UDK 621.3:(53+54+621 +66), ISSN 0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992)2, Ljubljana MERJENJE LOMNEGA KOLiČNIKA S FIBEROPTIČNIM ODBOJNOSTNIM SENZORJEM A.Suhadolnik, A.Babnik, J.Možina KLJUČNE BESEDE: optična vlakna, vlakenskooptični senzorji, odbojnostni senzorji, lomni količnik, merjenje karakteristik, merjenje koncentracije raztopin, eksperimentalne raziskave, eksperimentalni rezultati POVZETEK: Razvili smo verzijo liberoptičnega odbojnostnega senzorja za merjenje Iomnih količnikov tekočin. Senzor omogoča merjenje lomnega količnika z natančnostjo 0.001. Prikazani so eksperimentalni rezultati merjenja lomnega količnika različnih raztopin NaCI v vodi. REFRACTIVE INDEX MEASUREMENT USING OPTICAL FIBER REFLECTION SENSOR KEY WORDS: optic libres, libre optic sensors, rellection sensors, rellective index, characteristic measurement, solution concentration measure· ments, experimental research, experimental results ABSTRACT: ln this contribution, the optical liber rellection sensor lor the determination ol the relractive index ol liquids is described. The measuring system has an accuracy 010.001. The experimental results ol relractive index measurements ol aqueous solutions ol NaCI are presented. 1. UVOD z optičnimi vlakni je možno izdelati senzorje za merjenje številnih fizikalnih, kemijskih in drugih veličin(1). Med njimi imajo posebno mesto intezitetni odbojnostni sen- zorji(2). Pri tovrstnih senzorjih merimo količino svetlobe, ki po, odboju na zrcalni površini, postavljeni nasproti konici oddajnega vlakna, vstopa v sprejemno vlakno. Oddajno in sprejemno vlakno sta med seboj vzporedni in postavljeni pravokotno na zrcalno površino. Število sprejemnih in lansirnih vlaken je lahko različno(3). Tak senzor ustreza za detekCijO pomikov zrcalne ploskve v smeri osi vlaken. Z različnimi oblikami senzorskih ko- nid4) lahko dosežemo linearnost odziva na delu meril- nega območja. Ti senzorji se uporabljajo predvsem kot senzorji pomika(5), pretoka(6), kot hidrofoni(7) in merilci pritiska(2, B). Uporabni so tudi kot detektorji prisotnosti tekočine(9). V tem prispevku poročamo o uporabi tovr- stnega senzorja za merjenje lomnega količnika tekočin. Nova metoda merjenja lomnega količnika s fiberop- tičnim odbojnostnim senzorjem predstavlja dopolnitev že znanih metod(10, 11, 12, 13). 2. TEORETiČNE OSNOVE Fiberoptični odbojnostni senzor za merjenje lomnega količnika tekočin je sestavljen iz dveh večrodovnih optičnih vlaken (slika 1). Vlakno, po katerem prihaja svetloba do zrcala, imenujemo oddajno vlakno. Spre- jemno vlakno, ki je vzporedno oddajnemu, sprejema del odbite svetlobe in jo vodi do fotodiode. 112 Celotna svetlobna moč Pt v vstopnem vlaknu se zmanjša ob izstopu iz vlakna zaradi Fresnelovega od- boja Pi = Ti(no)Pt, kjer je Ti(no) Fresnelov transmisijski oddajIlo vlakllo _ J ___ ~ _ no /' /' li, \ spl'eJ(,lnno yJakno I . - - --!Tl-liT I I I I I I III I I I III I I I I I I I I slika I III I I Lh-i~-W III : II I '{I Il', I I I ' I I \ I I \ I I 1\ 1\ II I \ I Slika 1: Fiberoptični odbojnostni senzor A. Suhadolnik, A. Babnik, J. Možina: Merjenje lomnega količnika s fiberoptičnim odbojnostnim senzorjem koeficient in Pi svetlobna moč sevana iz oddajnega vlakna. Zrcalo je postavljeno na razdalji h od kon ice senzorja. Svetloba zapušča oddajno vlakno pod maksimalnim kotom ec, ki je izražen z naslednjo enačbo ec = arcsin(~: ) (1) NA predstavlja numerično odprtino vlakna in no lomni količnik medija, ki obdaja vlakno. Povezava med intenzitetno porazdelitvijo svetlobe l(r,2h) na ravnini, ki je za razdaljo 2h oddaljena od površine zrcala in sevano močjo Pi je naslednja: Pi = t tr I(r, 2h)r d0 dr (2) o o kjer r predstavlja oddaljenost opazovane točke od osi oddajnega vlakna, (J pa kot med zveznico obeh osi vlaken in opazovano točko (slika 1). Rje radij konusa izstopnega žarka svetlobe na oddaljenosti 2h, R=a+2h tg(ee), in a premer jedra vlakna. Intenzitetna porazdelitev l(r,2h) je odvisna le od kota (J. Intenzitetno porazdelitev na ravni površini smo merili za različne oddaljenosti 2h z detektorjem, ki je imel majhno točkasto odprtino in se je gibal po premici, ki pravokotno seka os vlakna. Odprtina detektorja je bila manjša od 100 /-tm. Dolžina merjenega vlakna, ki je bil ovit na cilinder s premerom 0.11 m je bila 12 m in debelina jedra vlakna 1 mm. He-Ne laser je bil uporabljen kot izvor svetlobe. SIi~a 2 prikazuje merjene rezultate aproksimir- ane sparabolo. Iz meritev je razvidno, da lahko privzamemo parabolično intenzitetno porazdelitev na razdalji 2h od jedra vlakna l(r,2h)=A(1-IIEf?y. Majhna odstopanja od položene parabole so opazna pri nizki intenziteti. Parametra A in B lahko določimo z uporabo enačbe (2). Intenzitetna porazdelitev ima po pre računu naslednjo obliko 160 140 ~ .s120 ~ 80 o E 60 40 20 o Rl = O R2 O Ri - a < R < Ri + a = > Rl = Ri - a R2 = R R ~ Ri + a = > Rl = Ri - a R2 = Ri + a (7) Faktor razmerja moči 11 (d,no) je bil izračunan za različne razdalje med optičnim vlaknom in zrcalom. Slika 3 pri- kazuje izračunan faktor 11 (d,no) pri različnih razdaljah (h = O do 14 mm) in lomnem količniku no=1 za zrak in no= 1.332 za vodo. Pri izračunu teoretičnih krivulj so bili upoštevani naslednji podatki a = 0.5 mm, Ri = 2.2 mm, NA = 0.47 in ne = 1.495. Horizontalni zamik obeh krivulj v odvisnosti od lomnega količnika je osnova za uporabo tega senzorja pri določanju lomnega količnika tekočin. Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 112-116 0.014 0.012 =.. 0.01 U o E ID 0.008 'g- E ~ 0.006 0.004 0.002 leorili! meriive -""" voda zrak %~~·L-~~~-74--~5--~6~~7--~8--'9~~'0· razdalja [mml Slika 3: Teoretično izračunana razmerje TJ za zrak in vodo v odvisnosti od razdalje med konico senzorja in zrcalna površino 3. EKSPERIMENTALNI SISTEM V senzorsko konico smo vgradili tri med seboj vzpored- na optična vlakna, ki so nameščena drugo za drugim (slika 4). Prvo oddajno vlakno dovaja svetlobo na zrcalo, sprejemni vlakni pa svetlobo sprejemata in jo usmerjata na svetlobna detektorja. Dodatno sprejemno vlakno na dvojni oddaljenosti od osi oddajnega vlakna služi za poznejšo kompenzacijo merjenega signala. Da se poka- zati, da kompenzirani signal ne vsebuje sprememb za- radi nihanja intenzitete svetlobe izvora, sprememb za- radi odbojnosti površine in absorpcije v tekočini(14). Ce- loten eksperimentalni sistem je prikazan na sliki 4. Kot svetlobni izvor smo uporabili HeNe laser moči 5 mW in valovne dolžine 633 nm. Svetlobno moč smo merili s Si fotodiodama in optičnim merilnikom moči (Anritsu ML910B). Za odmik konic vlaken od zrcalne površine smo uporabili pozicionirno mizo, gnano s koračnim mo- torjem. Celoten sistem je bil računalniško upravljan. Pri A. Suhadolnik, A. Babnik, J. Možina: Merjenje lomnega količnika s fiberoptičnim odbojnostnim senzorjem eksperimentalnem delu smo uporabljali plastična PMMA (polimetil metaakrilat) vlakna s premerom jedra 0.5 mm, numerično odprtino NA=0.47 in koračnim lom- nim profilom jedra (ne = 1.495). Senzorsko glavo in pomično zrcalo smo pomočili v merjeno tekočino. 4. MERITVE IN REZULTATI Lomne količnike smo merili na vzorcih raztopi ne kuhinj- ske soli (NaCI) v vodi. Koncentracije so se gibale od O % do 25% raztopine pri temperaturi 20ob. Lomne količnike pripravljenih raztopin smo predhodno izmerili z Abbejevim refraktometrom pri isti temperaturi. Senzorsko konico smo pomočili v tekočino z določenim lomnim količnikom, oz. koncentracijo ter opazovali sig- nal pri oddaljevanju čel vlaken od zrcalne površine. Začetna točka odmikanja je bila na mestu dotika vlaken in zrcalne površine, največji odmik pa je bil 10 mm. Meritve smo ponavljali z različnimi koncentracijami raz- topin soli, pri čemer je bila začetna točka vedno na istem mestu. Slika 5 prikazuje merjene signale na obeh spre- jemnih vlaknih pri različnih koncentracijah soli (NaCI) v vodi. Na sliki 6 je prikazan kompenziran signal oziroma raz- merje odzivov obeh vlaken prikazanih na sliki 5. po- dobne rezultate smo dobili tudi pri merjenju različnih raztopin soli LiBr in glicerina v vodi. Na tej osnovi lahko z upoštevanjem zveze med koncen- tracijo in lomnim količnikom umerimo senzor. Razmerje obeh odzivov v odvisnosti od lomnega količnika pri različnih zamikih prikazuje slika 7. Odvisnost razmerja odzivov od lomnega količnika je linearna pri odmikih od 4 do 6 mm. sprejemni / /' ~ zrcalo Slika 4: Eksperimentalni sistem vla ! le koč i!la 114 Si folodiodi gibaJoča miziciJ A. Suhadolnik, A. Babnik, J. Možina: Merjenje lomnega količnika s fiberoptičnim odbojnostnim senzorjem BOlJ - 700 600 3:'500 os 15 400 E 300 200 100 ·N;;ci'~ :;~J-;;Tr;';I~I;';';l 0% - - -. 5% - ~ - - 100/~---- 15% 20%--'-'-' Oo 25%----· o:~~~~': . ~-'':.:~'':~ drugo sprejemno vlakno razdalja [mm] Slika 5: Izhodni signal na obeh sprejem nih vlaknih pri različnih koncentracijah NaCI v vodi z različnim odmikom konice senzorja od zrcala 160 140 =. 120