RU2506568C2

RU2506568C2 - Устройство измерения показателя преломления

Info

Publication number: RU2506568C2
Application number: RU2011132274/28A
Authority: RU
Inventors: Максим Андреевич Симонов; Михаил Владимирович Греков; Сергей Александрович Васильев; Олег Игоревич Медведков; Евгений Михайлович Дианов; Алексей Владимирович Заренбин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инновационное предприятие "НЦВО-ФОТОНИКА" (ООО ИП "НЦВО-Фотоника"); Учреждение Российской академии наук Научный центр волоконной оптики РАН (НЦВО РАН)
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2014-02-10
Also published as: RU2011132274A

Abstract

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, порошков и т.п. веществ. Устройство измерения показателя преломления содержит по меньшей мере один щуп-зонд, соединенный с регистрирующим модулем посредством световода, при этом щуп-зонд может быть выполнен, например, с использованием керамической ферулы, выполняющей роль оправы световода и плосковыпуклой линзы, или другими способами. Изобретение позволяет создать простое в исполнении устройство для реализации многоточечного непрерывного измерения показателя преломления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, использующим метод релеевского отражения, и может быть применено при создании средств измерения показателя преломления как оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных жидкостей, паст, гелей, мелкодисперсных порошков и т.п.веществ.

Известен способ изготовления датчика измерения показателя преломления и чувствительного элемента измерения показателя преломления (CN 101871886 А). В способе изготовления датчика индекса показателя преломления золотая пленка является покрытием по окружной поверхности наклонной волоконной решетке Брэгга за счет использования метода ионного распыления покрытия пленки. Решетку освещают поляризованным светов, затем через демодулятор отправляют на компьютер для пересчета длины волны Брэгга в показатель преломления среды. Как известно, на волоконную решетку Брэгга сильное влияние оказывает внешние воздействия -изменение температуры, наличие вибраций или деформаций. Таким образом процесс внедрения такого датчика затруднителен, из-за сильного влияния внешних воздействий.

Известно устройство измерения показателя преломления (JP 59015841 А). Используя волоконно-оптический мультиплексор в волокно вводят определенное количество света на разных длинах волн, свет отражается от торца и, проходя через демультиплексор, регистрируется приемным устройством. Исходя из уровня отраженного сигнала на каждой длине волны рассчитывается показатель преломления в локальной точке измерения. Недостатком данного способа измерения является отсутствие измерения опорного сигнала, что существенно усложняет определение показателя преломления, снижает точность и увеличивает стоимость прибора из-за применения дорогостоящих комплектующих. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изготовления многоканальной модификации.

Известно устройство измерения показателя преломления (WO 8203460). Щуп в виде торца одного или нескольких оптических волокон позволяет выполнить измерение сигнала, отраженного от границы раздела торца оптического волокна и измеряемой среды, при этом показатель преломления оптического волокна должен быть выше показателя преломления измеряемой среды, в соответствии с формулой Френеля. Недостатком данного устройства является маленькая рабочая площадь и низкий показатель преломления щупа, из-за использования торца волокна, в качестве щупа, в результате чего возникают погрешности при измерениях показателя преломления в средах содержащих нерастворенные частицы.

Задачей заявляемого изобретения является создание простого в исполнении устройства измерения показателя преломления со световым диаметром торца щупа, превышающем световой диаметр волоконного световода и высоким показателем преломления для реализации многоточечного непрерывного измерения веществ, таких как: жидкости, пасты, гели, мелкодисперсные порошки и т.п.вещества.

Данная задача решается созданием устройства измерения показателя преломления, которое состоит, по меньшей мере, из одного щупа-зонда соединенного с регистрирующим модулем посредством оптического световода, что позволяет получать информацию о состоянии той или иной точки измерения в кратчайшее время. Это позволяет подключать к регистрирующему блоку различного рода исполнительные устройства сигнализации и оповещения. При этом щуп-зонд может быть выполнен разными способами: с использованием керамической ферулы, выполняющую роль оправы световода и плоско-выпуклой линзы из материала с высоким показателем преломления, плоская поверхность которой отклонена от перпендикуляра к основанию на угол, обеспечивающий исключение обратного отражения, выпуклая поверхность которой имеет радиус кривизны, обеспечивающий попадание светового потока на границу раздела двух сред перпендикулярно; или с использованием плоско-выпуклой линзы из материала с высоким показателем преломления для обеспечения перпендикулярности направления отраженного пучка света от раздела сред линза - измеряемое вещество; или с использованием волоконно-оптического коллиматора для расширения светового пучка, после которого располагается призма из материала с высоким показателем преломления с углами между основаниями, обеспечивающими отражение светового потока от границы двух сред перпендикулярно; или в виде волоконного световода из материала с высоким показателем преломления с конвертером поля моды, который представляет собой адиабатическое расширение диаметра поля моды в направление выходного торца имеющего перпендикулярный скол.

В частности щуп-зонд может быть выполнен с использованием чувствительного к температуре элемента, который выполнен в виде термо-ЭДС, терморезистора, волоконной решетки Брэгга.

Технический результат достигается тем, что, благодаря применению описанного выше щупа-зонда для измерения показателя преломления, достигается возможность реализовать прецизионные многоточечные дистанционные и непрерывные измерения показателя преломления как оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных жидкостей, паст, гелей, мелкодисперсных порошков и т.п. веществ.

Фигура 1 - схема устройства для измерения показателя преломления.

Фигура 2 - распределение света на границе раздела «щуп-зонд/раствор».

Фигура 3, Фигура 4, Фигура 5 - схемы щупа-зонда, выполненного разными способами.

Устройство для измерения показателя преломления (Фиг.1) состоит из щупов-зондов 6, регистрирующего модуля 1, включающего в себя: источника света 2, светораспределительную систему 3, фотоприемники 4 и 5, при этом: от источника посредством оптического волокна свет попадает в светораспределительную систему, где происходит его деление на опорную 7 и измерительную 8 составляющие, при этом опорная составляющая посредством оптического волокна попадает на фотоприемник 4, а измерительная поочередно проходит через все щупы-зонды 1, отражается (Фиг.2) от границы 21 «щуп-зонд (1)/раствор (22)» и посредством оптического волокна через светораспределительную систему попадает на фотоприемник 5.

Щуп-зонд необходим для того, чтобы максимально повысить разницу показателей преломления с измеряемой средой, а так же максимально увеличить световой диаметр торца щупа. Конструктивно он может быть выполнен разными способами:

1. С использованием волоконно-оптического коллиматора 31 для расширения светового пучка, после которого располагается призма 32 из материала с высоким показателем преломления с углами между основаниями, обеспечивающими отражение светового потока от границы двух сред перпендикулярно (Фиг.3).

2. С использованием керамической ферулы 41, выполняющую роль оправы световода 42 и плоско-выпуклой линзы 43 из материала с высоким показателем преломления, плоская поверхность которой отклонена от перпендикуляра к основанию на угол, обеспечивающий исключение обратного отражения, выпуклая поверхность которой имеет радиус кривизны, обеспечивающий попадание светового потока на границу раздела двух сред перпендикулярно (Фиг.4).

3. С использованием плоско-выпуклой линзы 43 из материала с высоким показателем преломления для обеспечения перпендикулярности направления отраженного пучка света от раздела сред линза - измеряемое вещество (Фиг.5).

Показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. и от температуры вещества. Вследствие этого в зонд помещается элемент, чувствительный к температуре, который может быть выполнен в виде термо-ЭДС, терморезистора, волоконной решетки Брэгга.

Все компоненты в зависимости от конкретного применения устройства могут иметь различные рабочие длины волн в диапазонах: 850 нм, 1270-1330 нм, 1500-1600 нм.

Claims

1. Устройство измерения показателя преломления, состоящее, по меньшей мере, из одного щупа-зонда, соединенного с регистрирующим модулем посредством оптического световода, при этом щуп-зонд выполнен с использованием керамической ферулы, выполняющей роль оправы световода, и плоско-выпуклой линзы из материала с высоким показателем преломления, плоская поверхность которой отклонена от перпендикуляра к основанию на угол, обеспечивающий исключение обратного отражения, выпуклая поверхность которой имеет радиус кривизны, обеспечивающий попадание светового потока на границу раздела двух сред перпендикулярно, или с использованием плоско-выпуклой линзы из материала с высоким показателем преломления для обеспечения перпендикулярности направления отраженного пучка света от раздела сред линза - измеряемое вещество, или с использованием волоконно-оптического коллиматора для расширения светового пучка, после которого располагается призма из материала с высоким показателем преломления с углами между основаниями, обеспечивающими отражение светового потока от границы двух сред перпендикулярно, или в виде волоконного световода из материала с высоким показателем преломления с конвертером поля моды, который представляет собой адиабатическое расширение диаметра поля моды в направление выходного торца, имеющего перпендикулярный скол.

2. Устройство измерения показателя преломления по п.1, отличающееся тем, что щуп-зонд выполнен с использованием чувствительного к температуре элемента, который выполнен в виде термо-ЭДС, терморезистора, волоконной решетки Брэгга.