmental parameters, preferably on the relative humidity of the environment.

Istota rozwiązania według drugiej wersji wynalazku polega na tym, że rdzeń światłowodu ma przekrój zmienny w sposób ciągły wzdłuż całej długości światłowodu. Powierzchnia boczna rdzenia pokryta jest korzystnie na całej długości pseudopłaszczem wykonanym z substancji, której współczynnik załamania światła jest silnie zależny od parametrów środowiska, korzystnie od wilgotności względnej otoczenia.The essence of the solution according to the second version of the invention consists in the fact that the core of the optical fiber has a continuously variable cross-section along the entire length of the optical fiber. The side surface of the core is preferably covered along its entire length with a pseudo-jacket made of a substance whose refractive index is strongly dependent on environmental parameters, preferably on the relative humidity of the environment.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę czujnika światłowodowego o przekroju poprzecznym stałym w przekroju osiowym, fig. 2 przedstawia głowicę czujnika światłowodowego o przekroju poprzecznym zmiennym w sposób ciągły wzdłuż całej długości światłowodu w przekroju osiowym, a fig. 3 - głowicę czujnika światłowodowego o przekroju poprzecznym stałym z pseudopłaszczem na obwodzie w przekroju osiowym.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the head of the optical fiber sensor with a constant cross-section in the axial section, Fig. 2 shows the head of the optical fiber sensor with a continuously variable cross-section along the entire length of the optical fiber in the axial section, and Fig. 3 shows a fixed cross-sectional fiber optic sensor head with a circumferential pseudo-jacket in an axial section.

Głowica światłowodowa według fig. 1 jest zbudowana z światłowodu grubordzeniowego złożonego z rdzenia 1 i płaszcza 2 pokrywającego rdzeń na pewnej długości oraz ze źródła promieniowania świetlnego 3 i detektora promieniowania świetlnego 4 zamocowanych w uchwycie 7 na jednym końcu światłowodu, a także ze zwierciadła 6 nałożonego na przeciwny koniec światłowodu. Powierzchnia boczna rdzenia 5 światłowodu grubordzeniowego styka się bezpośrednio z otoczeniem.The optical fiber head according to Fig. 1 is made of a core-core optical fiber composed of a core 1 and a sheath 2 covering the core along a certain length, and of a light radiation source 3 and a light radiation detector 4 fixed in a holder 7 at one end of the optical fiber, and a mirror 6 superimposed on the fiber. opposite end of the fiber. The side surface of the core 5 of the core 5 fiber is in direct contact with the surroundings.

Pomiar głowicą światłowodową polega na tym, że promieniowanie ze źródła promieniowania świetlnego 3 propaguje się w rdzeniu 1 światłowodu grubordzeniowego, trafia na powierzchnię boczną rdzenia 5 i oddziałuje z otoczeniem. W zależności od wartości współczynników załamania rdzenia 1, otoczenia oraz od kąta padania, promieniowanie ulega odbiciu z powrotem do wnętrza rdzenia 1 lub przechodzi do otoczenia. Promieniowanie propagujące się w rdzeniu odbija się od zwierciadła 6 i wraca do detektora promieniowania świetlnego 4 ponownie oddziałując z otoczeniem. Wartość natężenia promieniowania wracającego do detektora jest miarą parametrów otoczenia, zwłaszcza współczynnika załamania lub poziomu cieczy. Głowica czujnika w zastosowaniu do pomiaru poziomu cieczy cechuje się nieliniową charakterystyką. Dla niskich poziomów cieczy, kiedy poziom cieczy znajduje się blisko zwierciadła, głowica czujnika wykazuje większą czułość niż dla wysokich poziomów cieczy, gdy jest poziom cieczy w pobliżu źródła promieniowania świetlnego 3.The measurement with the optical fiber head consists in the fact that the radiation from the light radiation source 3 propagates in the core 1 of the core-core fiber, hits the side surface of the core 5 and interacts with the environment. Depending on the value of the refractive indexes of the core 1, the environment and the incidence angle, the radiation is reflected back into the core 1 or passes to the environment. The radiation propagating in the core is reflected from the mirror 6 and returns to the light radiation detector 4 again interacting with the environment. The value of the radiation intensity returning to the detector is a measure of environmental parameters, in particular the refractive index or the liquid level. The sensor head in a liquid level measurement application has a non-linear characteristic. For low liquid levels, when the liquid level is close to the mirror, the sensor head is more sensitive than for high liquid levels when the liquid level is close to the light source 3.

Rozwiązanie według fig. 2 o przekroju poprzecznym zmiennym w sposób ciągły wzdłuż całej długości światłowodu ma głowicę światłowodową zbudowaną ze światłowodu grubordzeniowego złożonego z rdzenia 1 o średnicy zwiększającej się w miarę zbliżania się do zwierciadła, płaszcza 2 pokrywającego rdzeń na pewnej długości oraz ze źródła promieniowania świetlnego 3 i detektora promieniowania świetlnego 4 zamocowanych w uchwycie 7 na jednym końcu światłowodu, a także ze zwierciadła 6 nałożonego na przeciwny koniec światłowodu grubordzeniowego. Powierzchnia boczna 5 głowicy styka się bezpośrednio z otoczeniem.The solution according to Fig. 2 with a cross-section continuously changing along the entire length of the optical fiber has a fiber optic head made of a core-core optical fiber consisting of a core 1 with a diameter increasing as one approaches the mirror, a cladding 2 covering the core for a certain length and a source of light radiation. 3 and a light radiation detector 4 fixed in the holder 7 at one end of the optical fiber, and from a mirror 6 applied to the opposite end of the core-core optical fiber. The side surface 5 of the head is in direct contact with the surroundings.

Pomiar głowicą światłowodową polega na tym, że promieniowanie ze źródła promieniowania świetlnego 3 propaguje się w rdzeniu 1, trafia na powierzchnię boczną rdzenia 5 i oddziałuje z otoczeniem. W zależności od wartości współczynników załamania rdzenia, otoczenia oraz od kąta padania, promieniowanie ulega odbiciu z powrotem do wnętrza rdzenia 1 lub przechodzi do otoczenia. Promieniowanie propagujące się w rdzeniu odbija się od zwierciadła 6 i wraca do detektora promieniowania świetlnego 4 ponownie oddziałując z otoczeniem. Wartość natężenia promieniowania wracającego do detektora jest miarą parametrów otoczenia, zwłaszcza współczynnika załamania lub poziomu cieczy.The measurement with the fiber optic head consists in the fact that the radiation from the light radiation source 3 propagates in the core 1, hits the side surface of the core 5 and interacts with the environment. Depending on the values of the core's refractive indices, the environment and the incidence angle, the radiation is reflected back into the core 1 or passes into the environment. The radiation propagating in the core is reflected from the mirror 6 and returns to the light radiation detector 4 again interacting with the environment. The value of the radiation intensity returning to the detector is a measure of environmental parameters, in particular the refractive index or the liquid level.

PL 204 205 B1PL 204 205 B1

Zmienny przekrój rdzenia głowicy światłowodowej pozwala zlinearyzować charakterystykę, ponieważ oddziaływanie promieniowania z otoczeniem w światłowodzie o większej średnicy jest słabsze, co prowadzi do zmniejszenia czułości.The variable cross-section of the core of the fiber optic head allows the characteristic to be linearized, because the interaction of radiation with the environment in the fiber with a larger diameter is weaker, which leads to a decrease in sensitivity.

Rozwiązanie przedstawione na fig. 3 ma głowicę światłowodową zbudowaną z światłowodu grubordzeniowego złożonego z rdzenia 1 i płaszcza 2 pokrywającego rdzeń na pewnej długości oraz ze źródła promieniowania świetlnego 3 i detektora promieniowania świetlnego 4 zamocowanych w uchwycie 7 na jednym końcu światłowodu. Głowica składa się także ze zwierciadła 6 nałożonego na przeciwny koniec światłowodu i pseudopłaszcza 8, pokrywającego boczną powierzchnię rdzenia, wykonanego z substancji, której współczynnik załamania jest silnie zależny od wilgotności względnej otoczenia.The solution shown in Fig. 3 has a fiber optic head made of a core 1 and a sheath 2 covering the core along a certain length and a light source 3 and a light radiation detector 4 fixed in a holder 7 at one end of the fiber. The head also consists of a mirror 6 placed on the opposite end of the optical fiber and a pseudo-sheath 8 covering the side surface of the core made of a substance whose refractive index is strongly dependent on the relative humidity of the environment.

Pomiar głowicą światłowodową polega na tym, że promieniowanie ze źródła promieniowania świetlnego 3 propaguje się w rdzeniu 1, trafia na powierzchnię boczną rdzenia 5 i oddziałuje z pseudopłaszczem 8. W zależności od wartości współczynników załamania rdzenia, pseudopłaszcza 8, które są zależne od parametrów otoczenia oraz od kąta padania, promieniowanie ulega odbiciu z powrotem do wnętrza rdzenia 1 lub przechodzi do pseudopłaszcza 8. Promieniowanie propagujące się w rdzeniu odbija się od zwierciadła 6 i wraca do detektora promieniowania świetlnego 4 ponownie oddziałując z pseudopłaszczem 8. Wartość natężenia promieniowania wracającego do detektora jest miarą parametrów otoczenia, zwłaszcza wilgotności.The measurement with the fiber optic head consists in the fact that the radiation from the light radiation source 3 propagates in the core 1, hits the side surface of the core 5 and interacts with the pseudo-cladding 8. Depending on the values of the refractive indexes of the core, the pseudo-cladding 8, which depends on the environmental parameters and from the incidence angle, the radiation is reflected back into the core 1 or goes to the pseudo-sheath 8. The radiation propagating in the core is reflected from the mirror 6 and returns to the light radiation detector 4 again interacting with the pseudo-coat 8. The value of the radiation intensity returning to the detector is a measure environmental parameters, especially humidity.

Promieniowanie świetlne może być w zakresie widzialnym, podczerwonym lub nadfioletowym.Light radiation may be in the visible, infrared, or ultraviolet range.

Claims

1. A fiber optic sensor head for measuring environmental parameters, in particular refractive index or liquid level, comprising a core core fiber, composed of an optical fiber core covered with a sheath at one end and provided with a light source and a light radiation detector at that end, characterized in that the core the optical fiber (1) has a constant cross-section along the length of the optical fiber.

2. Head according to claim 2. A material according to claim 1, characterized in that the side surface of the core (1) is preferably covered along its entire length with a pseudo-coat (8) made of a substance whose refractive index is strongly dependent on environmental parameters, preferably on the relative humidity of the environment.

3. Fiber optic sensor head for measuring environmental parameters, in particular refractive index or liquid level, comprising a core-core optical fiber, composed of an optical fiber core covered with a sheath at one end and provided with a source of light radiation and a light radiation detector at that end, characterized in that the core optical fiber (1 has a continuously variable cross-section along the entire length of the optical fiber.

4. The head according to claim 3. A material according to claim 3, characterized in that the side surface of the core (1) is preferably covered along its entire length with a pseudo-coat (8) made of a substance whose refractive index is strongly dependent on environmental parameters, preferably on the relative humidity of the environment.