Волоконно-оптический датчик температуры

Волоконно-оптический датчик температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках температуры, предназначенных для дистанционного измерения температуры различных сред, в том числе в условиях воздействия высокочастотных электромагнитных полей.

Известны волоконно-оптические датчики температуры на основе микрорезонаторов (см., например, [1] - RU № 2082119 (C1), G 01 K 11/32, 20.06.1997, [2] - RU № 2110049 (C1), G 01 K 11/32, G 02 B 6/00, 27.04.1998, [3] - RU № 2116631 (C1), G 01 H 1/06, G 01 K 11/32, G 01 L 11/02, 27.07.1998, [4] - RU № 2161783 (С2), G 01 K 11/32, 10.01.2001). Принцип действия этих датчиков основан на возбуждении автоколебаний в системе “волоконно-оптический лазер - микрорезонатор” и измерении фазы автоколебаний, модуляция которой обусловлена изменениями резонансной частоты микрорезонатора (определяемой частотой собственных поперечных акустических колебаний микрорез-натора) при изменении температуры окружающей среды. Интерферометрические методы фазовых измерений, реализуемые в этих датчиках, обеспечивают высокую точность измерения температуры. Однако эти датчики конструктивно сложны, требуют для своей реализации прецизионных и дорогостоящих компонентов, в том числе микромеханических, поэтому их применение ограничивается, в основном, техникой экспериментов.

Известны волоконно-оптические измерители температуры, основанные на применении чувствительных оптических элементов, изменяющих свою спектральную прозрачность под действием температуры контролируемого объекта (см., например, [5] - US №4338516, G 01 J 3/34, 6.07.1982, [6] - RU №2186351 (C1), G 01 K 11/12, G 01 K 11/18, 27.07.2002). Эти устройства содержат источник оптического излучения и приемник излучения, соединенные волоконно-оптическим трактом, включающим два световода, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием температуры окружающей среды. Измерение температуры осуществляется в таких устройствах путем оценки спектра излучения, поступающего на приемник излучения. При этом используются достаточно сложные и дорогостоящие оптические спектроанализаторы и компьютерные средства обработки, что является недостатком этих устройств.

Известны волоконно-оптические датчики температуры, принцип работы которых основан на эффекте температурного “тушения” флюоресценции (см., например, [7] - US № 5183338, G 01 K 11/20, G 01 J 5/08, 2.02.1993, [8] - US № 6572265 (B1), G 01 J 5/08, G 01 J 5/28, G 01 K 1/14, G 01 K 11/20, F 21 V 8/00, G 01 B 6/00, 3.06.2003). Такие датчики содержат капсулу, в которой находится флюоресцирующее вещество, спектр излучения которого зависит от температуры окружающей среды. Капсула связана оптическим волокном с оптическим спектроанализатором, с помощью которого оценивается спектр флюоресценции, а по нему - температура среды. Такие датчики имеют широкий диапазон измеряемых температур, определяемый типом флюоресцирующего вещества, и высокую точность измерений. Однако необходимость применения оптических спектроанализаторов в системе регистрации выходных сигналов этих датчиков существенно усложняет и удорожает их, что является недостатком.

Более простыми и дешевыми являются волоконно-оптические датчики, принцип работы которых основан на изменении пропускания или отражения света, распространяющегося по оптическому волокну, вследствие изменения температуры.

Например, известен волоконно-оптический датчик, описанный в [9] - RU №2091801 (C1), G 01 R 21/00, 27.09.1997, который позволяет проводить в реальном времени измерение температуры термооптической среды, подвергаемой СВЧ-нагреву, по которой судят о СВЧ-мощности, например о СВЧ проходящей мощности в волноводном тракте радиопередающего устройства. Чувствительным элементом такого датчика является участок волоконного световода с изогнутым (с радиусом R) чувствительным участком со снятой оболочкой, который помещен в термооптическую среду. При изменении температуры меняется апертура волоконного световода на изогнутом чувствительном участке, приводящая к модуляции интенсивности выходного оптического сигнала. Недостатком такого датчика является низкая чувствительность, что обуславливает необходимость применения дифференциальных каналов измерения для обеспечения приемлемой точности измерений.

Наиболее близким к заявляемому устройству является волоконно-оптический датчик температуры, описанный в [10] - RU №2008630 (C1), G 01 J 5/38. G 01 K 11/12, 28.02.1994, который принят в качестве прототипа.

Датчик-прототип содержит осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены, соответственно, к источнику света и фотоприемнику, а вторые - к капсуле, в которой за счет отражения от внутрикапсульного зеркала осуществляется передача светового потока от осветительного световода к приемному световоду.

Внутрикапсульное зеркало реализовано в датчике-прототипе в виде плоского зеркала, представляющего собой отполированное дно капсулы.

Подсоединение концов осветительного и приемного световодов к капсуле осуществлено путем их совместного закрепления во втулке, которая, в свою очередь, закреплена в капсуле. Выступающие внутрь капсулы концы осветительного и приемного световодов соединены вместе и отстоят от зеркального дна капсулы на расстоянии S_o, номинальное значение которого выбрано из условия расположения рабочей точки датчика-прототипа примерно посредине линейного участка его передаточной характеристики.

Капсула и световоды изготовлены из материалов с коэффициентами температурного линейного расширения соответственно β _к и β _св, где

Торец втулки удален от зеркального дна капсулы на расстоянии

где L_cв - длина выступающих внутрь капсулы концов световодов, связанная с L_к соотношением:

где k - чувствительность датчика, определяемая величиной относительного изменения расстояния S_o при изменении температуры на 1° С.

Полость капсулы соединена дренажным отверстием с полостью водонепронецаемой трубки, в которой размещены световоды.

Принцип действия датчика-прототипа основан на фиксации изменения оптической связи между осветительным и приемным световодами на участке “торец осветительного световода - внутрикапсульное зеркало - торец приемного световода”. Эта связь меняется при изменении температуры за счет изменения указанного расстояния S_o в результате различного теплового расширения капсулы и выступающих внутрь капсулы концов световодов.

Работа датчика-прототипа осуществляется следующим образом.

Световой поток от источника света, например от светоизлучающего диода, поступает в осветительный световод и распространяется по нему в направлении к капсуле. В капсуле световой поток выходит из торца осветительного световода, отражается от зеркального дна капсулы, поступает в торец приемного световода и распространяется по нему до фотоприемника, с помощью которого осуществляется преобразование светового потока в электрический сигнал. Поскольку этот световой поток зависит от текущего значения расстояния S_o, а это значение, в свою очередь, зависит от текущей температуры, то интенсивность выходного светового потока является объективной характеристикой текущей температуры среды, в которой располагается капсула.

На основании выражения (2) чувствительность датчика-прототипа определяется соотношением:

что учетом выражения (1) представляется как

а при отбрасывании несущественной величины S_o·β_о как

Анализируя выражение (5), как видим, что чувствительность датчика-прототипа определяется длиной L_cв выступающих внутрь капсулы концов световодов и величиной разницы между коэффициентами температурного линейного расширения β _к и β _cв материалов капсулы и световодов. Из выражения (5) вытекает, что для обеспечения работоспособности и чувствительности датчика-прототипа необходимо иметь существенную длину L_cв выступающих внутрь капсулы концов световодов.

Практически предельная чувствительность на уровне k≈ (0,03-0,04)1/° С получается в датчике-прототипе при применении алюминиевой капсулы с β_к=(21-25)· 10^-6 1/° С и кварцевых световодов с β_св=(0,5-0,7)· 10^-6 1/° С, диаметре световодной жилы d=20 мкм и длине выступающих внутрь капсулы концов световодов L_cв≈15 мм. Увеличение чувствительности сверх этого значения путем увеличения длины L_cв достаточно проблематично, поскольку может привести к потере вибрационной устойчивости датчика.

Применение в датчике-прототипе алюминиевой капсулы имеет свои положительные и отрицательные моменты.

Положительным моментом является возможность получения большой разности между коэффициентами температурного линейного расширения β _к и β _св при одновременном обеспечении механической прочности датчика и возможности его эксплуатации в условиях высоких температур (до 400° С).

Отрицательным моментом является ограничение по использованию. Например, в условиях воздействий высокочастотного электромагнитного поля наличие электропроводящей металлической капсулы может приводить к ошибкам в измерении, обусловленных дополнительным разогревом капсулы в этом поле.

Попытка решить проблему обеспечения возможности работы датчика-прототипа в условиях воздействий высокочастотного электромагнитного поля путем простой замены алюминиевой капсулы капсулой, выполненной из подходящего по механическим характеристикам диэлектрического материала (например, из силикатного стекла, позволяющего выполнить капсулу с отражающим дном и обеспечить возможность работы в условиях высоких температур), не дает нужного результата. Дело в том, что такая простая замена приводит к уменьшению разности между коэффициентами температурного линейного расширения капсулы и световодов, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению чувствительности датчика (в 5-7 раз), что в ряде случаев может оказаться недопустимым.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконно-оптического датчика температуры, работающего по тому же принципу, что и датчик-прототип, но полностью выполненного из диэлектрических материалов, что обеспечивает возможность его применения в условиях воздействия высокочастотных электромагнитных полей, при этом обладающего расширенными возможностями по реализации различных характеристик чувствительности.

Сущность изобретения заключается в следующем. Волоконно-оптический датчик температуры содержит осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены, соответственно, к источнику света и фотоприемнику, а вторые - к капсуле, в которой за счет отражения от внутрикапсульного зеркала осуществляется передача светового потока от осветительного световода к приемному световоду. В отличие от прототипа, подсоединение осветительного и приемного световодов к капсуле осуществлено через направленный Y-образный волоконно-оптический разветвитель, общий ввод-вывод которого закреплен в капсуле напротив внутрикапсульного зеркала, а внутрикапсульное зеркало выполнено на торце стержня, закрепленного своим противоположным концом на дне капсулы с зазором по отношению к внутренней боковой поверхности капсулы, при этом капсула и стержень выполнены из диэлектрических материалов, различающихся своими коэффициентами температурного линейного расширения.

В предпочтительных вариантах реализации капсула выполнена из кварца, стержень выполнен из силикатного стекла, внутрикапсульное зеркало выполнено сферическим, а закрепление общего ввода-вывода направленного Y-образного волоконно-оптического разветвителя в капсуле осуществлено с помощью силикатного клея.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлен схематический чертеж волоконно-оптического датчика температуры в варианте применения в нем сферического внутрикапсульного зеркала.

На фиг.2 представлен пример зависимости коэффициента пропускания волоконно-оптического датчика температуры от величины расстояния между внутрикапсульным зеркалом и торцом общего ввода-вывода направленного Y-образного волоконно-оптического разветвителя.

Заявляемый волоконно-оптический датчик температуры (далее датчик) содержит, см. фиг.1, осветительный 1 и приемный 2 световоды, первые концы которых подсоединены, соответственно, к источнику света 3 и фотоприемнику 4, а вторые концы подсоединены к капсуле 5 через направленный Y-образный волоконно-оптический разветвитель 6 (далее разветвитель 6). Общий ввод-вывод 7 разветвителя 6 закреплен в капсуле 5, например, с помощью силикатного клея, образующего в капсуле 5 торцевую диэлектрическую заглушку 8. В общем случае заглушка 8 выполняется негерметичной, например, за счет формирования в ней соответствующей щели 9, соединяющей полость капсулы 5 с окружающей средой.

В полости капсулы 5 расположено внутрикапсульное зеркало 10, с помощью которого осуществляется отражение входного светового потока, поступающего через разветвитель 6 от осветительного световода 1, и передача отраженного выходного светового потока в обратном направлении через этот же разветвитель 6 в приемный световод 2.

Внутрикапсульное зеркало 10 выполнено на торце стержня 11, закрепленного своим противоположным концом 12 на дне капсулы 5, например, с помощью силикатного клея. Внутренние поперечные размеры капсулы 5 и поперечные размеры стержня 11 таковы, что между внутренней боковой поверхности капсулы 5 и боковой поверхностью стержня 11 имеется зазор, обеспечивающий свободное температурное расширение капсулы 5 и стержня 11.

Капсула 5 и стержень 11 выполнены из диэлектрических материалов, различающихся своими коэффициентами температурного линейного расширения. Например, капсула 5 может быть выполнена из кварца с коэффициентом температурного линейного расширения β _к=(0,5-0,7)· 10^-61/° С, а стержень 11 - из силикатного стекла с коэффициентом температурного линейного расширения β _cт=(3,5-5,5)· 10^-6 1/° С.

Внутрикапсульное зеркало 10 может быть плоским или сферическим. Во втором случае обеспечивается возможность реализации в датчике повышенной чувствительности при уменьшенных длинах капсулы 5 и стержня 11.

Стержень 11 и ввод-вывод 7 разветвителя 6 расположены соосно, их продольные оси совпадают. Соосное положение стержня 11 и ввода-вывода 7 разветвителя 6 обеспечивается в процессе их приклеивания за счет использования соответствующих центрирующих оправок.

В качестве источника света 3 и фотоприемника 4 могут быть применены, например, источник оптического излучения “Алмаз-11” (№18419-99 Госреестра средств измерений) и измеритель мощности оптического излучения “Алмаз-21” (№17796-98 Госреестра средств измерений), образующие в паре оптический тестер.

Световоды 1 и 2 представляют собой световоды из кварца, например световоды “кварц/кварц ⊘ 50/125 мкм”.

В качестве разветвителя 6, стыкуемого со световодами 1 и 2, может быть использован, например, направленный Y-образный волоконно-оптический разветвитель, описанный в [11] - Ю.В.Рождественский / Волоконно-оптические разветвители // Фотон-экспресс, сентябрь 2003, №4 (30), с.24-28.

Расстояние S_o между внутрикапсульным зеркалом 10 и торцом ввода-вывода 7 разветвителя 6 выбирается исходя из требуемых параметров пропускания датчика. На практике выбор этого расстояния осуществляется на основе экспериментально снятой характеристики датчика, отражающей зависимость коэффициента пропускания датчика от величины расстояния S_o. На фиг.2 представлен пример такой характеристики, где коэффициент пропускания датчика (К_п) определен процентным отношением интенсивности отраженного выходного светового потока к интенсивности входного светового потока, измеренным при различных величинах расстояния S_o.

Длина стержня 11 с внутрикапсульным зеркалом 10 составляет величину L_cт; длина капсулы 5 на участке от ее дна до места закрепления в ней ввода-вывода 7 разветвителя 6 составляет величину L_к; длина выступающего внутрь капсулы 5 ввода-вывода 7 разветвителя 6 составляет величину L_p; при этом указанные длины связаны с расстоянием S_o соотношением

Характерным для заявляемого датчика является то, что для обеспечения чувствительности датчика не требуется большой длины L_p выступающего внутрь капсулы 5 ввода-вывода 7 разветвителя 6 (в отличие от прототипа, чувствительность которого прямо зависит от длины выступающих внутрь капсулы 5 концов световодов). Для простоты понимания в выражении (6) можно пренебречь длиной L_p и далее рассматривать следующее упрощенное выражение:

Работа заявляемого датчика осуществляется следующим образом. Капсула 5, являющаяся термочувствительным элементом датчика, размещается в среде, температура которой подлежит контролю. Входной световой поток от источника света 3 поступает в осветительный световод 1 и распространяется по нему к капсуле 5, проходя при этом через разветвитель 6. В капсуле 5 входной световой поток выходит из торца ввода-вывода 7 разветвителя 6, отражается от внутрикапсульного зеркала 10 и возвращается обратно в торец ввода-вывода 7 разветвителя 6. Разветвитель 6 в силу своих направленных свойств обеспечивает передачу отраженного выходного светового потока в приемный световод 2. По приемному световоду 2 выходной световой поток поступает к фотоприемнику 4, с помощью которого осуществляется преобразование выходного светового потока в электрический сигнал, который затем преобразуется по определенному закону в значение контролируемой температуры.

Изменение температуры среды, в которой находится капсула 5, приводит к определенным температурным изменениям длины L_к капсулы 5, длины L_cт стержня 11 и длины L_p выступающего внутрь капсулы 5 ввода-вывода 7 разветвителя 6. Эти изменения приводят к изменению расстояния S_o между внутрикапсульным зеркалом 10 и торцом ввода-вывода 7 разветвителя 6, что приводит к изменению оптической связи между осветительным 1 и приемным 2 световодами, а это, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности выходного светового потока, фиксируемому фотоприемником 4.

Чувствительность заявляемого датчика, определяемая величиной относительного изменения интенсивности выходного светового потока при изменении температуры среды на 1° С, зависит от двух основных факторов: от величины коэффициента k_s, определяющего величину относительного изменения расстояния S_o при изменении температуры на 1° С, и формы отражающей поверхности внутрикапсульного зеркала 10, причем второй фактор в случае применения сферического зеркала усиливает действие первого фактора за счет увеличения отклонения отражаемого светового потока.

Коэффициент k_s (коэффициент температурного изменения расстояния S_o) с учетом соотношения (7) определяется как

Для реальных конструкций, в которых величины L_к и L_ст близки, справедливо следующее упрощенное выражение для коэффициента k_s:

Анализируя выражение (9), видим, что коэффициент k_s температурного изменения расстояния S_o в реальных конструкциях определяется разницей между коэффициентами температурного линейного расширения β _к и β _cт материалов капсулы 5 и стержня 11, а также длиной L_cт стержня 11.

Варьируя длиной L_cт стержня 11 и разницей между коэффициентами температурного линейного расширения материалов капсулы 5 и стержня 11 (β_к-β_ст), можно изготовить датчик с нужным значением коэффициента k_s. При этом существенно то, что в заявляемом датчике можно увеличивать длину стержня 7 без потери вибрационной устойчивости датчика. Это в лучшую сторону отличает заявляемый датчик от датчика-прототипа, в котором попытка увеличить чувствительность путем увеличения длины свободных концов соединенных вместе световодов сверх определенного предела может привести к потере вибрационной устойчивости датчика.

В том случае, когда заданную чувствительность необходимо получить при уменьшенных длинах капсулы 5 и стержня 11, внутрикапсульное зеркало 10 выполняется сферическим. Конкретная форма сферической поверхности внутрикапсульного зеркала 10 подбирается, как правило, экспериментально.

Таким образом, варьируя разницей между коэффициентами температурного линейного расширения β _к и β _ст материалов капсулы 5 и стержня 11, длиной L_cт стержня 11, а также формой поверхности внутрикапсульного зеркала 10 в заявляемом датчике, можно реализовать различные характеристики чувствительности.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и решает поставленную задачу по созданию волоконно-оптического датчика температуры, работающего по тому же принципу, что и датчик-прототип, но полностью выполненного из диэлектрических материалов, что обеспечивает возможность его работы в условиях воздействия высокочастотных электромагнитных полей, при этом обладающего расширенными возможностями по реализации различных характеристик чувствительности.

Источники информации

1.RU № 2082119 (C1), G 01 K 11/32, опубл. 20.06.1997.

2. RU № 2110049 (C1), G 01 K 11/32, G 02 B 6/00, опубл. 27.04.1998.

3. RU № 2116631 (C1), G 01 H 1/06, G 01 K 11/32, G 01 L 11/02, опубл. 27.07.1998.

4. RU № 2161783 (С2), G 01 K 11/32, опубл. 10.01.2001.

5. US № 4338516, G 01 J 3/34, опубл. 06.07.1982.

6. RU № 2186351 (C1), G 01 K 11/12, G 01 K 11/18, опубл. 27.07.2002.

7. US № 5183338, G 01 K 11/20, G 01 J 5/08, опубл. 02.02.1993.

8. US № 6572265 (В1), G 01 J 5/08, G 01 J 5/28, G 01 K 1/14, G 01 K 11/20, F 21 V 8/00, G 01 B 6/00, опубл. 03.06.2003.

9. RU № 2091801 (C1), G 01 R 21/00, опубл. 27.09.1997.

10. RU № 2008630 (C1), G 01 J 5/38, G 01 K 11/12, опубл. 28.02.1994.

11. Ю.В.Рождественский / Волоконно-оптические разветвители // Фотон-экспресс, сент. 2003, № 4 (30), с.24-28.

1. Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены соответственно к источнику света и фотоприемнику, а вторые - к капсуле, в которой за счет отражения от внутрикапсульного зеркала осуществляется передача светового потока от осветительного световода к приемному световоду, отличающийся тем, что подсоединение осветительного и приемного световодов к капсуле осуществлено через направленный Y-образный волоконно-оптический разветвитель, общий ввод-вывод которого закреплен в капсуле напротив внутрикапсульного зеркала, а внутрикапсульное зеркало выполнено на торце стержня, закрепленного своим противоположным концом на дне капсулы с зазором по отношению к внутренней боковой поверхности капсулы, при этом капсула и стержень выполнены из диэлектрических материалов, различающихся своими коэффициентами температурного линейного расширения.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что капсула выполнена из кварца.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что стержень выполнен из силикатного стекла.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что внутрикапсульное зеркало выполнено сферическим.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что закрепление общего ввода-вывода направленного Y-образного волоконно-оптического разветвителя в капсуле осуществлено с помощью силикатного клея.