SU1702258A1 - Optical fiber refractometer - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть применено дл  измерени  показател  преломлени  жидкостей при химико-биологических исследовани х , анализах горючего. Цель изобретени  - упрощение конструкции оптоволоконного рефрактометра и сокращение расхода жидкости дл  анализа. Цель достигаетс  тем, что в оптоволоконном рефрактометре, измерительный участок представл ет собой передающий и приемный поверхностно-микронеоднород- ные волоконно-оптические элементы, представл ющие собой оголенные участки световолокна одинаковой длины, расположенные в горизонтальной плоскости параллельно, направленные навстречу друг другу и смещенные относительно друг друга на величину Ь, равную a/tg а , где а - рассто ние между оголенными участками световолокна; tg a - тангенс апертурного угла, при этом приемный элемент расположен в световом потоке, образованном вытекающими через боковую поверхность передающего элемента модами, причем рассто ние между оголенными участками световолокна обеспечивает удержание капли исследуемой жидкости между ними. 2 ил, (Л СThe invention relates to a measurement technique and can be applied to measure the refractive index of liquids during chemical and biological research, fuel analysis. The purpose of the invention is to simplify the design of an optical fiber refractometer and to reduce the consumption of liquid for analysis. The goal is achieved by the fact that in a fiber-optic refractometer, the measuring section is a transmitting and receiving surface micro-inhomogeneous fiber-optic elements that are bare sections of optical fiber of the same length, located in the horizontal plane in parallel, directed towards each other and offset relative to each other. a friend by an amount b, equal to a / tg a, where a is the distance between the bare sections of the optical fiber; tg a is the tangent of the aperture angle, while the receiving element is located in the light flux formed by the modes flowing through the side surface of the transmitting element, and the distance between the bare sections of the optical fiber keeps the drop of the liquid under study between them. 2 silt, (L S

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть применено дл  измерени  показател  преломлени  жидкостей при химико-биологических исследовани х , анализах горючего.The invention relates to a measurement technique and can be applied to measure the refractive index of liquids during chemical and biological research, fuel analysis.

Цель изобретени  - упрощение конструкции рефрактометра и уменьшение количества жидкости, требуемой дл  анализа.The purpose of the invention is to simplify the design of the refractometer and reduce the amount of liquid required for analysis.

На фиг.1 показана схема оптоволоконного рефрактометра; на фиг.2 - то же, вид сверху.Figure 1 shows a diagram of a fiber refractometer; figure 2 is the same, top view.

Рефрактометр содержит источник 1 излучени , волоконно-оптический световод 2, передающий элемент 3. приемный элемент 4, приемник 5 излучени . Приемный и передающий элементы представл ют собой поверхностно-микронеоднородные отрезки световода одинаковой длины, расположенные в горизонтальной плоскости, параллельно между собой направленные навстречу друг другу и смещенные относительно друг друга на рассто ние b a/tg а , где а - апертурный угол; а - рассто ние между ними.The refractometer contains a radiation source 1, a fiber-optic light guide 2, a transmitting element 3. a receiving element 4, a radiation receiver 5. The receiving and transmitting elements are surface-micro-inhomogeneous segments of the fiber of the same length, located in the horizontal plane, parallel to each other directed towards each other and displaced relative to each other by the distance b a / tg a, where a is the aperture angle; a is the distance between them.

Рефрактометр работает следующим образом .Refractometer works as follows.

Капл  исследуемой жидкости помещаетс  между передающим элементом 3 и приемным элементом 4 и растекаетс  по всей длине элементов. Свет от источника 1 через волоконно-оптический световод 2 поступает на передающий элемент 3. Часть светаA drop of the test liquid is placed between the transmitting element 3 and the receiving element 4 and spreads along the entire length of the elements. The light from the source 1 through the fiber-optic light guide 2 enters the transmitting element 3. Part of the light

х|x |

оabout

SD Ю СЛ 00SD You SL 00

выходит через торец световода, а ос-, альна  часть (вытекащие моды) проходит через исследуемую жидкость и попадает на приемный элемент 4. При этом количество света, попавшего на приемный элемент 4, зависит от показател  преломлени  исследуемой жидкости. Свет из приемного элемента 4 через волоконно-оптический световод 2 попадает в приемник 5 излучени , где и регистрируетс  мощность светового потока, котора   вл етс  функцией показател  преломлени  исследуемой жидкости.goes out through the end of the fiber, and the os-, aerial part (flowing out modes) passes through the liquid under study and enters the receiving element 4. At the same time, the amount of light that falls on the receiving element 4 depends on the refractive index of the liquid under study. The light from the receiving element 4 passes through the fiber-optic light guide 2 to the radiation receiver 5, where the luminous flux power is recorded, which is a function of the refractive index of the liquid under study.

Оголенные участки световолокна придают световому потоку диффузный характер рассе ни  и приема в среду и из среды через боковую поверхность волокон вследствие наличи  на сердцевине волокна поверхностных микронеоднооодностей, В рефрактометре используетс   вление .зависимости коэффициента затухани  светового потока, идущего по передающему поверхности о-микронеоднеродному элементу, представл ющему собой оголенное свето- волокно на поверхностных микронеодно- родност х, в зависимости от коэффициента преломлени  жидкости с последующим воспри тием этого излучени , образованного вытекающими модами. При этом воспри тие ведетс  так же через боковую поверхность поверхностно-микронеоднородного вопокнэ и аналогично происходит перетекание светового потока, образованно о втека- ющими модами на поверхног/ них микронеоднородност л приемного элемента . Наличие поверхностных микрснеодно- родностей сердцевины волоконного световода на измерительном участкр вызывает экспоненциальный характер затухани  и перехода светового потока в среду вследствие потерь на , т еThe exposed areas of the fiber give the luminous flux a diffuse character of scattering and reception into and out of the medium through the lateral surface of the fibers due to the presence of surface microneutronodes on the fiber core. The refractometer uses the phenomenon of the attenuation coefficient of the luminous flux going along the transmitting surface of an o-micronerodner element represented by a bare fiber on surface micro-anion-single affinity, depending on the refractive index of the fluid, followed by perception of the radiation produced by the resulting modes. In this case, the perception is also carried out through the side surface of the surface-micro-inhomogeneous surface and, similarly, the light flux flows, formed by flowing modes on the surface microheterogeneity of the receiving element. The presence of surface micronomicities of the core of the fiber in the measuring section causes an exponential nature of the attenuation and transition of the light flux into the medium due to losses

Р рое-2 ЦР рое-2 Ц

где Р - мощность светового потока на входе волоконного световода передающего элемента;where P is the power of the light flux at the entrance of the fiber of the transmitting element;

Ро - мощность светового потока на входе;Ro is the power of the light flux at the entrance;

L - длина измерительного участка, ;- коэффициент затухани  на поверхностных микронеоднородност хL is the length of the measuring section,; - attenuation coefficient on the surface microheterogeneities x

Анализиру  указанную формулу, можно предположить, что мощность светового потока , образованного вытекающими модами, будет равнаAnalyzing this formula, it can be assumed that the power of the light flux formed by the resulting modes will be equal to

Рвм Ро- Р,RVM P-P,

где Рв м - мощность светового потока вытекающих мод передающего элемента,where Rv m - the power of the luminous flux of the flowing modes of the transmitting element,

Таким образом, наибольшее перетекание , а значит и чувствительность будут максимальными приближении Рвм к Р0Thus, the greatest flow, and hence the sensitivity will be the maximum approximation Рвм to Р0

Это возможно, если световой поток будет полностью переходить в среду, т.е. необходимо или увеличивать число микронеодно- родностей, или увеличивать длинуThis is possible if the luminous flux completely passes into the medium, i.e. it is necessary either to increase the number of inhomogeneities or to increase the length

чувствительного элемента измерительного участка.sensitive element of the measuring section.

Воспри тие светового потока приемным элементом носит диффузный характер, поэтому дл  более полного перехода светового потока его необходимо концентрировать на приемном элементе. Это возможно только путем создани  оптически плотной среды между элементами дл  улучшени  световой св зи.The perception of the luminous flux of the receiving element is diffuse, therefore, for a more complete transition of the luminous flux, it is necessary to concentrate on the receiving element. This is only possible by creating an optically dense medium between the elements to improve the light coupling.

В этой св зи можно сказать, что максимальна  чувствительность рефрактометра будет лежать в пределах п 1.4. к которому относитс  большинство углеводородных топлив и глицерин.In this connection, it can be said that the maximum sensitivity of the refractometer will lie within the limits of § 1.4. to which most hydrocarbon fuels and glycerin belong.

Характер воспри ти  на приемном элементе также подчин етс  экспоненциальному закону и будет зависеть от длины приемного элемента и коэффициента поверхностных микронеоднородностей на элементе . Передающий и приемный элементы выбираютс  одинаковой длины дл  более полного перехода светового потока из пере- да ющего в приемный элементThe nature of perception on the receiving element also follows an exponential law and will depend on the length of the receiving element and the coefficient of surface micro-inhomogeneities on the element. The transmitting and receiving elements are chosen of the same length for a more complete transition of the luminous flux from the transmitting to the receiving element

При помещении к пли анализируемомWhen placed on or analyzed by

жидкое™ между передающим и приемным элементами на нее действует сила т жести, под действием которой происходит обволакивание волскон, поэтому дл  равномерного обволакивани  элементов ониthe fluid ™ between the transmitting and receiving elements is influenced by the force of gravity, under the action of which the wolfon is enveloped, therefore, for uniform enveloping of the elements, they

рэсположени в горизонтальной плоскости п оаллельно между собой. При таком расположении волокон характер смачиваемости и обволакивани  волокон будет равномерен дл  обоих элементов, что в значительнойDislocation in a horizontal plane parallel to each other. With such an arrangement of the fibers, the wettability and coating of the fibers will be uniform for both elements, which

мере вли ет на точность устройства.affects the accuracy of the device.

Характер ввода распространени  и вытекани  через боковую поверхность светового потока подчин етс  оптическим законам, поэтому, если брать идеальноThe nature of the input spreading and outflow through the side surface of the luminous flux obeys optical laws, therefore, if we take ideally

5 гладкое волокно, то угол выхода светового потока через боковую поверхность передающего элемента не будет больше угла ввода -- апертурного угла. Таким образом, дл  того , чтобы учесть этот признак, волокна сме0 щены относительно друг друга на величину Ь. При этом математический анализ размещени  элементов и характера распространени  светового потока показывает, что величина b будет равна отношению a/tg a5 smooth fiber, the angle of light output through the side surface of the transmitting element will not be greater than the angle of entry - the aperture angle. Thus, in order to take into account this feature, the fibers are displaced relative to each other by the magnitude b. At the same time, a mathematical analysis of the arrangement of elements and the nature of the propagation of the light flux shows that b will be equal to the ratio

5 , где а - рассто ние между оголенными участками световолокна; tg a - тангенс апертурного угла.5, where a is the distance between the exposed areas of the optical fiber; tg a - tangent of aperture angle.

В многомодовом волокне при вводе луча происходит распространение мод внутриIn a multimode fiber, as the beam enters, the modes propagate inside

волокна под различными углами. В рефрактометре используютс  вытекающие моды, т.е. вектора распространени  электромагнитных волн, не параллельных оптической оси волокна. Вытекание таких мод происходит через боковую поверхность передающего элемента и носит диффузный характер. Поэтому дл  регистрации этого светового потока приемный элемент должен находитьс  в световом потоке, образованном вытекающими через боковую поверхность передающего элемента модами .fibers at different angles. The following modes are used in the refractometer, i.e. the propagation vector of electromagnetic waves that are not parallel to the optical axis of the fiber. The outflow of such modes occurs through the side surface of the transmitting element and is diffuse. Therefore, to register this light flux, the receiving element must be in the light flux formed by the modes flowing through the side surface of the transmitting element.

Выбор рассто ни  между волокнами св зан с физическими свойствами жидкостей , так как на анализируемую жидкость действует сила поверхностного нат жени , то в результате экспериментальных исследований было установлено оптимальное значение рассто ни  между волокнами, при котором жидкость с самым минимальным коэффициентом поверхностного нат жени The choice of the distance between the fibers is related to the physical properties of the fluids, since the analyzed fluid is acted upon by surface tension, as a result of experimental studies, the optimal value of the distance between the fibers at which the fluid with the lowest surface tension coefficient was found

равномерно смачивала оба элемента и удерживалась на этих элементах.uniformly wetted both elements and held onto these elements.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Оптоволоконный рефрактометр, содержащий источник излучени , волоконно-оп- тимеский световод с чувствительным элементом в виде поверхностно-микронеоднородного участка световода и приемникFiber optic refractometer containing a radiation source, an optical fiber with a sensitive element in the form of a surface-micro-inhomogeneous part of the fiber and a receiver излучени , отличающийс  тем, что, с целью упрощени  констоукцми и сокращени  расхода жидкости дл  анализа, чувстви- тельный элемент выполнен в виде передающего и приемного отрезков одинаковой длины, расположенных в одной плоскости с осью устройства параллельно между собой, направленных навстречу друг другу и смещенных относительно друг друга на величину b a/tg а .где о. -апертурныйradiation, characterized in that, in order to simplify the constuction and reduce the flow of liquid for analysis, the sensing element is designed as transmitting and receiving segments of the same length, located in the same plane with the device axis parallel to each other, directed towards each other and displaced relative to each other by the value of ba / tg and where about. aperture угол; а - рассто ние между отрезками, обеспечивающее удержание капли исследуемой жидкости между ними.angle; a is the distance between the segments, which ensures the retention of a drop of the test liquid between them. Фиг. 7FIG. 7