Завантажити PDF файл.

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.

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Bobytskyi Yaroslav Vasyliovych, Fitio Volodymyr Mykhailovych

Автори російською

Бобицкий 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>

Подібні патенти