Інтерференційний датчик температури

Інтерференційний датчик температури, що включає лазер, мікрооб'єктив, розгалужувач і пристрій, що реєструє, який відрізняється тим, Датчик призначений для виміру дуже малих змін температури, необхідні датчики з високою чутливістю, що вимірюють температуру з точністю до 10 2-10 3 К Такі датчики можуть застосовуватися для виміру варіації температури в крапках акупунктури на ТІЛІ людини, у крилах сучасних літаків, у процесі складних ХІМІЧНИХ реакцій Перевага волоконно-оптичних датчиків полягає в тому, що вони можуть працювати при впливі магнітних полів, при високих температурах У відомих волоконно-оптичних датчиках на основі Y- образного розгалужувача використовувалося одномодове волокно (J D С Jones, D A Jackon Monomode fiber optic sensors // Analytical Proceedings V 22 1985 P 207-211 ) Датчик містить лазер, розташовані послідовно по ходу світлового пучка мікрооб'єктив, 2 розгалужувача, другий мікрооб'єктив, пристрій, що реєструє При ЗМІНІ температури виникає різниця фаз між основними модами, що проходять через предметне плече (чуттєвий елемент) і термостатоване плече розгалужувача Вимір температури проводиться по зрушенню інтерференційних смуг, що виходять при складанні полів випромінювання пліч інтерферометра Головним недоліком подібного типу датчика є нелінійна залежність інтенсивності світла в крапці на екрані від вимірюваної температури У зв'язку з цим точність вимірів обмежується зміною темної смуги (мінімум інтенсивності) світлою смугою (максимум інтенсивності), що відповідає мінімальної різниці фаз, рівної тт В основу винаходу поставлене завдання удо що містить поляризатор і чвертьхвильову пластинку, розташовані між лазером і мікрооб'єктивом по ходу світлового пучка, другий і третій мікрооб'єктиви, розташовані з можливістю переміщень між торцями СВІТЛОВОДІВ і ділильним кубиком, другу чвертьхвильову пластинку, другий поляризатор, розташовані послідовно по ходу світлового пучка, а пристрій, що реєструє, виконано у вигляді СС D-камери, з'єднаної з комп'ютером сконалити інтерференційний датчик температури, за рахунок склад полів основний НЕц моди й оптичного вихору, у результаті чого виникає інтерференційна спіраль, що дозволило ВІДІЙТИ ВІД виміру локальної інтенсивності, перейти до визначення повороту спіралі інтерференційної картини в цілому, що дозволяє і підвищити точність вимірів різниці фаз (до 0,02 радіан) Поставлене завдання вирішується тим, що інтерференційний датчик температури, що включає лазер, мікрооб'єктив, розгалужувач і пристрій, що реєструє, ВІДПОВІДНО до винаходу, містить поляризатор і чвертьволнову пластинку, розташовані між лазером і мікрооб'єктивом, по ходу світлового пучка, другий і третій мікрооб'єктиви, які розташовані з можливістю переміщення між торцями одномодових волокон розгалужувача і ділильним кубиком, другу чвертьволнову пластинку і другий поляризатор, пристрій, що реєструє, розташовані по ходу світлового пучка, який пройшов розгалужувач, пристрій, що реєструє виконаний у виді CCD камери, з'єднаної з комп'ютером, що забезпечує підвищення точності виміру температури Як робочий елемент датчика використовується Y-образний волоконний розгалужувач Для 14 випромінювання з довжиною хвилі А = 1,31мкм даний розгалужувач є одномодовим з розподілом інтенсивності в плечах 50 50(%) У даному типі датчика використовується HE-NE лазер з довжиною хвилі А = О.бЗмкм, для якого розгалужувач є маломодовим з розподілом інтенсивності в плечах 85 15(%) Дослідження випромінювання пліч розгалужу CO о о (О 61003 вана показало, що в ньому відбувається селективне перекачування основний НЕц моди в додатковий канал, а в основному каналі поширюються моди з орбітальним числом 1=1, що складаються з циркулярно поляризованих оптичних вихорів з топологічним зарядом ±1 При порушенні розгалужувача циркулярне поляризованим світлом на виході основного плеча після проходження циркулярного поляризатора виділяється оптичний вихор на тій же компоненті, що і збудливе поле Як чуттєвий елемент вибирається додаткове плече з НЕц модою, тому що в основному плечі при ЗМІНІ температури за рахунок зміни різниці фаз між модами поле випромінювання може змінитися Принципова схема приладу приведена на [фіг 1 аі_ тому що нижче L 9T 'со ат , _ 7 J ,, -10 - і для довжин волокна порядку декількох метрів і зміни температури порядку десятків градусів не вносить істотну зміну у фази предметного пучка Визначення кута повороту спіралі здійснюється по програмі мовою програмування Delphi, що заснована на методиці розпізнавання образа спіралі Розподілінтенсивності виникає при інтерференції гладкого гауссова пучка й оптичного вихору Воно визначається наступною формулою Ф 2 ), 1] Інтерференційний датчик температури містить лазер (1), розташовані по ходу світлового пучка поляризатори 2, 3, чвертьволнові пластинки 4, 5, мікрооб'єктиви 6, 7, 8, оптичний розгалужувач 9, ділильний кубик 10, пристрій, що реєструє Розгалужувач 9 виконаний з оптичного волокна, одне плече є термочутливим елементом і складається з оптичного волокна, навитого на кварцову трубку, інше - термостатується і жорстко закріплюється Пристрій, що реєструє виконай у виді CCD-камери (11), яка з'єднана з комп'ютером (12) Світло ВІД HE-NE лазера (1) після проходження поляризатора (2) і чвертьволнової пластинки (4) стає циркулярне поляризованим і за допомогою 20-кратного мікрооб'єктива (5) вводиться в оптичний розгалужував 9 Поле випромінювання основного і додаткового пліч розгалужувача виводиться за допомогою 20-кратних мікрооб'єктивів (6, 7) і складається на ділильному кубику (10) Чвертьволнова пластинка (5) і поляризатор (3) виділяють циркулярний компонент у випромінюванні розгалужувача, що проектувалося на CCD камеру (11) За допомогою мікрогвинтів на переміщеннях мікрооб'єктивів (6, 7) гладкий пучок з додаткового плеча розширюється (для вирівнювання яскравості світла від різних пліч) і пучки юстируються, при цьому їхньої осі збігаються У результаті інтерференції пучків виходить інтерференційна спіраль Дані передавалися на пристрій, що реєструє CCD-камеру, з'єднану з комп'ютером (12) При нагріванні ділянки додаткового плеча в НЕц моди виникає додаткова фаза, що приводить до повороту інтерференційної спіралі Причина виникнення додаткової фази НЕц моди наступна Якщо зміни температури невеликі, залежність зміни фази моди у волокні від температури лінійна ДФ mod e L (T1-To) 'со де р - постійна, Псо - показник переломлення серцевини, L - довжина волокна, Т-і, То - кінцева і an, 'со - Ш В И Д К І С Т Ь ЗМІНИ початкова температури, ат показника переломлення серцевини при ЗМІНІ температури Згідно літературним даним вона складає - 1 0 5 1/(мк), у формулі (8) не враховується зміна довжини волокна при ЗМІНІ температури, • , 1/(мк), що на два порядки (2) де 1-і, Ь - інтенсивності гауссова пучка и оптичного вихору, Ф-і, Фг - фази цих пучків При співвісному поширенні даних пучків, якщо їхні радіуси кривизни сильно розрізняються, на екрані формується інтерференційна картина у виді спіралі Положення найбільш світлої кривої визначається значенням різниці фаз пучків Фі-Ф2=2ттт, (т=0, 1, 2 ) (3) (для найбільш темної кривої Фі-Ф2=(2т+1)тт Фаза гауссова пучка, ВІДПОВІДНО ДО визначення, дорівнює Ф.. = kz + arctan (4) де R.(z)=z 1 + - радіус кривизни гауссо- довжина Релея для гауссова ва пучка, пучка, р- - радіус перетяжки гауссова пучка, фод початкова фаза гауссова пучка Фаза оптичного вихору визначається таким чином, 1)arcta (5) kr' де - радіус кривизни оптич- довжина Релея для оп ного вихору, z O v = тичного вихору, p v , фоу- радіус перетяжки і початкова фаза оптичного вихору, г, е - полярні р координати екрана, z - відстань до екрана Різниця фаз дорівнює Ф 1 - Ф 2 = arctan -(1 + 1) arctan1 + kr z 0g z z (6) 0v 1 RV(Z) •Фо-Іф 61003 Тому що в площині екрана z=const, те різницю фаз можна переписати у виді U) ф 1 _ ф 2 = —аг + Ь' + Іф, а=к b' = arctan z OgJ -(1 + 1) arctan z v ' U Ov. R8(Z) Фо У даному випадку рівняння кривої рівної фази на спіралі можна записати як Іф= аг + bg (Ьо=ФгФі+Ь') Тому що топологічний заряд оптичного вихору 1=1, то рівняння спіралі здобуває вид Ф= аг +Ьо (8) Якщо температура змінюється, то спіраль (ЛІНІЯ ПОСТІЙНОЇ фази) повертається на кут ДФ і рівняння спирали приймає вид Ф=аг +Ьо+ДФ чи ф=аг +ф (9) Визначення мінімуму (максимуму) кривої залежності сумарної (інтегральної) інтенсивності від фази ф при інтегруванні по кривій ф=аг +ф у межах від г,™ до rmax (чи від ф щ до ф т а х ) (Фіг 2) щ Людське око, розпізнаючи образ, усереднює значення інтенсивності в різних крапках, а потім порівнює отриманий образ із уже відомими картинами На інтерференційній картині спіралі наше око виділяє світлу і темну спіралі Насправді в картині присутні крім найяснішої і сам темної спіралей (ВІДПОВІДНИХ крапкам максимумів і мінімумів) ще нескінченна безліч «сірих» спіралей, яскравість яких визначається значенням різниці фаз пучків на даній кривій Тому, знаючи параметр а закручення спіралі (формула 7) і координати центра можна визначити інтегральне значення інтенсивності на визначеній спіралі, а потім за даною інформацією одержати значення різниці фаз на цій кривій Для перебування центра картина сканувалася уздовж осей х і у На кожній лінії знаходилися максимуми і мінімуми інтенсивності і координата х,, чи у середини самого широкого проміжку між максимумами чи мінімумами Координата х (у) центра спіралі знаходилася як X, = (10) N де N - число ЛІНІЙ, у яких знайдений широкий проміжок Координата х, самого широкого проміжку зміщена на деяку величину щодо істинної координати центра Однак у формулі (8) даної лінії знайдеться інша ЛІНІЯ, дзеркально симетрична щодо істинного центра, на якій координата подібного проміжку буде зміщена щодо центра в протилежну сторону Сума цих координат дасть положення істинного центра спіралі (фіг 3) Для перебування параметра а закручення спіралі будемо змінювати радіус кільця від гтщ до г т а х і на кожній колі знаходити азімутальну координату мінімуму інтенсивності Значення гтщ і г т а х вибираються в межах rmm=0,3-0,4 і гтах=0,6-0,8 радіуса інтерференційного пучка Потім будується графік залежності ф від г2 (фіг 4 ) Параметр а закручення спіралі знаходяться методом найменших квадратів з цього графіка Далі в межах від гтщ до г т а х визначалася сумарна інтенсивність на кривій, спіралі (формула 9) Будувався графік залежності інтегральної інтенсивності від параметра ф і визначалася фаза самої темної спіралі Значення фази ф вважається фазою інтерференційної спіралі При тестуванні роботи датчика було визначено, що середня помилка у визначенні фази даним методом складає 0,02 рад, що значно перевищує точність відомих датчиків (л/2 рад ) Отримано датчик температури, заснований на визначенні кута повороту інтерференційної спіралі Це дозволяє збільшити точність виміру температури в 100 разів у порівнянні з відомими інтерференційними волоконно-оптичними датчиками температури Використання визначеного типу Y-образного типу розгалужувача дозволило вирішити проблему створення оптичного вихору без додаткових утрат потужності (Наприклад, на комп'ютерносинтезованої голограмі втрати потужності при синтезу оптичного вихору складають 90%) sir. 1 61003 Комп'ютерна верстка Н Кураєва Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119