Прибор для измерения диэлектрической проницаемости среды на основе изогнутого оптического волокна

УДК 681.586.5

прибор для измерения диэлектрической проницаемости среды НА ОСНОВЕ ИЗОГНУТОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

,

Кафедра статистической радиофизики и связи БашГУ,

Физико-технический институт

[phone], e-mail: *****@***ru

Диэлектрическая проницаемость среды е – безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды, которая показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В данной работе рассматривается создание прибора для измерения диэлектрической проницаемости на основе изогнутого оптического волокна.

Волоконно-оптические датчики обладают многими весьма ценными качествами. Они могут быть нечувствительными к влиянию электромагнитных помех, работать в условиях высокой взрыво - и пожароопасности, иметь малые размеры и массу, использоваться для дистанционных измерений, а также, что очень важно при современном состоянии разработки оптических компьютеров, легко и просто стыковаться с оптическими процессорами. Для широкого развития промышленного производства волоконно-оптических датчиков важное значение имеет то обстоятельство, что их изготовляют, в основном, на той же элементной базе, что и быстро развивающиеся волоконно-оптические системы связи.

Рефрактометрия - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления и некоторых его функций. Из электромагнитной теории Максвелла известно, что показатель преломления n связан с диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью µ соотношением:

.  (1)

Под действием электрического и магнитного поля происходит электрическая и магнитная поляризация вещества, т. е. смещение электронов и ориентация электрических и магнитных диполей. При этом следует заметить, что для большинства веществ, в том числе и для всех диэлектриков, магнитная проницаемость µ практически равна 1, поэтому соотношение (1) можно переписать в виде

.  (2)

То есть, зная величину показателя преломления n, можно легко вычислить значение относительной диэлектрической проницаемости е по формуле:

.  (3)

Рис. 1. Структурная схема прибора для измерения относительной диэлектрической проницаемости среды на изогнутом волокне

Структурная схема рассматриваемого прибора приведена на рис. 1. Изгиб оптического волокна по малому радиусу выводит канализируемое волокном оптическое излучение из сердцевины на границу волокно – внешняя среда для получения информации о параметрах внешней среды (в частности, о величине показателя преломления внешней среды) и возвращает оптическое излучение, несущее эту информацию, в сердцевину волокна для ее дальнейшей передачи и регистрации фотоприемником.

 

а)  б)

Рис. 2. Распространение оптического излучения по изогнутому по малому радиусу волокну при различных значениях показателей преломления внешней среды. nвн. ср1<nвн. ср.2.

На рис. 2 в лучевом приближении изображено распространение оптического излучения по изогнутому по малому радиусу волокну при различных значениях показателей преломления внешней среды. Так, при некотором значении показателя преломления внешней среды nвн. ср1 излучение полностью возвращается в волокно (рис. 2, а), а при некотором nвн. ср.2 > nвн. ср1 большая часть излучения покидает волокно (рис. 2, б), т. е. происходит затухание излучения. Таким образом, измерив мощность излучения на выходе волокна, можно вычислить показатель преломления измеряемой среды, и, соответственно, ее относительную диэлектрическую проницаемость.

В рамках данной работы было проведено исследование затухания в изогнутом оптическом волокне в зависимости от длины волны излучения. Результаты представлены на рис. 3. Эксперимент ставился на двух видах оптических волокон: многомодовое (рис. 3, а) и стандартное одномодовое (рис. 3, б) волокна, которые наматывались (18 витков) на оправы различных диаметров. В качестве источника света использовался модернизированный нами фотоколориметр КФК-2МП, а для измерения мощности излучения на выходе волокон был применен собранный нами фотоприемник, описанный в [4, с.99].

а)  б)

Рис. 3. Зависимость мощности излучения от длины волны для многомодового (а) и одномодового (б) оптических волокон. d-диаметр оправы.

Литература

1. Саржевский . Полный курс. Изд. 2-е. – М.: Едиториал УРСС, 2004. –
608 с.

2. , , Шестериков датчики. - М.: Машиностроение, 1990.— 256 с: ил.

3. и др. Волоконно-оптические датчики (пер. с япон.). - Ленинград: Энергоиздат,1990.-256 с.

4. Зак -оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989.-128 с.

Научный руководитель – д. т.н., проф.