Оптичний газовий сенсор

Корисна модель відноситься до напівпровідникових оптичних приладів, що містять кілька випромінюючих активних елементів, сформованих на загальній основі і може використовуватися у спектроскопії, системах спостереження, приладах аналітичної техніки та інших галузях промисловості. Відомий світлодіодний пристрій [1], що включає в себе джерело випромінювання з одним або декількома кристалами, які випромінюють світло на одній або декількох довжинах хвиль оптичного діапазону, герметизуючий корпус з кришкою, яка виконана у вигляді збираючої випромінювання лінзи, підкладка містить аксіальне заглиблення з плоским дном для розміщення випромінюючих кристалів і з відбиваючою випромінювання боковою поверхнею, об'єм між заглибленням в підкладці з джерелом світла і кришкою-лінзою заповнений герметизуючим компаундом, причому в якості збираючої лінзи використовується плоска кільцева лінза, виконана з кільцевою растрово-конічною поверхнею. Технічним результатом світлодіодного пристрою є підвищення потужності випромінювання, варіювання кута огляду, підвищення рівномірності розподілу енергії в середині світлового потоку. Недоліком даного світлодіодного пристрою є неможливість одержання декількох, однакових по рівномірності розподілу енергії всередині пучка, рознесених у просторі в різні моменти часу, незалежних потоків випромінювання без ускладнення конструкції. Даний світлодіодний пристрій дозволяє тільки варіювати кут огляду. Крім того використання даного компаунда не дозволяє використовувати такий пристрій в середній інфрачервоній області спектру, де розміщені спектри поглинання основних забруднювачів атмосферу газів. Відомий автоматичний інфрачервоний газоаналізатор [2], що складається з джерела і приймача інфрачервоного випромінювання, останній з'єднаний з вихідним реєструючим пристроєм, джерело інфрачервоного випромінювання розміщене в напівсферичному дзеркалі, на оптичній осі якого послідовно розміщені вимірювальна кювета і обтюратор, джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в одному корпусі з вихідним і вхідним прозорими вікнами, в обтюраторі навпроти оптичної осі потоку інфрачервоного випромінювання по колу зроблено внутрішній прямокутний виріз, з кутом вирізу кожної грані 45° до поверхні обтюратора, причому грані мають дзеркальну поверхню. Недоліком автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є наявність обтюратора, що обертається на шляху потоку інфрачервоного випромінювання та необхідності його високоточного просторового встановлення. Недоліком також є неможливість одержання декількох, однакових по рівномірності розподілу енергії всередині пучка, рознесених у просторі в один або різні моменти часу, незалежних потоків випромінювання без ускладнення конструкції. Наявність обтюратора ускладнює конструкцію газоаналізатора, знижує його надійність та швидкодію. Відомий багатоцільовий оптичний випромінювач [3], вибраний в якості прототипу, що включає в себе корпус, оптичний елемент, який має дві робочі поверхні, форми яких узгоджені, розміщене у його фокусі джерело випромінювання, вихідне вікно. Джерело випромінювання розміщене так, що його світловий потік направлений сторону, протилежну вихідному вікну, одна із відбиваючих поверхонь виконана у виді напівкубічного параболоїда, вісь симетрії якого співпадає з оптичною віссю джерела, вістря поверхні параболоїда направлене в сторону джерела світла, а друга відбиваюча поверхня виконана у вигляді квазіпараболоїда. Багатоцільовий оптичний випромінювач містить два незалежних випромінювачі на одну або різні довжини хвиль випромінювання, а вихідне вікно містить насадки з лінзами Френеля. Недоліком даного джерела світла є неможливість одержання декількох, однакових по рівномірності розподілу енергії всередині пучка, рознесених у просторі в різні моменти часу, незалежних потоків випромінювання без ускладнення конструкції. Друга відбиваюча поверхня даного випромінювача, яка виконана у вигляді квазіпараболоїда, дозволяє одержати декілька однакових по рівномірності розподілу енергії всередині пучка, рознесених у просторі, потоків випромінювання, але в один або різні моменти часу вони займають одні й ті ж самі просторові положення. Крім того, використання насадок з лінзами Френеля на вихідному вікні, приводить до об'єднання світлових потоків в однин світловий потік з рівномірним розподілом енергії всередині потоку. Однак, для ряду приладів аналітичної техніки необхідно використовувати такі оптичні газові датчики, які здатні формувати декілька, однакових по рівномірності розподілу енергії всередині пучка, рознесених у просторі в один або різні моменти часу, незалежних потоків випромінювання. Завданням корисної моделі є створення оптичного газового сенсора, який дозволяє розширити область використання при спрощенні його конструкції. Поставлена задача досягається тим, що оптичний газовий сенсор містить корпус, оптичний елемент, який має дві робочі поверхні, джерело випромінювання, вихідне вікно, джерело живлення, джерело випромінювання, яке складається з не менше двох випромінюючих активних елементів, які випромінюють на одній або різних довжинах хвиль, що узгоджені з відповідною довжиною селективної смуги поглинання аналізуючого газу або компонентів в газовій суміші, знаходиться на вістрі квазіпараболічного дзеркала так, що його випромінювання направлене в сторону вершини правильної багатокутної піраміди із дзеркальними гранями, яка знаходиться у його фокусі, зміщення активних елементів відносно оптичної осі джерела випромінювання, розміри сегментів квазіпараболічного дзеркала і величини плоских кутів при вершині правильної піраміди ув'язані між собою, однакові незалежні світлові потоки, що формуються, займають різне просторове положення в один або різні моменти часу, основа правильної багатокутної піраміди містить фотоприймач або фотоприймачі, який або які через блок обробки сигналів керують його роботою. Одержання декількох однакових паралельних світлових потоків забезпечується використанням квазіпараболічного дзеркала та правильної багатокутної піраміди із дзеркальними гранями розміщених на одній оптичній осі з джерелом випромінювання. Квазіпараболічне дзеркало містить певним чином розміщені вогнуті сегменти, а правильна багатокутна піраміда, яка знаходиться у його фокусі, розміщена вершиною до джерела випромінювання. Зміщення активних елементів відносно оптичної осі джерела випромінювання, розміри і розміщення сегментів квазіпараболічного дзеркала та величини плоских кутів при вершині правильної багатокутної піраміди ув'язані між собою. Використання квазіпараболічного дзеркала із вогнутими та певним чином розміщеними сегментами і розміщеної певним чином правильної багатокутної піраміди із дзеркальними гранями покращує світлотехнічні характеристики випромінюючої частини оптичного газового сенсора. Незалежність однакових паралельних світлових потоків, які займають різне просторове положення в один або різні моменти часу, забезпечується використанням джерела випромінювання, яке містить два і більше випромінюючих активних елементів, що зміщені відносно оптичної осі джерела випромінювання і активуються джерелом живлення. Таке розміщення активних елементів, які випромінюють на одній або різних довжинах хвиль, що узгоджені з відповідною довжиною селективної смуги поглинання аналізуючого газу або компонентів в газовій суміші та їх активація в один або різні моменти часу дозволяє значно розширити область використання оптичного газового сенсора. Основа правильної багатокутної піраміди містить фотоприймач або фотоприймачі, який або які через блок обробки сигналів керують його роботою. На кресленні наведена функциональна схема оптичного газового сенсора. Оптичний газовий сенсор містить корпус 1 на якому розміщені оптичний 2 елемент, джерело 3 випромінювання та вихідне 10 вікно. Оптичний 2 елемент складається із квазіпараболічного 7 дзеркала та правильної багатокутної 8 піраміди із дзеркальними гранями на основі якої розміщені фотоприймач або фотоприймачі 9 випромінювання. Квазіпараболічне 7 дзеркало, правильна багатокутна 8 піраміда, що знаходиться у його фокусі вершиною до джерела 3 випромінювання та джерело 3 випромінювання розміщені на одній оптичній осі. Фотоприймач або фотоприймачі 9 випромінювання підключені до блоку обробки 11 сигналів, який в свою чергу підключений до джерела 12 живлення. Джерело 3 випромінювання розміщене на вістрі квазіпараболічного 7 дзеркала і містить не менше двох випромінюючих активних 4, 5, 6 елементів, які зміщені відносно його оптичної осі і активуються джерелом 12 живлення. Розміщення випромінюючих активних 4, 5, 6 елементів відносно оптичної осі джерела 3 випромінювання, розміри і розміщення сегментів квазіпараболічного 7 дзеркала та величини плоских кутів при вершині правильної багатокутної 8 піраміди ув'язані між собою. Оптичний газовий сенсор працює наступним чином: В перший момент часу, джерело 3 інфрачервоного випромінювання, за допомогою випромінюючого активного 4 елементу, зміщеного відносно оптичної осі джерела 3 випромінювання і активованого джерелом 12 живлення, формує світловий потік, що направлений на відповідну частину дзеркальних граней правильної багатокутної 8 піраміди і відбиваючись від них попадає на відповідні сегменти квазіпараболічного 7 дзеркала, утворюючи паралельні світлові потоки, з рівномірним розподілом енергії всередині потоку, що займають певне просторове положення. В наступний момент часу, джерело 12 живлення активує випромінюючий активний 5 елемент джерела 3 випромінювання, який зміщений відносно оптичної осі джерела 3 випромінювання та відносно випромінюючого активного 4 елементу. Світловий потік, що утворений випромінюючим активним 5 елементом, направлений на іншу частину дзеркальних граней правильної багатокутної 8 піраміди і відбиваючись від них попадає на інші сегменти квазіпараболічного 7 дзеркала, утворюючи паралельні світлові потоки, з рівномірним розподілом енергії всередині потоку, що займають інше просторове положення. Активація, джерелом 12 живлення, випромінюючого активного 6 елементу, в послідуючий момент часу, дозволяє таким же чином сформувати паралельні світлові потоки, з рівномірним розподілом енергії всередині потоку, що займають інше просторове положення. Використання однакових активних елементів дозволяє одержати просторово розділені однакові паралельні потоки випромінювання з рівномірним розподілом енергії всередині потоку в один або різні моменти часу. Розміщення фотоприймача або фотоприймачів 9 на основі правильної багатокутної 8 піраміди, який підключений до блоку обробки 11 сигналів, який в свою чергу підключений до джерела 12 живлення, дозволяє в певній мірі автоматизувати керування роботою оптичного газового сенсора в залежності від функціонального призначення. Використання зовнішніх оптичних елементів (дзеркал різної форми, призм, світлорозподільних пластинок тощо) дозволяє легко створити оптичний блок газоаналізатора з відкритим каналом зв'язку, що значно розширює область використання оптичного газового сенсора. Джерелом інфрачервоного випромінювання служили напівпровідникові активні елементи з р-п-переходами, виготовлені на основі твердих розчинів InGaAs/lnAs та InAsSbP/lnAs. Вибором хімічного складу твердих розчинів вдається узгодити довжину хвилі у максимумі спектра випромінювання активних елементів з відповідною довжиною селективної смуги поглинання аналізуючого газу або компонентів в газовій суміші (довжини хвиль 2,7мкм, 3,32мкм, 4,27мкм, 4,67мкм, що відповідають селективним смугам поглинання парів води, метану (CH4 ), вуглекислого газу (СO2), окису вуглецю (CO) відповідно). Підвищити чутливість оптичного сенсора можна, використовуючи додатково активні елементи (опорний канал), які у максимумі спектра випромінюють на довжині хвилі 3,80мкм, де відсутні селективні смуги поглинання аналізуючих газів або компонентів в газовій суміші. Модуляцію світлового потоку одержали, використовуючи активацію джерелом живлення активних елементів змінним струмом величиною 200mA та частотою 10кГц. Такий режим роботи активних елементів дозволив збільшити швидкодію сенсора до 0,3-0,5с. Розміщення активних елементів на спільній теплопровідній основі дозволяє розширити температурний діапазон його стабільної роботи. В якості приймача інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. Запропонований оптичний газовий сенсор дозволяє розширити область його використання при одночасному спрощенні конструкції. Джерела інформації: 1. Патент РФ №2134000, МПК H01L33/00, Опублікований 1999.07.27. 2. Патент України №72630, МПК G01N21/00, G01N21/55, Опублікований 15.03.2005. 3. Заявка на винахід РФ №2003125290, МПК F21V13/04, Опублікована 2005.02.20.