SU1755123A1 - Fiber-optics 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  - повышение чувствительности и точности определени . Чувствительный элемент рефрактометра выполнен в виде передающего и приемного поверхностно-микронеодио- родных волоконно-оптических элементов, представл ющих собой участки световолок- на одинаковой длины со светоотражающими торцами, причем с передающего элемента удалена защитна  оболочка и он помещен внутри приемного элемента, представл ющего собой трубчатое световолок- но, конец которого оборудован днищем. 1 табл., 1 ил.The invention relates to a measurement technique and can be applied to measure the refractive index of liquids, during chemical and biological research, and analyzes of fuel. The purpose of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of determination. The sensitive element of the refractometer is made in the form of a transmitting and receiving surface-micro-diode fiber-optic elements, which are sections of optical fiber of the same length with reflecting ends, and the protective sheath is removed from the transmitting element and it is placed inside the receiving element, which is optical fiber, the end of which is equipped with a bottom. 1 tab., 1 Il.

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.

Известен рефрактометр, содержащий последовательно соединенные источник излучени , волоконно-оптическую линию передачи информации, измерительный участок, приемник излучени , измерительный участок выполнен в виде поверхностно- нерегул рного, изогнутого волоконного световода.A refractometer is known, which contains a series-connected radiation source, a fiber-optic information transmission line, a measuring section, a radiation receiver, and a measuring section made in the form of a surface-irregular, curved fiber light guide.

Недостатками этого рефрактометра  вл ютс  низка  чувствительность и точность, Т.к. у данного рефрактометра узкий диапазон измерени  (п 1,3..,1,4), сложность изготовлени  петлеобразного чувствительного элемента и значительный объем жидкости, требуемой дл  анализа, так как чувствительный элемент должен быть полностью погружен в нее.The disadvantages of this refractometer are low sensitivity and accuracy, since With this refractometer, there is a narrow measuring range (1.3), 1.4, the difficulty of making a loop-shaped sensing element and a significant amount of liquid required for analysis, since the sensing element must be completely immersed in it.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  рефрактометр, который содержит источник излучени , волоконно-оптический световод, передающий элемент, приемный элемент и приемник излучени .Closest to the invention is a refractometer, which contains a radiation source, a fiber optic light guide, a transmitting element, a receiving element and a radiation receiver.

Приемный и передающий элементы представл ют собой поверхностно-микронеоднородные отрезки световоды одинаковой длины, расположенные в горизонтальной плоскости параллельно между собой, направленные навстречу друг другу и смещенные относительно друг на рассто нии b a/tg , где - апертурный угол; а - рассто ние между ними.The receiving and transmitting elements are surface-micro-inhomogeneous segments of light guides of the same length, parallel to each other in the horizontal plane, directed towards each other and offset relative to each other by distance b a / tg, where is the aperture angle; a is the distance between them.

Рефрактометр работает следующим образомRefractometer works as follows

Капл  исследуемой жидкости помещаетс  между передающими и приемным элементом и растекаетс  по всей длине элементов. Свет от источника через волоконно-оптический световод поступает на передающий элемент. Часть света выходитA drop of the test liquid is placed between the transmitting and receiving elements and spreads along the entire length of the elements. Light from a source through a fiber-optic light guide enters the transmitting element. Part of the world comes out

Х|X |

ел елate

юYu

САCa

через торец световода, а остальна  часть (вытекающие моды) проход т через исследуемую жидкость, попадает на приемный элемент. При этом количество света, попавшего на приемный элемент зависит от пока- зател  преломлени  исследуемой жидкости. Свет из приемного элемента через волокон- но оптический светойод попадает в приемник излучени , где и регистрируетс  мощность светового потока, котора   вл етс  функцией показател  преломлени  исследуемой жидкостиthrough the end of the fiber, and the rest (flowing modes) passing through the test liquid, falls on the receiving element. At the same time, the amount of light caught on the receiving element depends on the refractive index of the liquid under study. The light from the receiving element through the fiber-optic light enters the radiation receiver, where the luminous flux power is recorded, which is a function of the refractive index of the liquid under study.

Недостатками данного рефрактометра  вл ютс  низка  чувствительность и точность определени  коэффициента преломлени , Это объ сн етс  тем, что в данном рефрактометре через анализируемую жидкость проходит не вс  часть светового потока, образованного вытекающими через боковую поверхность оголенного передающего эле- мента модами, а только та часть, котора  выходит из передающего элемента в местах контакта его с пленкой жидкости. Или, другими словами, в анализе жидкости участвует не более 5-7% светового потока, образован- иого вытекающими через боковую поверхность оголенного передающего элемента модамиThe disadvantages of this refractometer are low sensitivity and accuracy of refractive index determination. This is due to the fact that in this refractometer the analyzed fluid does not pass through the entire luminous flux formed by the modes flowing through the side surface of the bare transmitting element, but only that part which comes out of the transmitting element at the places of its contact with the liquid film. Or, in other words, no more than 5–7% of the luminous flux, formed by the modes flowing through the side surface of the bare transmitting element, takes part in the analysis of the fluid

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности определени .The purpose of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of determination.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в оптоволоконном рефрактометре, содержащем последовательно расположенные источник излучени , волоконно-оптический световод с чувствительным элементом, вы- полненным в виде передающего и приемного поверхностно-микронеоднорбдных участков световода одинаковой длины и приемник излучени , выходной торец передающего и входной торец приемного эле- ментов выполнены светоотражающими, при этом передающий элемент размещен внутри приемного элемента, выполненного в виде трубчатого световолокна.The goal is achieved by the fact that, in a fiber-optic refractometer containing a successively located radiation source, a fiber-optic light guide with a sensing element made in the form of a transmitting and receiving surface-micronedodorbd sections of a fiber of the same length and a radiation receiver, the output end of the transmitting and the receiving end the elements are made reflective, while the transmitting element is placed inside the receiving element, made in the form of a tubular optical fiber.

На чертеже представлена схема оптово- локонного рефрактометраThe drawing shows a diagram of a fiber optic refractometer

Рефрактометр содержит источник 1 из- пучени , волоконно-оптический световод 2, передающий элемент 3, приемный элемент 4, приемник излучени  5. Торцы 6 элемен- тов 3, 4 выполнены светоотражающими. Передающий элемент 3 снабжен пробкой 7. Приемный элемент 4 снабжен днищем 8.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 ends of the 6 elements 3, 4 are made of light-reflecting. The transmitting element 3 is provided with a plug 7. The receiving element 4 is provided with a bottom 8.

Рефрактометр работает следующим образом .Refractometer works as follows.

Микронавеска исследуемой жидкости помещаетс  внутри приемного элемента 4. Затем внутрь приемного элемента 4 помещаетс  оголенный участок передающего элемента 3 и крепитс  пробкой 7. свет отThe microhang of the test liquid is placed inside the receiving element 4. Then a bare portion of the transmitting element 3 is placed inside the receiving element 4 and secured with a plug 7. Light from

источника света 1 через волоконно-оптический световод 2 поступает на передающий элемент 3. Вытекающий через рабочую поверхность передающего элемента свет (вытекающие моды) проходит через исследуемую жидкость, попадает на приемный элемент 4. При этом количество света, попавшего на приемный элемент 4, зависит от показател  преломлени  исследуемой жидкости. Свет от приемного элемента 4 через часть 9 волоконно-оптического световода попадает в приемник излучени  5, где и регистрируетс  мощность светового потока , котора   вл етс  функцией показател  преломлени  исследуемой жидкости.the light source 1 through the fiber-optic light guide 2 enters the transmitting element 3. The light flowing out through the working surface of the transmitting element passes through the liquid under study to the receiving element 4. The amount of light that enters the receiving element 4 depends on refractive index of the test liquid. The light from the receiving element 4 through part 9 of the fiber-optic light guide enters the radiation receiver 5, where the light power is recorded, which is a function of the refractive index of the liquid under study.

Пример. Дл  изготовлени  рефрактометра было выбрано трубчатое волокно и оптоволокно с диаметром сердцевины 600 мкм, передающий и приемный элементы имели длину 30 мм, рассто ние между волокнами составило 0,5 мм. В качестве источника излучени  в лабораторной модели применили гелий-неоновый лазер, приемника излучени  - ваттметр поглощаемой мощности. При изготовлении действующих приборов рекомендуетс  использовать в качестве источника излучени  полупроводниковые лазеры на основе арсенида гели , в качестве приемника излучени  - фотодиоды.Example. For the manufacture of the refractometer, a tubular fiber and an optical fiber with a core diameter of 600 µm were selected, the transmitting and receiving elements had a length of 30 mm, the distance between the fibers was 0.5 mm. A helium-neon laser was used as a radiation source in a laboratory model, and a wattmeter of absorbed power was used as a radiation detector. In the manufacture of active devices, it is recommended to use semiconductor lasers based on arsenide gels as a radiation source, and photodiodes as a radiation receiver.

Дл  определени  коэффициента преломлени  был составлен калибровочный график Дл  построени  графика использовались эталонные жидкости, характеристики которых показаны в таблице.To determine the index of refraction, a calibration graph was drawn up. To construct the graph, reference fluids were used, the characteristics of which are shown in the table.

В данном рефрактометре используетс   вление частичного нарушени  полного внутреннего отражени  на границе передающей элемент (сердечник световолокна) - окружающа  среда. Если окружающей средой дл  передающего элемента  вл етс  воздух с показател ми преломлени  пв 1, то на его боковой поверхности имеет место полное внутреннее отражение света, При соприкосновении боковой поверхности передающего элемента (сердечника световолокна ) с жидкостью услови  полного внутреннего отражени  сильно измен ютс  : синус предельного угла падени  увеличиваетс  в пж раз, где пж - показатель преломлени  жидкости.This refractometer uses the phenomenon of partial disturbance of the total internal reflection at the border of the transmitting element (core of the optical fiber) - the environment. If the environment for the transmitting element is air with refractive indices of PV 1, then full internal reflection of light takes place on its side surface. When the side surface of the transmitting element (core of the optical fiber) touches the liquid, the conditions for total internal reflection change greatly: the sine of the limit the angle of incidence is increased by times, where is the refractive index of the fluid.

Световой поток, образованный вытекающими через боковую поверхность передающего элемента модами, передаетс  в приемный элемент в зависимости от коэффициента преломлени  жидкости.The luminous flux formed by the modes flowing out through the side surface of the transmitting element is transmitted to the receiving element depending on the refractive index of the liquid.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Оптоволоконный рефрактометр, содержащий последовательно расположенные источник излучени , волоконно-оптический озетовод с чувствительным элементом, выполненным в виде передающего и приемного поверхностно-микронеоднородных участков световода одинаковой длины, и приемник излучени , отличающийс  тем, что. с целью повышени  чувствительности и точности определени , выходной торец передающего и входной торец приемного элементов выполнены светоотражающими , при этом передающий элемент размещен внутри приемного элемента, выполненного в виде трубчатого световолок-, на.A fiber refractometer containing a successively located radiation source, a fiber-optic ozotod with a sensitive element made in the form of a transmitting and receiving surface-micro-inhomogeneous sections of the optical fiber of the same length, and a radiation receiver, characterized in that. In order to increase the sensitivity and accuracy of the determination, the output end of the transmitting and input end of the receiving element is made reflective, while the transmitting element is placed inside the receiving element, made in the form of a tubular optical fiber, on. б 7b 7 ЧH //// & & оЈoЈ // //