Оптичний сенсор фізичних величин

Оптичний сенсор фізичних величин, що містить корпус, оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, активний елемент, виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, який відрізняється тим, що корпус містить прозорі для світлового потоку, створеного джерелом випромінювання, вхідне і вихідне вікна, бокові сторони корпуса розміщені під кутом 3 36529 Відомий пожежний датчик [З], що містить джерело випромінювання, лінію передачі випромінювання у контролюючий простір у вигляді секцій світловоду, у розривах між секціями якого розміщені непрозорі муфти з термоіндикаторним складом та приймач випромінювання. Даний пожежний датчик містить оптичний світловод і з'єднувальні муфти з термоіндикаторним складом, що ускладнює конструкцію датчика та приводить до зниження надійності в процесі експлуатації. Він також не забезпечує збереження даних при припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмлені. Найближчим за технічною суттю аналогом, який вибрано в якості прототипу, є волоконнооптичний датчик температури [4], що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, перший і другий проміжний світловод, а інтерферометр виконаний як багатошаровий світловод із халькогенідних склоподібних напівпровідників, в якому на поверхню світловідбиваючого покриття одномодової серцевини, показник заломлення якої не залежить від температури, нанесено світлопровідну оболонку з температурно-чутливим показником заломлення. Недоліком даного волоконно-оптичного датчика є складність опрацювання інтерференційної картини, що одержується при накладанні сигналів, які пройшли крізь оптичні канали при вимірюванні градієнта температури, вузький діапазон вимірювань внаслідок використання тонких плівок, вимірювання тільки одного параметра фізичної величини та відсутня можливість збереження стану датчика при припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмлені. Завданням корисної моделі є розширення функціональних можливостей оптичного сенсора фізичних величин, шляхом вимірювання декількох фізичних величин одним сенсором, підвищення його чутливості, запам'ятати максимальне значення зміни показника заломлення після закінчення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмленні. Поставлене завдання досягається таким чином, що оптичний сенсор фізичних величин містить корпус, оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, активний елемент виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, корпус містить прозорі для світлового потоку, створеного джерелом випромінювання, вхідне і вихідне вікна, бокові сторони корпуса розміщені під кутом до активного елементу і мають дзеркальну внутрішню поверхню, активний елемент виготовлений у вигляді полірованої плоскопаралельної пластини або товстої плівки напиленої із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника (GеS2)х(М2S3) 1-х, де М - Ві, Sb при 0,8 £ х £ 1,0 в якого показник заломлення чутливий до зміни температури та освітлення, запам'ятовує максимальне значення зміни показника заломлення і розміщений разом з нагрівником на робочому елементі перпендикулярно до потоку випромінювання, перед фотоприймачем розміщена фокусуюча лінза і/або параболічне дзеркало, джерело 4 випромінювання працює в неперервному або імпульсному режимі. Оптичний сенсор фізичних величин за зміною показника заломлення об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника в залежності від інтенсивності світла та довжини хвилі випромінювання, що проходить крізь нього, дозволяє реєструвати градієнт температури або тривалість роботи пристроїв в умовах підвищеної дії електромагнітних полів, іонізуючих випромінювань і хімічно-активних середовищ із одночасним запам'ятовуванням максимального значення зміни показника заломлення. На Фіг.1 наведена схема оптичного сенсора фізичних величин: 1 - корпус; 2 - робочий елемент; 3 - активний елемент; 4 - нагрівник; 5,6 - вхідне і вихідне вікна; 7 - джерело випромінювання; 8 фотоприймач; 9 - фокусуюча лінза; 10 - параболічне дзеркало. Оптичний сенсор фізичних величин при вимірюванні тривалості роботи пристроїв працює наступним чином. Світловий потік від джерела 7 випромінювання (режим І) крізь вхідне 5 вікно падає на бокову дзеркальну поверхню корпуса 1 і спрямовується перпендикулярно на активний 3 елемент, розміщений разом з нагрівником 4 на робочому 2 елементі. Показник заломлення активного 3 елемента змінюється під дією світла джерела 7 випромінювання (фотопотемніння активного 3 елемента). Внаслідок ефекту фо топотемніння активного 3 елемента у процесі проходження світла крізь нього, інтенсивність світла зменшується і відбиваючись від бокової дзеркальної поверхні корпуса 1 проходить крізь вихідне 6 вікно, фокусуючу 9 лізу і/або параболічне 10 дзеркало та спрямовується на фотоприймач 8. Зміна інтенсивності світла, що викликана зміною показника заломлення активного З елементу, приводить до зміни вихідного сигналу фотоприймача 8. Після припинення дії джерела 7 випромінювання активний 3 елемент зберігає зміну показника заломлення і при послідуючій дії світла від джерела 7 випромінювання продовжується зміна показника заломлення активного 3 елемента. Кількість вмикань-вимикань джерела 7 випромінювання не впливає на стан активного 3 елемента. Важливим є тільки тривалість дії світла, що поширюється від джерела 7 випромінювання на активний 3 елемент. Повернення оптичного датчика в початковий стан відбувається шляхом його нагрівання за допомогою нагрівника 4 (фотопросвітлення активного елемента). Оптичний сенсор фізичних величин при вимірюванні температури працює наступним чином. Активний 3 елемент приводиться в стан з мінімальною пропускною здатністю за допомогою світла від джерела 7 випромінювання (режим І) і після цього готовий до роботи. Потік світла від джерела 7 випромінювання (режим II) крізь вхідне 5 вікно падає на бокову дзеркальну поверхню корпуса 1 і спрямовується перпендикулярно на активний 3 елемент, розміщений разом з нагрівником 4 на робочому 2 елементі і відбиваючись від бокової дзеркальної поверхні корпуса 1 проходить крізь 5 36529 вихідне 6 вікно, фокусуючу 9 лізу і/або параболічне 10 дзеркало та спрямовується на фотоприймач 8. Зміна температури, яку вимірюють, спричиняє зміну показника заломлення активного 3 елемента, що приводить до зміни інтенсивності світла яке пройшло крізь нього та до зміни вихідного сигналу фотоприймача 8. У режимі II інтенсивність світла, яку випромінює джерело 7 випромінювання набагато менша ніж в режимі І, тому світло не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елемента в процесі проведення вимірювань, але інтенсивність світла зазнає змін при проходженні крізь нього. Зміна густини потужності світла здійснюється за допомогою блока живлення джерела 7 випромінювання. Максимальна температура нагрівання активного 3 елементу досягає 200°С і залежить від складу халькогенідного скла. Швидкість зміни показника заломлення активного 3 елементу залежить від інтенсивності світла, яке поширюється від джерела 7 випромінювання та хімічного складу об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника активного 3 елементу і наведена на Фіг.2. Для підвищення чутливості датчика та розширення діапазону вимірювань тривалості роботи пристроїв джерело 7 випромінювання працює в імпульсному режимі. Збільшення радіуса дії датчика до 5м забезпечується використанням фокусуючої 9 лінзи і/або параболічного 10 дзеркала розміщених перед фотоприймачем 8. 6 В якості джерела світла використовувалися гелій-неоновий (l=0,63мкм) і аргоновий (l=0,51мкм) лазери, галогенова лампа та напівпровідникові когерентні та некогерентні джерела випромінювання на різні довжини хвиль. Найкращі результати були отримані для складів халькогенідних стекол (GеS2)0,9(Sb2S3) 0,1 та (GеS2)0,99(Вi2S 3)0,01 . Товщина плівки d>1мкм. Проведені експерименти показали, що після 50-ти разового циклу вимірювання-нагрівання значення показника заломлення активного елемента, залишалось таким самим, як було до початку вимірювань. Запропоноване технічне рішення оптичного сенсора фізичних величин розширює його функціональні можливості завдяки вимірюванню декількох фізичних величин одним сенсором, підвищуює його чутливість, а також дає можливість запам'я товувати максимальну зміну вимірюваного параметру після завершення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмленні. Джерела інформації 1. Патент України №56848, МПК6 G01B9/00, G01B9/02. G01B9/021. 2003. 2. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. -С. 146-147. 3. Патент SU №1786497, МПК G08В17/12. 1993. 4. Деклараційний патент України №10686, МПК6 G01K11/00, 1994. 7 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 36529 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601