Датчик фізичних величин

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 халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S 3)1- x, де М - Ві, Sb при 0,8 £ х £ 1,0, в якому показник заломлення, чутливий до зміни температури та освітлення, запам'я товує максимальне значення зміни показника заломлення, і розміщений разом з нагрівником на U 2 (19) 1 3 38084 приєднаний до перетворювача. В цьому пристрої напівпровідниковий матеріал, кінці хвилеводу і циліндрична трубка утворюють разом термочутливий елемент датчика. Недоліком такого датчика є складність конструкції, за рахунок того, що термочутливий елемент досить масивний і габаритний, механічно зібраний і складається з багатьох окремих деталей. Це в свою чергу приводить до низької надійності волоконно-оптичного датчика. У даного датчика також відсутня можливість збереження стану датчика при припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмленні. Відомий пожежний датчик [3], що містить джерело випромінювання, лінію передачі випромінювання у контрольований простір у вигляді секцій світловода, у розривах між секціями якого розміщені непрозорі муфти з термоіндикаторним складом та приймач випромінювання. Даний пожежний датчик включає 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 знеструмленні. 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 знеструмленні. Завданням корисної моделі є розширити функціональні можливості датчика фізичних величин, шляхом вимірювання декількох фізичних величин одним датчиком, підвищити його чутливість, запам'ятати максимальне значення зміни показника заломлення після закінчення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або знеструмленні. Поставлене завдання досягається таким чином, що датчик фізичних величин містить корпус, оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника у вигляді полірованої плоскопаралельної пластини або товстої плівки напиленої із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S3) 1-x, де М - Ві, Sb при 0,8£х£1,0 в якого 4 показник заломлення чутливий до зміни температури та освітлення, запам'ятовує максимальне значення зміни показника заломлення і розміщений разом з нагрівником на робочому елементі з внутрішньою дзеркальною поверхнею під кутом до потоку випромінювання, один кінець світловода з'єднаний безпосередньо із напівпровідниковим когерентним або некогерентним джерелом випромінювання крізь перехідний шар, який виготовлений на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)S(Se), компоненти яких взяті у відповідних пропорціях, причому показник заломлення перехідного шару задовольняє умові n1£n£n2, де n - показник заломлення матеріалу перехідного шару; n1 - показник заломлення світловодів; n2 - показник заломлення матеріалу випромінюючих елементів джерела випромінювання, джерело випромінювання містить не менше двох випромінюючих елементів серед яких не менше одного, що випромінює світло на довжині хвилі, яка приводить до зміни показника заломлення активного елементу і не менше одного, випромінювання якого не приводить до зміни показника заломлення активного елемента, але зазнає змін при проходженні крізь нього. Датчик фізичних величин за зміною показника заломлення об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника в залежності від інтенсивності світла і довжини хвилі випромінювання, що проходить крізь нього та температури нагрівника, 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. Підвищити чутливість оптичного сенсора вдалося з'єднавши безпосередньо один кінець світловоду із напівпровідниковим когерентним або некогерентним джерелом випромінювання крізь перехідний шар, який виготовлений на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)-S(Se), компоненти яких взяті у відповідних пропорціях. Ма теріал для перехідного шару вибирався таким, щоб його показник заломлення задовольняв умові n1£n£n2, де n - показник заломлення матеріалу перехідного шару; n1 - показник заломлення світловодів; n2 показник заломлення матеріалу випромінюючих елементів джерела випромінювання. Використання перехідного шару дозволило зменшити втрати, які виникали при виході світла із напівпровідникового джерела випромінювання та при спрямуванні його на вхід світловода за рахунок відмінності показників заломлення їх матеріалів і навколишнього середовища. На Фіг.1 наведена схема оптичного сенсора: 1 - корпус; 2 - робочий елемент з внутрішньою дзеркальною поверхнею; 3 - активний елемент; 4 нагрівник; 5, 6 - світловоди; 7 - джерело випромінювання; 8 - фо топриймач; 9 - перехідний шар. Напівпровідникове когерентне або некогерентне джерело 7 випромінювання містить два випромінюючі 7/1 і 7/2 елементи, серед яких елемент 5 38084 7/1 випромінює світло на довжині хвилі, яка приводить до зміни показника заломлення активного 3 елементу та елемент 7/2, випромінювання якого не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елементу, але зазнає змін при проходженні крізь нього. Датчик фізичних величин при вимірюванні тривалості роботи пристроїв працює наступним чином. Світловий потік від випромінюючого 7/1 елемента джерела 7 випромінювання (режим І) крізь світловод 5 падає під кутом на активний 3 елемент, який розміщений разом з нагрівником 4 на робочому 2 елементі з внутрішньою дзеркальною поверхнею і спрямовується на вхід світловода 6. Показник заломлення активного 3 елемента чутливий до інтенсивності світла на довжині хвилі випромінюючого 7/1 елемента (ефект потемніння). Внаслідок ефекту потемніння активного 3 елемента у процесі проходження світла крізь нього інтенсивність світла зменшується і пройшовши крізь світловод 6 приводить до зміни вихідного сигналу фотоприймача 8. Після припинення дії випромінюючого 7/1 елементу джерела 7 випромінювання, активний 3 елемент зберігає набуту зміну показника заломлення і при послідуючій дії світла випромінюючого 7/1 елемента продовжується зміна показника заломлення активного 3 елемента. Кількість вмикань-вимикань випромінюючого 7/1 елемента джерела 7 випромінювання не впливає на стан активного 3 елемента. Важливим є тільки тривалість дії світла випромінюючого 7/1 елементу на активний 3 елемент. Повернення датчика в початковий стан відбувається внаслідок його нагрівання за допомогою нагрівника 4 (фотопросвітлення активного елемента). Датчик фізичних величин при вимірюванні температури працює наступним чином. Активний 3 елемент приводиться в стан з мінімальною пропускною здатністю за допомогою світла випромінюючого 7/1 елемента джерела 7 випромінювання (режим І) і після цього готовий до роботи. Світловий потік від випромінюючого 7/2 елемента джерела 7 випромінювання (режим II) крізь світловод 5 падає під кутом на активний 3 елемент, який розміщений разом з нагрівником 4 на робочому 2 елементі з внутрішньою дзеркальною поверхнею і спрямовується на вхід світловода 6 та фотоприймача 8. Зміна температури, яку вимірюють, спричинює зміну показника заломлення активного 3 елемента, що приводить до зміни інтенсивності світла, яке пройшло крізь нього та до зміни сигнала на виході фотоприймача 8. У режимі II інтенсивність світла, яку випромінює 7/2 елемент джерела 7 випромінювання не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елементу, але зазнає змін при проходженні крізь нього. Для підвищення чутливості датчика, вхід сві тловода 5 з'єднаний безпосередньо із джерелом 7 випромінювання через перехідний 9 шар, який виготовлений на основі напівпровідникових халькогенідних склоподібних сплавів систем Ge(Pb)Sb(Bi,Ga)-S(Se), компоненти яких взяті у відповід 6 них пропорціях, причому показник заломлення перехідного 9 шару задовольняє умові n1£n£n2, де n - показник заломлення матеріалу перехідного 9 шару; n1 - показник заломлення світловода 5; n2 показник заломлення матеріалу випромінюючих 7/1 і 7/2 елементів джерела 7 випромінювання. Максимальна температура нагрівання активного 3 елемента досягає 200°С (в залежності від складу халькогенідного скла). Швидкість зміни показника заломлення активного 3 елементу залежить від інтенсивності світла та довжини хвилі випромінюючих 7/1 і 7/2 елементів джерела 7 випромінювання та хімічного складу об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника активного З елементу і наведена на Фіг.2. В якості джерела світла використовувалися напівпровідникові лазери та світлодіоди на різні довжини хвиль. Зміна густини потужності світла здійснювалась за допомогою блока живлення джерела 7 випромінювання. Найкращі результати роботи активного 3 елемента були отримані для складів халькогенідних стекол (GeS2)0,9(Sb2S3) 0,1 та (GeS2)0,99(Bi2S 3)0,01 . Товщина плівки складала d>1мкм. Проведені експерименти показали, що після 50-ти разового цикла вимірюваннянагрівання не приводив до зміни значення показника заломлення активного 3 елемента залишалось таким самим, як було до початку вимірювань. Використання перехідного 9 шару дозволило підвищити чутливість датчика фізичних величин в 1,5 рази. В якості перехідного 9 шару 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 3,2x105К-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 датчика фізичних величин розширює його функціональні можливості завдяки вимірюванню декількох фізичних величин одним датчиком, підвищує його чутливість, а також дає можливість запам'ятовувати 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 G08B17/12, 1993. 4. Деклараційний патент України №10686, МПК6 G01K11/00, 1994. 7 Комп’ютерна в ерстка О. Рябко 38084 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