RU2796797C2 - Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества и реализующий его волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения изменения показателя преломления прозрачных газов, жидкостей, гелеобразных веществ, твердых материалов и обеспечения абсолютной искро-взрыво-пожаробезопасности объекта. Заявленный волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества заключается в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируют световой поток в виде конуса, направляют его на прозрачную первую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «газ - материал цилиндра», падает на вторую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - газ», после чего поступает под углами на торцы отводящих оптических волокон, а затем на первый и второй приемники излучения, которые преобразуют оптические сигналы в электрические сигналы. Полость цилиндра заполняют калибровочным веществом с известным коэффициентом преломления n₀, преломленный на первой боковой поверхности цилиндра световой поток поступает на первую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - калибровочное вещество», проходит через калибровочное вещество, поступает на вторую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «калибровочное вещество - материал цилиндра»; перемещают подводящее и отводящие оптические волокна относительно боковой поверхности цилиндра в вертикальном и продольном направлениях до тех пор, пока интенсивности оптических сигналов с выхода верхнего и нижнего отводящих оптических волокон не станут максимальными и равными между собой, после чего фиксируют оптические волокна в неподвижном положении. На место цилиндра с калибровочным веществом помещают аналогичный цилиндр в виде трубки с веществом, коэффициент преломления n_ж которого необходимо определить, и по изменению сигналов с выхода приемников излучения определяют коэффициент преломления вещества n_ж. Технический результат – повышение точности измерения показателя преломления, повышение технологичности устройства, снижение массогабаритных характеристик измерительного преобразователя, обеспечение искро-взрыво-пожаробезопасности. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения изменения показателя преломления прозрачных газов, жидкостей, гелеобразных веществ, твердых материалов, например, в медицине для экспресс-анализа ротовой жидкости на начальной стадии диагностики заболевания (при вирусных, в том числе Covid-19, и иных заболеваниях), а также в проточных системах для определения состава прозрачных жидкостей (например, в топливных системах для определения качества топлива) и обеспечения абсолютной искро-взрыво-пожаробезопасности объекта.

Известен рефрактометрический способ определения коэффициента преломления жидкости, основанный на прохождении света через две призмы, между гипотенузными гранями которых помещают несколько капель исследуемой жидкости. Лучи света проходят через прозрачную грань осветительной призмы, преломляются, падают на матовую поверхность этой же призмы, где рассеиваются на исследуемую жидкость под разными направлениями, падают на гипотенузную поверхность второй измерительной призмы, где преломляются, лучи, выходящие из измерительной призмы поступают в зрительную трубу, по границе раздела света и тени, наблюдаемой в зрительной трубе, определяют коэффициент преломления [file:///C:/Users/l/Downloads/0174e29.pdf].

Недостатки известного способа:

- измерения предельного угла проводят по границе света и тени, которая недостаточно четкая для высокоточных измерений, а это приводит к погрешностям определения коэффициента преломления;

- если исследуются жидкости с вирусами, то конструкция устройства, реализующего способ, не отвечает условиям безопасности, после каждого измерения необходимо проводить дезинфекцию устройства, что не отвечает требованиям экспресс-анализа и резко удорожает процедуру анализа;

- способ нельзя использовать для определения коэффициента преломления прозрачных газов, гелеобразных веществ, твердых материалов.

Известен рефрактометрический способ определения коэффициента преломления жидкости, основанный на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси (состоящей из растворителя и исследуемого компонента), которую заливают в тонкостенную призматическую кювету или в призматическую выемку в материале с известным коэффициентом преломления и по углу отклонения луча определяют искомый коэффициент преломления [Латышенко, К.П. Мониторинг загрязнения окружающей среды: учебник и практикум для среднего профессионального образования / К.П. Латышенко. - Москва: Издательство Юрайт, 2019. - 375 с. URL: https://urait.ru/bcode/433597https://studme.org/224041 /ekologiya/monitoring_zagryazneniya_okruzhayuschey_sredyj.

Недостатки известного способа:

- малая чувствительность и низкая точность измерения, так как, например, если в воде с коэффициентом преломления 1,33 растворить хлорид натрия (30%), то коэффициент преломления должен составить 1,37;

- разность коэффициентов в 0,04 зарегистрировать с высокой точностью можно только, используя сложные аппаратные средства, не подходящие для точного экспресс-анализа;

- трудно определить или обеспечить процентное соотношение растворяемых веществ, что существенно влияет на значение показателя преломления исследуемой жидкости;

- реализация призматической кюветы, в которой точно соблюдены все ее геометрические параметры, удорожает устройство, реализующее способ;

- большое время проведения измерений из-за необходимости размещения жидкости в призмах, а использование нескольких призм будет осложнено из-за их дороговизны и отсутствия в свободном доступе в необходимых количествах (когда, например, речь идет об анализах на Covid-19).

Известен способ измерения показателя преломления, основанный на явлении полного внутреннего отражения на плоскости соприкосновения исследуемого вещества с оптическим элементом, которую освещают расходящимся монохроматическим пучком света от точечного или щелевого источника света, часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение, направляют на многоэлементное матричное фотоприемное устройство (ФПУ), на фоточувствительной поверхности которого формируют зоны света и тени, показатель преломления исследуемого вещества определяют по относительной площади тени на фоточувствительной поверхности матричного ФПУ, а относительную площадь тени находят путем многократного считывания сигналов со всех фоточувствительных элементов ФПУ, амплитуду сигналов которых сравнивают с заданным пороговым значением, подсчитывают число сигналов, не достигших порогового значения, и общее число считанных с ФПУ сигналов и вычисляют отношение числа сигналов, не достигших заданного значения, к общему числу считанных сигналов, которое пропорционально относительной площади тени [патент РФ №2292038 http://www.freepatent.ru/patents/2292038].

Недостатки известного способа:

- измерения предельного угла проводят по границе света и тени, которая недостаточно четкая для высокоточных измерений, а это приводит к погрешностям определения коэффициента преломления;

- положение границы света и тени измеряется в одной точке пересечения границы либо со шкалой, либо с одним элементом фотоприемной линейки, что также не способствует высокой точности измерения показателя преломления.

Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому способу является волоконно-оптический способ преобразования светового потока, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируется световой конус, который падает на боковую поверхность или сферической линзы или прозрачного цилиндра, перемещающихся под воздействием измеряемой физической величины, преломляется на границе «воздух - стекло», проходит через тело линзы или цилиндра, вторично преломляется на границе «стекло - воздух», направляется на приемный торец отводящих оптических волокон, при этом в зоне расположения отводящих оптических волокон формируется кольцевая или эллипсоидная освещенная структура, частично перекрывающая торцы отводящих оптических волокон, попадающий в приемные торцы отводящих оптических волокон световой поток поступает на приемники излучения, по изменению интенсивности оптических сигналов на выходе отводящих оптических волокон судят о значении измеряемой физической величины [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 62-69, с. 92-100, с. 162-169 https://doi.org/l0.25960/7325-1132-1; патент РФ 2338155].

Недостаток известного способа заключается в том, что он не может быть применен в полной мере для измерения показателя преломления прозрачных газов, жидкостей, гелеобразных веществ, твердых материалов из-за технической реализации измерительных преобразователей, в основе принципа действия которых он лежит.

Известно устройство для измерения показателя преломления жидких веществ, содержащее источник света в виде светодиодов с разной длиной волны излучения, светорассеиватель, преобразующий потоки от светодиодов в единый световой поток, стеклянную призму, рабочая грань которой соприкасается с исследуемым веществом, матричное фотоприемное устройство, микропроцессор и дисплей, подключенный к информационному выходу микропроцессора [патент на изобретение РФ №2562270].

Недостатки устройства следующие:

- для обеспечение высокой точности измерения необходимо, чтобы углы призмы были изготовлены с высокой точностью, а грани должны быть отполированы с погрешностью, не превышающей четверть длины волны источника излучения;

- относительную площадь тени вычисляют по отношению незасвеченных фоточувствительных элементов матрицы ФПУ к их общему числу, что может привести к большим аддитивным погрешностям, обусловленным непредсказуемыми отклонениями светового потока из-за неточности юстировки достаточно сложной оптической системы;

- наличие нескольких источников излучения и матричного фотоприемного устройства резко усложняют аппаратурную реализацию устройства;

- наличие усложняющих конструкцию и снижающих технологичность устройства лишних элементов, таких как светорассеиватель для выравнивания диаграммы направленности светодиодов, диафрагмы, формирующей расходящийся световой поток, оптической формирующей системы перед приемником излучения;

- большие габаритные размеры устройства, которые дополнительно ведут к неинформативным потерям светового потока из-за френелевских потерь и поглощения света в материалах оптической системы.

Известен рефрактометр, выполненный в виде моноблока, включающий в себя совмещенные погружной зонд с оптической системой и электронный блок с оптоэлектронной платой сбора и обработки данных измерений. Излучение от светодиода через осветительный волоконно-оптический жгут передается на входную грань рабочей призмы полного внутреннего отражения, отраженный поток через объектив и регулярный волоконно-оптический жгут передается на линейку ПЗС, где формируется граница «свет-тень» при полном внутреннем отражении света на рабочей грани оптической призмы, контактирующей с исследуемым раствором [Промышленные рефлектометры и их применение для контроля химических производств/ К.А. Акмаров, В.В. Артемьев, Н.П. Белов и др. // Приборы. - 2012. - №4 (142) - С. 1-8].

Недостатки устройства:

- очень большие габаритные размеры, в том числе призмы, что, в свою очередь, требует наличия большого количества анализируемой жидкости;

- для обеспечения высокой точности измерения необходимо, чтобы углы призмы были изготовлены с высокой точностью, а грани должны быть отполированы с допуском, не превышающим четверть длины волны источника излучения, что существенно снижает технологичность конструкции устройства;

- относительную площадь тени вычисляют по отношению незасвеченных светочувствительных элементов ПЗС-матрицы к их общему числу, что может привести к большим аддитивным погрешностям, обусловленным непредсказуемым отклонениям светового потока из-за неточной юстировки достаточно сложной оптической системы;

- использование не одиночных оптических волокон, а жгута волокон, удорожает конструкцию, причем необходимость использования регулярного оптического жгута для формирования границы «свет-тень» потребует сложной процедуры юстировки торца жгута относительно ПЗС-матрицы.

Близким по техническому исполнению к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, между которыми расположена сферическая линза, расстояния между волокнами и линзой определяются расчетным путем [патент на изобретение РФ 2338155].

Наиболее близким по техническому и конструктивному исполнениям к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический преобразователь микроперемещения, содержащий подводящий и отводящие оптические волокна, между которыми расположен прозрачный цилиндр, расстояния между волокнами и цилиндром определяются расчетным путем [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. - 187 с. - с. 92-100 https://doi.org/10.25960/7325-1132-ll.

Недостатки перечисленных устройств в том, что они не предназначены для измерения коэффициентов преломления, так как реализуют способ, не предназначенный для определения коэффициента преломления прозрачных газов, гелеобразных веществ, твердых материалов, жидкости в силу конструктивного исполнения оптико-модулирующего элемента (сферической линзы или цилиндра, не имеющих полостей для заполнения прозрачным веществом, например, жидкостью).

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены способы и устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:

- высокая точность измерения показателя преломления за счет повышения чувствительности преобразования оптических сигналов, обеспечиваемой снижением потерь светового потока в микрометрическом оптическом тракте, предварительной калибровкой измерительного преобразователя с помощью прозрачного калибровочного вещества, коэффициент преломления которого близок к коэффициенту преломления материала трубки, расположенной между оптическими волокнами, а также за счет возможной реализации дифференциального преобразования оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации;

- повышение технологичности устройства за счет простоты конструкции (в которой отсутствует сложная оптическая система и сложные процедуры юстировки);

- существенное снижение массо-габаритных характеристик измерительного преобразователя;

- обеспечение безопасной для здоровья пациента диагностики заболевания с помощью данного устройства;

- обеспечение искро-взрыво-пожаробезопасности, если техническое решение будет использоваться в проточных топливных системах.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества заключается в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируют световой поток в виде конуса, направляют его на прозрачную первую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «газ - материал цилиндра», падает на вторую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - газ», после чего поступает под углами на торцы отводящих оптических волокон, причем верхняя часть светового потока поступает по верхнему отводящему оптическому волокну на первый приемник излучения, нижняя часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну поступает на второй приемник излучения, оптические сигналы на приемниках излучения преобразуются в электрические сигналы, который отличается тем, что полость цилиндра, выполненного в виде трубки, заполняют калибровочным веществом с известным коэффициентом преломления n₀, преломленный на первой боковой поверхности цилиндра световой поток поступает на первую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - калибровочное вещество», проходит через калибровочное вещество, поступает на вторую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «калибровочное вещество - материал цилиндра»; перемещают подводящее и отводящие оптические волокна относительно боковой поверхности цилиндра в вертикальном и продольном направлениях до тех пор, пока интенсивности оптических сигналов с выхода верхнего и внутреннего отводящих оптических волокон не станут максимальными и равными между собой, после чего фиксируют оптические волокна в неподвижном положении; далее на место цилиндра с калибровочным веществом помещают аналогичный цилиндр в виде трубки с веществом, коэффициент преломления n_ж которого необходимо определить; по изменению сигналов с выхода приемников излучения определяют коэффициент преломления вещества n_ж.

2 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

где k₀ - коэффициент пропорциональности, равный отношению уровня сигнала с выхода одного из приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к уровню сигнала того же приемника излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

3 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что сигналы с выходов приемников излучения суммируют, коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

где k_Σ - коэффициент пропорциональности, равный отношению уровня суммарного сигнала с выхода приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к уровню суммарного сигнала с выхода приемников излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

4 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что сигналы с выходов первого и второго приемников излучения вычитают друг из друга, суммируют между собой, затем находят отношение разности сигналов к их сумме, коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

n_ж=kh₀,

где k - коэффициент пропорциональности, равный отношению разности сигналов с выходов приемников излучения к сумме сигналов с выходов приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к разности сигналов с выходов приемников излучения к сумме сигналов с выходов приемников излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

5 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный газ.

6 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачную жидкость.

7 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный гель.

8 Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1 отличается тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный твердый материал.

9 Волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь содержит корпус, в котором расположены подводящий и отводящие оптические волокна, между которыми расположен прозрачный цилиндр таким образом, что его продольная ось перпендикулярна оптической оси подводящего оптического волокна, причем отличается тем, что цилиндр выполнен в виде трубки, в полости которой находится прозрачное вещество, коэффициент преломления n_ж которого определяется, причем параметры преобразователя связаны выражениями:

где

n₁, n₂, n_ж - коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и внешней поверхностью цилиндрической трубки, материала цилиндрической трубки, материала вещества внутри цилиндрической трубки;

r_ц, r_ж - внешний и внутренний радиусы цилиндрической трубки;

r_C, Θ_NA - радиус сердцевины и апертурный угол оптического волокна;

Θ_вх - угол, под которым луч падает на торец отводящего оптического волокна;

- расстояние от подводящего оптического волокна до цилиндрической трубки;

- расстояние от цилиндрической трубки до приемных торцов отводящих оптических волокон.

На фиг. 1 приведена упрощенная конструкция волоконно-оптического рефрактометрического измерительного преобразователя, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - геометрические построения, поясняющие новый волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления вещества, на фиг. 3 - схема, поясняющая расположение подводящих и отводящих оптических волокон относительно трубки, перемещающихся в ортогональных направлениях осей X и Y. В сечении А-А показано пересечение светового потока с приемным торцом отводящего оптического волокна при коэффициентах преломления n₀ и n_ж, фиг. 4 - геометрические построения для вывода выражений (4) и (5).

Волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь (ВОП) содержит прозрачную цилиндрическую трубку 1 с прозрачным веществом (например, жидкостью) 2 (фиг. 1). Трубка 1 установлена в продольном отверстии корпуса 3 на прокладку 4 и нижнюю часть корпуса 3. Сверху трубка фиксируется крышкой 5. С одной стороны трубки 1 на расстоянии

соосно с ней расположен излучающий торец подводящего оптического волокна (ПОВ) 6, с другой стороны трубки 1 на расстоянии

расположены приемные торцы отводящих оптических волокон (ООВ) 7 и 8 первого и второго измерительных каналов. ООВ 7 и 8 располагаются друг над другом в непосредственной близости друг к другу или на некотором расстоянии D. Приемный торец ПОВ 6 состыкован с источником излучения - светодиодом 9. Излучающие торцы ООВ 7 и 8 состыкованы с приемниками излучения - фотодиодами 10, 11 первого и второго измерительных каналов соответственно или с одним приемником излучения.

Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества реализуется с помощью предлагаемого волоконно-оптического рефрактометрического измерительного преобразователя следующим образом.

Световой поток Ф₀, сформированный источником излучения - светодиодом 9, по ПОВ 6 направляется в зону измерения, выходит под углом Θ_NA на излучающем торце ПОВ 6 в виде конуса [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 68], передается в направлении трубки 1 (см. фиг. 1 и 2).

Внешний и внутренний лучи света, формирующие полый конус, падают на первую боковую поверхность трубки 1 под углами α₁ и α₂, где преломляются на границе раздела сред «воздух - стекло» под углами β₁ и β₂, преломленные лучи поступают на первую внутреннюю поверхность цилиндрической трубки 1 под углами γ₁ и γ₂, где преломляются на границе раздела сред «стекло - прозрачное вещество (например, жидкость)» под углами δ₁ и δ₂, проходят через прозрачное вещество 2, вторично падают на противоположную внутреннюю поверхность цилиндрической трубки 1 под углами δ₁ и δ₂, где преломляются на границе раздела сред «прозрачное вещество - стекло» под углами ε₁ и ε₂, поступают на вторую внешнюю поверхность цилиндрической трубки 1 под углами ϕ₁ и ϕ₂, преломляются на границе раздела сред «стекло - воздух» под углами ψ₁ и ψ₂, фокусируются в направлении приемных торцов ООВ, падают на приемную поверхность ООВ 7 и 8 под углами Θ_BX1 и Θ_ВХ2 соответственно (см. фиг. 2).

Изображение излучающего торца ПОВ 6 в плоскости А-А, где расположены приемные торцы ООВ 7 и 8, меняет свой контур при изменении показателя преломления прозрачного вещества (например, жидкости), что, в свою очередь, ведет к изменению площади перекрытия приемных торцов OOB 7 и 8 световым пятном (см. фиг. 2).

Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.

Применение сначала прозрачного вещества (например, жидкости) 2 с известным коэффициентом преломления n₀, помещенного в цилиндрическую трубку, а потом прозрачного вещества 2, коэффициент преломления n_ж которого измеряется, позволяет изменить углы Θ_BX1 и Θ_BX2, под которыми световой поток поступит на приемные торцы ООВ 7 и 8 и, соответственно, изменять площадь пересечения светового пятна (изображения излучающего торца) и плоскости торца ООВ 7 и 8, что ведет к изменению интенсивности оптического сигнала, передаваемому по ООВ 7 и 8 на приемники излучения (см. фиг. 2).

Перемещение подводящего 6 и отводящих 7 и 8 оптических волокон относительно боковой поверхности цилиндрической трубки 1 с веществом с известным коэффициентом преломления по в вертикальном и продольном направлениях необходимо для калибровки преобразователя, которая заключается в достижении максимальной интенсивности оптических сигналов с выхода ООВ 7 и 8 двух измерительных каналов и равенстве их между собой.

Замена вещества 2 с коэффициентом преломления n₀, применяемого при калибровке, веществом, коэффициент преломления n_ж которого измеряется, ведет к изменению углов преломления внутри вещества 2, а далее к изменению углов преломления во вторых внутренней и внешней поверхностях цилиндрической трубки 1. При этом изменяется интенсивность оптических сигналов, поступающих на приемники излучения 10 и 11, в k₀-раз, где k₀=n/n₀, соответственно n_ж определяется по формуле (1).

Для того, чтобы при переходе оптического луча из среды с более высоким коэффициентом преломления (материал трубки) в среду с меньшим коэффициентом преломления (например, ротовая жидкость - слюна) не проявился эффект полного внутреннего отражения, необходимо, чтобы коэффициент преломления жидкости был меньше или равен показателю преломления материала цилиндрической рубки.

С целю минимизации габаритных размеров ВОП целесообразно расстояние D выбрать равным диаметру сердцевины оптического волокна 2 r_C. Если при этом не выполняется условие (8), то расстояние D увеличивается (см. фиг. 3).

При калибровке устройства можно использовать в качестве калибровочного прозрачного вещества газ, жидкость, гелеобразное вещество, твердый прозрачный материал (например, стеклянный стержень с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру цилиндрической трубки 1 с известным коэффициентом преломлении n₀).

Расстояния

внешний и внутренний диаметры цилиндрической трубки 2 r_ц, 2 r_ж выбираются из условия максимального ввода светового потока и конструктивного согласования элементов оптической системы. ПОВ 6 располагается перед цилиндрической трубкой 1 для равномерного освещения и увеличения освещенности торцов ООВ 7 и 8 на расстоянии, равном или большем двух дистанций формирования L_Ф:

[Бадеева Е.А. и др. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. - 246 с. ].

Параметр

выбирается таким образом, чтобы при калибровке свет максимально перекрывал приемные торцы ООВ 7 и 8, а при измерении показателя преломления вещества 2 - минимально. С этой целью расстояние

определяется выражением:

Например, для оптических волокон с параметрами d_c=0,2 мм, Θ_NA=12°, цилиндрической трубки с внешним радиусом r_ц=2,5 мм и внутренним радиусом цилиндрической трубки r_тр=1,5 мм передача максимально возможной мощности излучения в зону преобразования оптических сигналов достигается при

и

Расстояния между торцами оптических волокон 6, 7, 8 и цилиндрической трубкой 1, определяемые выражениями (6) и (7), обеспечивают максимальную чувствительность преобразования оптических сигналов.

Для достижения максимального перепада значений оптических сигналов между калибровочным веществом и веществом, коэффициент преломления которого измеряется, необходимо не только разместить ООВ 7 и 8 на нужном расстоянии, но также позиционировать их таким образом, чтобы оптические лучи попадали в отводящие оптические волокна под углами Θ_BX1 и Θ_BX2 и не превышающими апертурный угол оптического волокна Θ_NA, то есть:

а также, чтобы выполнялось условие (4), полученное на основе основных законов геометрической оптики (законы отражения и преломления) в соответствии с геометрическими построениями, приведенными на фиг. 4.

Применение двух ООВ 7 и 8 позволяет:

- обеспечить повышение чувствительности устройства, если оба ООВ 7 и 8 подстыкованы к одному и тому же приемнику излучения (или 10 или 11) за счет суммирования сигналов, что в совокупности ведет к повышению точности измерения коэффициента преломления n_ж, определяемого в этом случае по формуле (2):

- реализовать дифференциальное (двухканальное) преобразование оптических сигналов, когда коэффициент преломления n_ж определяется по формуле (3), что снижает дополнительные погрешности от воздействия внешних влияющих факторов [Волоконно-оптические приборы и системы: Научные разработки НТЦ "Нанотехнологии волоконно-оптических систем" Пензенского государственного университета Ч. I / Т.И. Мурашкина, Е.А. Бадеева. СПб.: Политехника, 2018. 187 с. - с. 87-91, Глава 5 https://doi.org/10.25960/7325-1132-l] (например, от изгибов оптических волокон, изменения мощности источника излучения 8 при изменении температуры и пр.).

Расположение ООВ 7 или вертикально над ООВ 8, или с некоторым смещением по окружности в плоскости расположения ООВ 7 и 8 необходимо для обеспечения равенства сигналов в двух измерительных каналах и повышения чувствительности преобразования оптического сигнала.

Возможность расположения ООВ 7 и 8 с некоторым допустимым смещением по окружности снижает требования к процедуре юстировки.

Совокупность признаков приводит к достижению технического результата предлагаемого изобретения.

Предлагаемые новые волоконно-оптический способ измерения показателя преломления прозрачного вещества и волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь, его реализующий, позволяют:

- повысить чувствительность преобразования оптических сигналов, обеспечиваемой снижением потерь светового потока в микрометрическом оптическом тракте;

- повысить точность измерения показателя преломления;

- упростить процедуру юстировки оптической системы преобразователя;

- проводить предварительную калибровку измерительного преобразователя с помощью калибровочной жидкости, коэффициент преломления которой близок к коэффициенту преломления материала трубки, расположенной между оптическими волокнами;

- при необходимости выполнять при необходимости дифференциальное (двухканальное) преобразование оптических сигналов непосредственно в зоне восприятия измерительной информации для снижения большинства дополнительных погрешностей измерительного преобразователя;

- упростить конструкцию, повысить технологичность конструкции измерительного преобразователя;

- уменьшить массо-габаритные характеристики измерительного преобразователя;

- проводить экспресс-измерения и экспресс-анализ состава прозрачного вещества;

- использовать в зоне измерения оптическое излучение мощностью не более 10 мкВт, что при необходимости позволит проводить измерения в искро-взрыво-пожароопасных средах;

- исключить любые негативные последствия от электромагнитного воздействие на здоровье пациента и на результаты измерения.

Claims (24)

1. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества, заключающийся в том, что на выходе подводящего оптического волокна формируют световой поток в виде конуса, направляют его на прозрачную первую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «газ - материал цилиндра», падает на вторую боковую поверхность цилиндра, где он преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - газ», после чего поступает под углами на торцы отводящих оптических волокон, причем верхняя часть светового потока поступает по верхнему отводящему оптическому волокну на первый приемник излучения, нижняя часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну поступает на второй приемник излучения, оптические сигналы на приемниках излучения преобразуются в электрические сигналы, отличающийся тем, что полость цилиндра, выполненного в виде трубки, заполняют калибровочным веществом с известным коэффициентом преломления n₀, преломленный на первой боковой поверхности цилиндра световой поток поступает на первую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «материал цилиндра - калибровочное вещество», проходит через калибровочное вещество, поступает на вторую внутреннюю поверхность трубки, где преломляется на границе раздела сред «калибровочное вещество - материал цилиндра»; перемещают подводящее и отводящие оптические волокна относительно боковой поверхности цилиндра в вертикальном и продольном направлениях до тех пор, пока интенсивности оптических сигналов с выхода верхнего и нижнего отводящих оптических волокон не станут максимальными и равными между собой, после чего фиксируют оптические волокна в неподвижном положении; далее на место цилиндра с калибровочным веществом помещают аналогичный цилиндр в виде трубки с веществом, коэффициент преломления n_ж которого необходимо определить; по изменению сигналов с выхода приемников излучения определяют коэффициент преломления вещества n_ж.

2. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

n_ж=k₀n₀,

где k₀ - коэффициент пропорциональности, равный отношению уровня сигнала с выхода одного из приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к уровню сигнала того же приемника излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

3. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что сигналы с выходов приемников излучения суммируют, коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

n_ж=k_Σn₀,

где k_Σ - коэффициент пропорциональности, равный отношению уровня суммарного сигнала с выхода приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к уровню суммарного сигнала с выхода приемников излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

4. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что сигналы с выходов первого и второго приемников излучения вычитают друг из друга, суммируют между собой, затем находят отношение разности сигналов к их сумме, коэффициент преломления вещества n_ж определяют по формуле:

n_ж=kh₀,

где k - коэффициент пропорциональности, равный отношению разности сигналов с выходов приемников излучения к сумме сигналов с выходов приемников излучения при наличии в трубке калибровочного вещества к разности сигналов с выходов приемников излучения к сумме сигналов с выходов приемников излучения при наличии в трубке вещества с измеряемым коэффициентом преломления n_ж.

5. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный газ.

6. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачную жидкость.

7. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный гель.

8. Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества по п. 1, отличающийся тем, что в качестве калибрующего вещества используют прозрачный твердый материал.

9. Волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь содержит корпус, в котором расположены подводящий и отводящие оптические волокна, между которыми расположен прозрачный цилиндр таким образом, что его продольная ось перпендикулярна оптической оси подводящего оптического волокна, отличающийся тем, что цилиндр выполнен в виде трубки, в полости которой находится прозрачное вещество, коэффициент преломления n_ж которого определяется, причем параметры преобразователя связаны выражением:

где

n₁, n₂, n_ж - коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и внешней поверхностью цилиндрической трубки, материала цилиндрической трубки, материала вещества внутри цилиндрической трубки;

r_ц, r_ж - внешний и внутренний радиусы цилиндрической трубки;

f_C, Θ_NA - радиус сердцевины и апертурный угол оптического волокна;

Θ_вх - угол, под которым луч падает на торец отводящего оптического волокна;

- расстояние от подводящего оптического волокна до цилиндрической трубки;

- расстояние от цилиндрической трубки до приемных торцов отводящих оптических волокон.

Images