Оптоволоконний датчик температури
Номер патенту: 25555
Опубліковано: 30.10.1998
Автори: Бобицький Ярослав Васильович, Фітьо Володимир Михайлович, Лебідь Соломія Юріївна
Формула / Реферат
Оптоволоконний датчик температури, що містить джерело світла, оптично з'єднане з хвилеводом, який, в свою, чергу, оптично з'єднаний з відгалужувачем, а також термочутливий оптичний елемент і перший фотоприймач, що через перший підсилювач з'єднаний з першим входом перетворювача, який відрізняється тим, що додатково містить другий фотоприймач, що через другий підсилювач з'єднаний з другим входом перетворювача, причому перший вихід відгалужувана оптично з'єднаний з першим фотоприймачем, а другий вихід відгалужувача з'єднаний з другим фотоприймачем, термочутливий оптичний елемент виконаний у вигляді дифракційної гратки Брега розташований безпосередньо у хвилеводі після оптичного з'єднання хвилеводу з відгалужувачем.
Текст
Винахід стосується оптоволоконних пристроїв, зокрема оптоволоконних давачів температури. Відомий оптоволоконний давач температури (Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - С.146 - 147), принцип роботи якого грунтується на залежності оптичного поглинання напівпровідника від температури. Цей давач містить джерело світла, оптично з'єднане з хвилеводом, який оптично з'єднаний з відгалужувачем, а також термочутливий оптичний елемент і перший фотоприймач, що через перший підсилювач під'єднаний до першого перетворювача. Проте, відомий давач має низьку швидкодію за рахунок того, що термочутливий елемент досить масивний і габаритний. Діаметр термочутливого елемента досягає декількох мм, що в багато разів перевищує діаметр хвилеводу (300мм). Це приводить до часу відгуку давача біля 2с. Крім цього, цей давач має низьку надійність в результаті того, що термочутливий елемент є механічнозібраним і складається з багатьох окремих деталей (два хвилеводи, напівпровідниковий матеріал, циліндрична трубка). В цьому пристрої напівпровідниковий матеріал, кінці хвилеводу і циліндрична трубка утворюють разом термочутливий елемент давача. В основу винаходу поставлене завдання створити оптоволоконний давач температури, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволило б зменшити габарити термочутливого елемента і виготовит його безпосередньо на частині хвилеводу та за рахунок цього забезпечити його високу швидкодію і підвищити надійність. Поставлене завдання досягається тим, що оптоволоконний давач температури, що містить джерело світла, оптично з'єднане з хвилеводом, який в свою чергу оптично з'єднаний з відгалужувачем і термочутливим оптичним елементом, а також перший фотоприймач, що через перший підсилювач з'єднаний з першим входом перетворювача, згідно винаходу, додатково містить другий фотоприймач, що через другий підсилювач під'єднаний до другого входу перетворювача, причому перший вихід відгалужувача оптично з'єднаний з першим фотоприймачем, а другий вихід відгалужувача з'єднаний з другим фотоприймачем, термочутливий оптичний елемент виконаний у вигляді дифракційної гратки Брега безпосередньо у хвилеводі і розташований після оптичного з'єднання хвилеводу з відгалужувачем. Заміна термочутливого оптичного елемента на дифракційну гратку Брега, яка розташована на хвилеводі, приводить до зростання надійності і підвищення швидкодії запропонованого давача температури. Це пояснюється тим, що діаметр термочутливого оптичного елемента дорівнює діаметру оптичного волокна і час відгуку при цьому становитиме приблизно 0,1 - 0,2сек, гратка на хвилеводі створює періодичну зміну показника заломлення серцевини хвилеводу і коефіцієнт відбивання оптичного випромінювання від гратки чутливий до температури. На фіг.1 зображена блок-схема оптоволоконного давача температури, де: 1 - джерело світла, 2 - хвилевод, 3 термочутливий оптичний елемент, 4 - відгалужувач, 5 - перший фотоприймач, 6 - другий фотоприймач, 7 - другий підсилювач, 8 - перший підсилювач, 9 - перетворювач. На фіг.2 приведено оптичну схему виготовлення гратки Брега на оптичному волокні, де: 10 - оптичне опромінення, 11 - фазова маска, L - довжина гратки Брегга, L - період гратки Брегга. На фіг.3 показано приклад залежності коефіцієнта відбивання гратки Брега від температури. Оптоволоконний давач температури складається з джерела світла 1, що оптично з'єднане з хвилеводом 2, в якому в свою чергу розташований термочутливий оптичний елемент 3, виконаний у вигляді дифракційної гратки Брега, хвилевод 2 оптично з'єднаний з відгалужувачем 4, кінці якого оптично під'єднані до першого фотоприймача 5 і другого фотоприймача 6 відповідно, перший підсилювач 8 з'єднаний з першим фотоприймачем 5, другий підсилювач 7 з'єднаний з другим фотоприймачем 6, які підключені до першого і другого входів перетворювача 9 відповідно. Термочутливий оптичний елемент 3 у вигляді дифракційної гратки Брега розташований безпосередньо у хвилеводі 2 після оптичного з'єднання хвилеводу 2 з відгалужувачем 4. Термочутливий оптичний елемент на хвилеводі виготовляють за допомогою ультрафіолетового лазера з l = 249нм, який паралельним пучком 10 освітлює гратку 11, що впритул наближена до хвилеводу 2. Період гратки 11 повинен бути в два рази більший від періоду гратки на хвилеводі 2, а не дифрагований пучок повинен бути по можливості мінімальним. На хвилевод 2 проектують гратку з періодом L. За рахунок тривалої дії потужного ультрафіолетового опромінення в серцевині проходять хімічні процеси, що приводять в місцях освітлення хвилеводу до незворотної зміни показника заломлення, і, як наслідок, на хвилеводі 2 утворюється дифракційна гратка Брега - термочутливий елемент 3. Принципи роботи термочутливого оптичного елемента 3 грунтуються на залежності коефіцієнта відбивання гратки від температури при заданій довжині хвилі падаючого випромінювання. Період гратки Брега L і коефіцієнт заломлення n0 серцевини хвилеводу міняється від температури. На основі теорії зв'язаних мод (Ярив А., П. Юх. Оптические волны в кристаллах. - М.: Мир, 1987. - С.616) можна показати, що коефіцієнт відбивання від гратки залежить від показника заломлення серцевини волокна і періоду гратки наступним, чином l - довжина хвилі випромінювання лазера; n0 - показник заломлення серцевини волокна; L - період дифракційної гратки Брега на волокні; A - зміна показника заломлення; L - довжина гратки на волокні. Показник заломлений n0 серцевини волокна і період дифракційної гратки L залежить від температури згідно співвідношень Причому коефіцієнт a n має значення в залежності від виду волокна від - 10 × 10-6 до 19 × 10-61/°C, а коефіцієнт лінійного розширення a знаходиться в границях 4 × 10-6 до 13 × 10-61/°C. Отже, підбираючи волокно з певним значенням a n і a можна розрахувати давач з заданим діапазоном вимірювання, а нижню границю діапазону можна задавати періодом гратки L. Чутливість давача зростатиме коли a n і a однакового знаку, а коли |a n| = a і a n < 0, то коефіцієнт відбивання від гратки не буде залежати від температури. З графіка видно, що цей давач може працювати в діапазоні температур від 21°C до 50°C з точністю 0,01°C. Оптоволоконний давач температури працює наступним чином. Випромінювання джерела світла 1 потужністю P0 вводиться в хвилевод 2. Частина цієї потужності з коефіцієнтом k < 1 через відгалужувач 4 поступає на фотоприймач 5, а решта потужності P0(1 - k) поширюється по хвилеводі 2 до термочутливого оптичного елемента 3 і відбивається з коефіцієнтом R(t), що залежить від температури і поширюється по хвилеводі 2 в зворотному напрямку, причому потужність відбитого світла рівна R(t)(1 - k)P0. На відгалужувач 4 з тим самим коефіцієнтом k появляється частина відбитого світла, яка поступає на фотоприймач 6. Отже, на фотоприймачі 6 появляється потужність світла На фотоприймач 5 падає світло з потужністю Потужності світла Pt i P1 відповідно викликають фотоструми які підсилюються двома ідентичними підсилювачами 7 і 8 відповідно. На перетворювачі 9 знаходиться частка від двох величин I(t) і I 0, причому вона рівна По цій частці розраховується температура і відображається на перетворювачі 9. Як видно з останнього співвідношення, результати вимірювання не залежать від потужності джерела світла 1.
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюBobytskyi Yaroslav Vasyliovych, Fitio Volodymyr Mykhailovych
Автори російськоюБобицкий Ярослав Васильевич, Фитьо Владимир Михайлович
МПК / Мітки
МПК: G01K 7/00
Мітки: оптоволоконний, датчик, температури
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/3-25555-optovolokonnijj-datchik-temperaturi.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Оптоволоконний датчик температури</a>
Попередній патент: Спосіб відливки чушок
Наступний патент: Декодер згорткового коду
Випадковий патент: Спосіб обробки свердловин підземних сховищ газу