Исследование и разработка рефлектометрических датчиков плотности оптических сред
Неотъемлемой частью эксплуатации сложных инженерных сооружений и промышленных систем является мониторинг их состояния. Для обеспечения безопасного функционирования зданий, мостов, туннелей, дамб и других сооружений, необходимо осуществлять постоянный контроль их состояния, а также необходим контроль загрязнения окружающей среды. В последнее время для этих целей активно используются волоконно-оптические датчики. Они имеют высокую стойкость к вредным воздействиям среды; малые габариты и вес; высокую механическую прочность; стойкость к повышенным температурам, вибрациям и др. Современные оптические волоконные датчики позволяют измерять многие физические параметры.
Целью данной работы являлись исследование и разработка датчиков плотности оптических сред на базе рефлектометрических методов измерений для применения в контроле технологических процессов пищевых и химических производств, в экологическом контроле.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- провести научно-технический поиск и классификацию современных технических решений в области построения рефлектометрических датчиков плотности;
- провести патентный поиск и классификацию информации о датчиках, приборах и системах для измерения плотности оптических сред;
- сформулировать предложения по принципам работы и конструкции разрабатываемых датчиков;
- разработать конструкцию и макет датчика плотности оптических сред;
- провести испытания контрольно-измерительной системы на основе разработанного датчика.
СОДЕРЖАНИЕ
1 Теоретический обзор физико-оптических методов определения плотности оптических сред 6
1.1 Преломление и отражение света. Показатель преломления. 6
1.2 Рефрактометрический метод анализа и контроля технологических процессов 9
1.3 Потери в оптическом волокне. 12
1.3.2 Внутренние факторы потерь на соединении. 16
1.3.3 Внешние факторы потерь на соединении. 19
1.3.4 Отражение на границе раздела двух сред. 23
2 Современные технических решения в области построения оптических датчиков плотности. 26
2.1 Измерение обратного рэлеевского рассеяния. 26
2.2 Обратное отражение оптического сигнала. 30
2.3 Классификация волоконно-оптических измерительных систем. 34
2.4 Применение волоконно-оптических датчиков в информационных и измерительных системах. 38
3 Научно-технический и патентный обзор средств и методов оптических измерений плотности. 41
3.1 Определение направлений патентного поиска и критериев классификации результатов. 41
3.2 Волоконно-оптические датчики для исследования или анализа материалов 42
3.2.1 Рефрактометрические датчики для измерения показателя преломления 42
3.2.2 Рефрактометрический датчик показателя преломления нефтепродуктов 45
3.2.3 Интерферометрический датчик. 46
3.3.1 Рефлектометрические методы.. 47
3.3.2 Методы, базирующиеся на изменении поглощения или излучательных потерь 48
3.3.3 Интерферометрические методы.. 50
3.4 Волоконно-оптические измерительные или контрольно-управляющие приборы и системы.. 51
3.4.1 Волоконно-оптический рефрактометр. 51
3.4.2 Волоконно-оптические устройства измерения показателя преломления 53
3.4.3 Волоконно-оптическое устройство для измерения показателя преломления 58
4 Постановка эксперимента с удаленным датчиком состава жидкости. 61
Список использованных источников. 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Листвин, А.В. Рефлектометрия оптических волокон / Листвин А.В., Листвин В.Н. – Москва : ЛЕСАРарт, 2005. – 208 с. – ISBN 5-902367-03-4.
Ситнов, Н.Ю., Распределенные волоконно-оптические датчики на принципе вынужденного бриллюэновского рассеяния / Н.Ю. Ситнов, Н.И. Горлов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы десятой международной конференции (Новосибирск, 22-24 сентября 2010 г.) – Новосибирск, 2010. – Т.4. – С. 174-176.
Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу, X.Нисихара, К.Кюма, К.Хататэ. – Ленинград : ЭнергоАтомИздат, 1990. – 129 с.
Джексон, Р. Г. Новейшие датчики / Мир электроники – Москва : Техносфера, 2007. – 384 с. – ISBN 978-5-94836-111-6.
Былина, М.С. Измерение параметров волоконно-оптических линейных трактов: учебное пособие / М.С. Былина, С.Ф. Глаголев, Л.Н. Кочановский, В.В. Пискунов – Санкт-Петербург : СПб ГУТ, 2021. – 68 с.
Серебрякова, И.И. Волоконно-оптические датчики. Перспективы применения / И.И. Серебрякова // Естественные и технические науки. – 2020. - №3 – С. 2-4.
Иоргачев, Д.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи: Инженерная энциклопедия. Технологии электронных коммуникаций / Д. В. Иоргачев, О. В. Бондаренко. – Москва : Эко-трендз, 2002. – 282 с.: ил.; 24 см. – ISBN 5-88405-041-0.
Литвинов, С.А. Метрология пассивных компонентов волоконно-оптических систем передачи информации: лабораторный практикум / С.А. Литвинов, Н.А. Яковенко – Краснодар : Издательско-полиграфический центр КубГУ, 2015. – 100 с.
Пальчун, Ю.А. Мониторинг и методы ранней диагностики повреждений оптических волокон / Ю.А. Пальчун, Н.Ю. Ситнов, Н.И. Горлов // Измерительная техника. – 2020. - №5. – С. 24 – 28. – ISSN: 0368-1025.
Как видно из рисунка, при падении луча из оптически менее плотной среды на поверхность более плотной коэффициент отражения Rs нелинейно возрастает с увеличением угла падения. Напротив, коэффициент отражения Rp нелинейно убывает с увеличением угла падения, проходя через глубокий (почти до нуля) минимум при определенном значении угла, называемом углом Брюстера.
Такое различное угловое поведение значений Rs и Rp приводит к тому, что при падении пучка неполяризованного света, характеризуемого коэффициентом отражения, отраженный и преломленный лучи оказываются в той или иной степени поляризованными. В отраженном луче преобладает s-составляющая поляризации; в преломленном луче преобладает p-составляющая поляризации.
Рисунок 13 показывает, что при падении луча из оптически более плотной среды на поверхность менее плотной общая форма кривых угловой зависимости коэффициентов отражения Rs и Rp сохраняется. Однако возрастание обоих коэффициентов отражения с увеличением угла происходит гораздо быстрее, и их значения, равные 1.0 (100%) достигаются не при нормальном падении, как в предыдущем случае, а при определенном значении угла падения φ << 90°, которое называется критическим углом или углом полного внутреннего отражения [6].
Потери света неприятны не только тем, что ослабляют освещенность изображения, но в особенности тем, что снижают контраст изображения. Свет, отраженный от поверхностей, частично возвращается обратно путем отражений от предыдущих поверхностей и, пройдя через поверхности оптической системы, образует вторичные изображения. Если эти вторичные изображения находятся вблизи основного изображения, то они могут настолько его испортить, что основное изображение будет непригодным для использования. Таким образом, свет, отраженный от поверхностей при преломлении, также, как и свет, рассеянный средой стекла, является светом вредным, и борьба с ним имеет важное значение.