Волоконно-оптический датчик температуры

Волоконно-оптический датчик температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет увеличить чувствительность волоконно-оптических датчиков температуры, которые могут быть использованы для дистанционного контроля температурных режимов различных объектов в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, ионизирующих излучений и. химически агрессивных сред. Датчик содержит оптически связанные между собой источник ИК-излучения. фотоприемник и термочувствительное волокно, сердцевина и оболочка которого выполнены из халькогенидного стеклообразного полупроводника с разными по знаку температурными коэффициентами показателя преломления. Для получения нескольких пороговых значений температуры срабатывания датчика, при которых происходит резкое изменение его сеетопропускания. оболочка волокна выполняется многослойной с разными температурными зависимостями показателя преломления слоев. Т з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rsi)s G 01 К 11/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724539/10 (22) 26.07.89 (46) 23.03.92, Бюл. М 11 (71) Ужгородский государственный университет (72) Л.И,Козыч, И.Й.Росола, И.И.Туряница, В,В.Химинец и Б.В.Зарайский (53) 536,5 (088.8) (56) Патент США М 4316388, кл. 6 01 К 11/12, опублик.

23,02.82.

Патент США М 4151747, кл. 6 01 К 11/12, опублик. 01,05.79. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет увеличить чувствительность во. локонно-оптических датчиков температуры, которые могут быть использованы для дисИзобретение относится к термометрии, в частности к волоконно-оптическим датчикам (ВОД) температуры, и может быть использовано для дистанционного контроля температурных режимов различных объектов с большими геометрическими размерами, находящихся в условиях сильных электромагнитных полей, ионизирующих излучений и химически а: рессивных сред, а также в системах аварийной и противопожарной сигнализации.

Известен ВОД температуры, содержащий источник излучения, световод и детектор излучения. Световод состоит из сердцевины и оболочки, Материалы сердце„, Ы2„„1721451 А1 танционного контроля температурных режимов различных объектов в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, ионизирующих излучений и химически агрессивных сред. Датчик содержит оптически связанные между собой источник

ИК-излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно, сердцевина и оболочка которого выполнены из халькогенидного стеклообразного полупроводника с разными по знаку температурными коэффициентами показателя преломления. Для получения нескольких пороговых значений температуры срабатывания датчика, при которых происходит резкое изменение его светопропускания, оболочка волокна вы-. Я полняется многослойной с разными температурными зависимостями показателя преломления слоев. f з.п. ф-лы, 5 ил. вины и оболочки подобраны таким образом, что их показатели преломления изменяются с температурой по определенной закономерности. В качестве материалов для сердцевины и оболочки применяют обычные и специальные стекла (флинты на основе бария), кварцевые стекла, полимеры, жидкости. Передача излучения через световод имеет место лишь тогда, когда показатель преломления оболочки меньше показателя преломления сердцевины.

К .недостаткам этого ВОД относятся трудность выбора материалов, обеспечивающих разность показателей преломления сердцевины и оболочки Л n = 0,003, необхо1721451

15

25

55 димую для осуществления светопроводящих свойств световодов, высокие пороговые температуры (Tc > 470 К), при которых достигается равенство показателей преломления оболочки и сердцевины, наличие жидкости в конструкции датчиков.

Известен ВОД температуры, содержащий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления.

К недостаткам этого ВОД относятся высокотемпературная технология получения оптических волокон из кварцевого стекла, сложность подбора пар стекол для термочувствительного волокна и сравнительно низкая чувствительность датчика (изменение разницы показателей преломления на величину 3 10 достигается при изменении температуры на 300 K), работающего в температурной области выше 450 К. Применяемые оптические волокна прозрачны в видимой части спектра, Целью изобретения является повышение чувствительности датчика.

Цель достигается тем, что в ВОД температуры, содержащем оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления, сердцевина термочувствительного волокна выполнена иэ халькогенидного стеклообразного полупроводника (ХСП) с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, а оболочка — из ХСП с положительным температурным коэффициентом показателя преломления. .Оболочка термочувствительного волокна выполнена многослойной с различными по знаку температурными зависимостями показателя преломления слоев.

На фиг. t однопороговый ВОД температуры, продольный разрез; на фиг. 2 — температурные зависимости показателей преломления сердцевины (прямая 1) и оболочки (прямая 2) однопорогового ВОД температуры; на фиг. 3 — то же, материалов сердцевины и оболочки однопороговых

ВОД температуры, где на а — сердцевина из стекла состава Азо,2о $о,во, оболочка — из (As2S3)o,29 (бе52)о,71; на б — сердцевина из стекла состава AsgSg,. оболочка — из (As2S3)o,42 (6е52)о.5в; на в — сердцевина из стекла состава (Ав2$з)о,во (Ав 13)о,2o, оболочка — из Geo,ро Aso, а So,î4 Seo, â lo,ж на фиг. 4—

Ф двухпороговый ВОД температуры, продольный разрез; на фиг, 5 — температурные зависимости показателей преломления сердцевины (прямая 3) и оболочек (прямые

4, 5) двухпорогового ВОД температуры.

Предлагаемый однопороговый .ВОД температуры (фиг, 1) состоит из источника 1 излучения, ИК-фотоприемника 2 и термочувствительного элемента, включающего в себя сердцевину 3 из стекла состава Аво,гв

5о,тв с показателем преломления и,, на которую нанесена светоотражающая оболочка 4 из стекла состава Geo,2Q Азо,i4 $о,за

Geo,è 1о,1а с показателем преломления пъ а затем — светоотражающая оболочка 5 из

ХСП с высоким уровнем оптических потерь и защитное полимерное покрытие 6. Показатели преломления сердцевины и оболочки изменяются с. изменением температуры (фиг. 2) и при Т=ТС=ЗЗО К выравниваются (п1=

= п2). Излучение достигает сильнопоглощающей оболочки и светопроводящие свойства волокна нарушаются. На фиг, 3 (а, б, в) приведены также примеры пар материалов для ВОД температуры с значениями порога срабатывания Tc=350 К, Tc=370 К, Tc=390 К.

Предлагаемый двухпороговый ВОД температуры (фиг. 4) состоит из источника 1 излучения, апертурной диафрагмы 7, термочувствительного волокна, оптического разветвителя 8, фотоприемников 2 и микропроцессора 9, Термочувствительный элемент включает сердцевину 10 из ХСП состава ASQ,27 SQ,73, на которую в два слоя нанесены светоотражэющие оболочки 11 и

12 из стекол составов (Ав233)о,а2 (GeSz)Q.5в и

AszSg соответственно. На оболочку 12 нанесена светоотражающая оболочка 13, а затем — защитное полимерное покрытие 14, Двухпороговый ВОД температуры работает следующим образом.

Излучение от источника 1 через апертурную диафрагму 7 в пределах апертурного угла волокна попадает в сердцевину 10, Торцовая засветка оболочек 11 и 12 исключается. При Т< Тс1 (фиг. 5) сердцевина канализирует излучение через разветвитель на один из фотоприемников 2. При Т=Тс показатели преломления сердцевины 10 (пз) и оболочки 11 (па) выравниваются и излучение проникает в оболочку 12. После отражения от. покрытия 13 излучение перераспределяется определенным образом между сердцевиной и оболочками. Излучения каждой оболочки и сердцевины через разветвитель 8 попадают на соответствующие фотоприемники.

При дальнейшем увеличении температуры показатели преломления сердцевины (пз) и оболочки 12 (пв) монотонно уменьша1721451

Фог.1

2,17

2,16

ЗОО

340

380 Т,К

Фиг. 2 ются, а показатель преломления оболочки

11 (n4) увеличивается. При T=Tcz происходит новое перераспределение излучения между сердцевиной и оболочками, а дальнейшее повышение температуры приводит к локализации излучения в оболочке 12 (n4 > п5 >

>пз). В результате микропроцессор посредством системы фотоприемников зарегистрирует соответствующее распределение энергии излучения. По такому принципу возможно также построение многопороговых ВОД температуры из ХСП.

Предлагаемые ВОД температуры могут применяться в труднодоступных и опасных для жизни местах, в условиях СВЧ полей и ионизирующих излучений.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с

5 пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, сердцевина термочувствительного волокна вы10 полнена из халькогенидного стеклообразного полупроводника с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, а оболочка — из халькогенидного стеклообразного полупро15 водника с положительным температурным коэффициентом показателя преломления.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что оболочка термочувствительного волокна выполнена многослойной с различ20 ными температурными зависимостями показателя преломления слоев.

1721451

2,32 г,э1

2,19

2,10

2,1С

213

2,12

300 эсо

Сзое.э зео тк (РдгХ

Составитель Л.Козыч

Техред М.Моргентал

Корректор Т.Малец

Редактор Н.Гунько

Заказ 946 Тираж 375 Подписное

ВНИИПИ ГоСударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Проиаеодстеенно-издательский комбйнвт Патент", г. Узггород, ул.гагарина, 101