Волоконно-оптичний датчик фізичних величин

Волоконно-оптичний датчик фізичних величин, що містить корпус, оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент, виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, який відрізняється тим, що активний елемент виготовлений у вигляді полірованої плоскопаралельної пластини або товстої плівки, напиленої із об'ємного халькогенід 3 36530 щені 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 обробки інтерференційної картини, що одержується при накладенні 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 розширити функціональні можливості волоконно-оптичного датчика, шляхом вимірювання декількох фізичних величин одним датчиком при спрощенні конструкції, підвищити його чутливість, запам'ятати максимальне значення зміни показника заломлення після закінчення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмлені. Поставлене завдання досягається таким чином, що волоконно-оптичний датчик фізичних величин має корпус, оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, 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, на кінцях світловодів розміщені мікролінзи, які виготовлені на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)Sb(Bi,Ga)-S(Se) компоненти яких взяті у відповідних пропорціях, причому показник заломлення мікролінз задовольняє умові n1 £ n £ n2, де n - показник заломлення мікролінз; n1 - показник заломлення повітря; n2 - показник заломлення світловодів. Волоконно-оптичний датчик фізичних величин (далі «оптичний датчик») за зміною показника за 4 ломлення об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника в залежності від інтенсивності світла та довжини хвилі випромінювання, що проходить крізь нього, дозволяє реєструвати градієнт температури або тривалість часу роботи пристроїв в умовах підви щеної дії електромагнітних полів, іонізуючих випромінювань і хімічно-активних середовищ із одночасним запам'ятовуванням максимального значення зміни показника заломлення. Підвищити чутли вість оптичного датчика вдалося використовуючи мікролінзи, які розміщені на кінцях світловодів і виготовлені на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)-S(Se), компоненти яких взяті у відповідних пропорціях. Матеріал для мікролінз вибирався таким, щоб показник заломлення мікролінз задовольняв умові n1 £ n £ n2, де n - показник заломлення мікролінз; n1 - показник заломлення повітря; n2 - показник заломлення світловодів. Використання мікролінз дозволило зменшити втрати, які виникали при вході та виході потоку світла, утвореного джерелом випромінювання, із світловодів на межі з повітрям. На фіг. 1 наведена схема оптичного датчика: 1 - корпус; 2 - робочий елемент; 3 - активний елемент; 4 - нагрівник; 5,6 - світловоди; 7 - джерело випромінювання; 8 - фотоприймач; 9 - мікролінзи. На фіг. 2 наведена схема механічного з'єднання робочого 2 елемента з активним 3 елементом у вигляді плоскопаралельної пластини виготовленої із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника та нагрівником 4. Оптичний датчик при вимірюванні тривалості роботи пристроїв працює наступним чином. Світловий потік від джерела 7 випромінювання (режим І) через світловод 5 падає перпендикулярно на активний 3 елемент, показник заломлення якого змінюється під дією світла на джерела 7 випромінювання (фото потемніння активного елемента). Внаслідок ефекта потемніння активного 3 елемента у процесі проходження світла крізь нього інтенсивність світла зменшується і пройшовши крізь світловод 6 приводить до зміни вихідного сигналу фо топриймача 8. Після припинення дії джерела 7 випромінювання активний 3 елемент зберігає набуту 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 елементу). Оптичний датчик 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 світловод 5 падає перпендику 5 36530 лярно на активний 3 елемент і крізь світловод 6 на фотоприймач 8. Зміна температури, яку вимірюють, приводить до зміни показника заломлення активного 3 елемента, що в свою чергу приводить до зміни інтенсивності світла, яке пройшло крізь нього та до зміни вихідного сигнала фотоприймача 8. У режимі II, потік світла від джерела 7 випромінювання набагато менший ніж в режимі 1 і світло не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елемента в процесі проведення вимірювань, але інтенсивність світла зазнає змін при проходженні крізь нього. Для підвищення чутливості оптичного датчика на кінцях світловодів 5, 6 розміщені мікролінзи 9, які виготовлені на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)Sb(Bi,Ga)-S(Se), компоненти яких взяті у відповідних пропорціях, причому показник заломлення мікролінз задовольняє умові n1 £ n £ n2, де n - показник заломлення мікролінз; n1 - показник заломлення повітря; n2 - показник заломлення світловодів. Максимальна температура нагрівання активного 3 елемента досягає 200°С і залежить від складу халькогенідного скла. Швидкість зміни показника заломлення залежить від інтенсивності світла, яке поширюється від джерела 7 випромінювання (режим І) та хімічного складу об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника активного 3 елемента і наведена на фіг. 3. В якості джерела світла використовувалися гелій-неоновий (l=0,63мкм) і аргоновий (l=0,51мкм) лазери або галогенова лампа із світлофільтрами на різні довжини хвиль. Зміна густини потужності світла здійснювалась за допомогою нейтральних фільтрів. Найкращі результати роботи активного елементу були отримані для складів халькогенідних стекол (GеS2)0,9(Sb2S 3)0,1 та (GеS2)0,99(Вi2S 3)0,01 . Товщина плівки складала d > 6 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. Використання мікролінз дозволило підвищити чутливість оптичного датчика в 1,5 рази. В якості матеріалу мікролінз використовувався матеріал, що виготовлений на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)-S(Se), який прозорий в області спектру 0,50-12,5мкм, має малий коефіцієнт поглинання в цій області, питомий опір більше 109Ом .см при Т=300К, коефіцієнт лінійного розширення від 1,2х10-5 до 3,2х10-5 К-1, стійкий до агресивних середовищ, нерозчинний у воді та розбавлених кислотах. Показник заломлення змінюється в межах 2,0-2,9, а температура розм'якшення лежить в інтервалі 360-650К. Сила зчеплення для всіх вибраних стекол складає не менше 8кг/см 2. Запропоноване технічне рішення оптичного датчика розширює його функціональні можливості завдяки вимірюванню декількох фізичних величин одним датчиком, підвищує його чутливість, значно спрощує конструкцію, а також дає можливість запам'ятовувати максимальну зміну вимірюваного параметра після завершення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмлені. Джерела інформації: 1. Патент України №56848, МПК6 G01B 9/00, G01B 9/02, G01B 9/021, 2003. 2. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. -С. 146-147. 3. Патент SU №1786497, МПКС08В17/12, 1993. 4. Деклараційний патент України №10686, МПК6 G01K 11/00, 1994. 7 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 36530 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