Оптоакустический анализатор экологического состояния среды

Оптоакустический анализатор экологического состояния среды

Реферат

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов оптоакустическими (ультразвуковыми) методами для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и может быть использовано для анализа экологического состояния морской среды.

Известно устройство лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее источник импульсного оптического излучения, оптическое волокно, для передачи оптического импульса к поверхности исследуемого образца, акустического датчика, имеющего сферическую форму, фокус которого совпадает с положением конца световода, с помощью которого создается точечный акустический источник на поверхности образца (Патент США №5381695, МПК G01N 29/04 от 27.11.1987 г.).

Недостаток устройства заключается в том, что в образце звуковые волны генерируются сфокусированным оптическим пучком, акустический датчик имеет сферическую форму, фокус сферы совпадает с точкой генерации звука, а точка фокуса может не содержать исследуемые неоднородности, если концентрация их невелика, и результат будет недостоверным.

Известно устройство лазерно-акустического контроля, которое содержит генератор ультразвуковых импульсов на основе импульсного лазера, пластину, которая излучает акустические импульсы и, в свою очередь, колеблется под действием акустических импульсов, отраженных от акустической неоднородности, создавая вибрации поверхности. Вибрации поверхности регистрируются другим зондирующим лазером, имеющим непрерывное излучение (Патент США US №5457997, МПК G01N 29/04 от 17.10.1995 г.). Недостатком устройства является малая чувствительность при обнаружении неоднородностей малого размера, а также неоднородностей, имеющих близкий акустический импеданс к импедансу окружающего частицу материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является оптоакустический анализатор экологического состояния среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и акустические датчики, регистрирующие акустические сигналы, а также расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей и расположенный над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а акустический датчик помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером (Патент РФ RU №2232983 С2, МПК G01N 29/02, от 02.10.2002 г.).

Недостатком устройства является то, что неоднородности могут быть обнаружены только в том случае, если их акустический импеданс отличается от окружающего материала, следовательно, невозможно проводить измерение параметров морской среды, содержащей жидкие неоднородности в виде эмульсий.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей, поскольку при поглощении света в этих материалах создаются акустические сигналы с разными спектральными и пространственными характеристиками, которые фиксируются акустическими датчиками.

Технический результат достигается за счет того, что оптоакустический анализатор экологического состояния морской среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики, снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезодатчика, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит импульсно-модулированный лазер 1, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца 3, оптоакустическую ячейку, состоящую из входной 2 и выходной 4 призм, между которыми образована кювета для помещения в нее исследуемого образца 3, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики 5 и 6, установленные на внешней поверхности выходной призмы 4, при этом один из пьезодатчиков 5 расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера 1, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.

Устройство работает следующим образом.

Луч импульсно-модулированного лазера 1 направляется на анализируемый образец жидкости 3, помещенный в оптоакустическую ячейку, состоящую из входной призмы 2, выходной призмы 4, акустического пьезодатчика 5 и акустического пьезодатчика 6. Проходя через образец 3, энергия лазерного луча частично поглощается в нем и создает акустические импульсы, которые регистрируются акустическими пьезодатчиками 5 и 6. Сигналы с акустических датчиков подаются на АЦП, а затем в компьютер (на чертеже не показаны). Перед началом измерений производится калибровка устройства. Для этого в оптоакустическую ячейку помещают образец чистой жидкости (без примесей) и измеряют амплитуды акустических импульсов, приходящих на оба пьезодатчика 5 и 6. После этого можно проводить измерения исследуемого образца. Для этого в ячейку 3 помещают образец жидкости с примесями и также измеряют амплитуды акустических импульсов. Величина амплитуды акустического сигнала в каждом направлении является суммой сигналов от двух источников звука, возникающих при поглощении лазерного излучения в образце. Один источник звука возникает вследствии теплового расширения жидкости, вызванного ее нагревом при прохождении лазерного излучения в образце. Время нагрева и теплового расширения образца определяется длительностью лазерного импульса τ=10^-8 сек. При этом амплитуда и длительность акустических импульсов, регистрируемая акустическим датчиком, будет сильно зависеть от его положения относительно области излучения звука. Так, при диаметре лазерного луча 5-6 мм, для акустических импульсов, регистрируемых под углом 70-80 град, амплитуда уменьшится, а длительность акустических импульсов увеличится более чем в 100 раз. Другой источник звука возникает в результате быстрого нагрева частиц примеси лазерным излучением и затем относительно медленным нагревом окружающей частицу жидкости. Нагретая частицей жидкость излучает акустический импульс, длительность которого зависит от теплофизических свойств частицы и жидкости и размеров частицы. Для частиц размером больше 2-3 мкм характерная длительность акустического импульса больше 5 мкс. При диаметре лазерного луча 5-6 мм амплитуда и длительность акустических импульсов слабо зависит от угла, под которым расположен приемный датчик. Пусть А₁ и А₂ - амплитуды сигналов, создаваемых за счет теплового расширения жидкости, регистрируемые на оси и под углом соответственно в чистой жидкости. Они связаны линейным соотношением А₁=κ·А₂. В результате калибровки по результатам измерения амплитуд определяется коэффициент κ. Пусть B₁ и В₂ - амплитуды сигналов, создаваемых за счет присутствия частиц в жидкости на оси и под углом соответственно. Тогда, при измерении жидкости с примесями, с помощью датчиков будет измерена амплитуда A₁+B₁ - на оси и А₂+В₂ - под углом. Поскольку в направлении оси амплитуда A₁ определяется высокочастотными компонентами сигнала, лежащими в области частот около 100 МГц, а амплитуда B₁ определяется частотами до 100 кГц, измеренная амплитуда сигнала равна A₁. Таким образом, в результате измерений получаем величины A₁ и κ, по которым вычисляем А₂, а затем и В₂, по величине которой можно судить о наличии в жидкости неоднородностей и определить их объемное содержание. Величина В₂ линейным образом связана с величиной объемной концентрацией N: В₂=К·N. Коэффициент К может определяться с помощью калибровки по известному раствору или расчетным путем.

Оптоакустический анализатор экологического состояния среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезоприемники, отличающийся тем, что он снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца среды, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезоприемника, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.