Оптичний датчик фізичних величин (варіанти)

1. Оптичний датчик фізичних величин, що має корпус, оптично з'єднані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент, виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, який відрізняється тим, що активний елемент розміщений на робочому елементі разом з нагрівником перпендикулярно до потоку випромінювання, виготовлений у вигляді полірованої плоскопаралельної пластинки із халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S3)1-х, де М - Ві, Sb при 0,8 £ x £ 1 0 , і в якого показник зало, млення чутливий до зміни температури та освітленості, та який запам'ятовує максимальне значення зміни показника заломлення після завершення вимірювань, припинення роботи у контрольованому середовищі або відключення електричного струму. 2. Оптичний датчик фізичних величин, що має корпус, оптично з'єднані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент, виконаний із халькогенідного склоподібного напівпровідника, який відрізняється тим, що активний елемент виконаний у вигляді плівки, напиленої із халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S3)1-x , де М - Ві, Sb при 0,8 £ x £ 1 0 , на , підкладку, прозору для світла від джерела випромінювання. 3. Оптичний датчик фізичних величин за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що джерело ви 2 (19) 1 3 86127 4 ню, а перед фотоприймачем розміщена фокусуюча лінза і/або параболічне дзеркало. 9. Оптичний датчик фізичних величин за одним із пп. 1-4, 7, 8, який відрізняється тим, що джерелом випромінювання є широкосмугове джерело випромінювання, а вхідне вікно виконано у вигляді вузькосмугового фільтра, що пропускає випромі нювання на довжині хвилі, яка змінює показник заломлення активного елемента. 10. Оптичний датчик фізичних величин за одним із пп. 1-5, 7-9, який відрізняється тим, що джерело випромінювання та фотоприймач розміщені на корпусі оптичного датчика. Винахід належить до оптичних датчиків фізичних величин, що забезпечують зміну величини оптичного сигналу в результаті зміни величини контрольованого параметру, такого як температура або тривалість робочого часу і може бути використаний в системах контролю за температурними режимами об'єктів та часу їх роботи в умовах підвищеної дії електромагнітних полів, іонізуючих випромінювань і Хімічно-активних середовищ з одночасним оптичним записом максимального параметру. Відомий імпульсний волоконно-оптичний датчик [Патент України «Імпульсний волоконнооптичний датчик» №56848 МПК (2006) G01B9/00, G01B9/02, G01B9/021, 2003], що містить розташовані послідовно імпульсний лазер, поляризатор, l/4 - пластинку, ділильну призму, реєструючий пристрій, розташовані після ділильної призми у напрямку предметного пучка довгофокусну лінзу, джгут маломодових оптичних волокон з вихроутворюючими голограмами і сферичними дзеркалами, розташованими після вихідних торців маломодових оптичних волокон, який за зміною і порівнянню інтерференційних картин дозволяє реєструвати градієнт температури або тиску в області розташування оптичних волокон. Недоліком такого датчика є складність конструкції, обробка кінцевих результатів при вимірюванні градієнта температури та відсутність можливості збереження стану датчика при припиненні роботи у контрольованому середовищі або відключенні електричного струму. Відомий волоконно-оптичний датчик температури [Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. - П.: Энергоатомиздат, 1991. -С.146-147], що містить джерело світла, оптично з'єднане з хвилеводом, який оптично з'єднаний з відгалужувачем, а також термочутливий оптичний елемент і фотоприймач, що через підсилювач під'єднаний 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, механічнозібраний 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 відключенні електричного струму. Відомий пожежний датчик, що має 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 [Патент на винахід SU №1786497, МПК G08B17/12, опублікований 07.01.93, Бюл. №1]. Даний пожежний датчиквключає 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 відключенні електричного струму. Найближчим за технічною суттю аналогом, який вибрано в якості прототипу, є волоконнооптичний датчик температури, 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 [Деклараційний патент України «Волоконно-оптичний датчик» №10686 МПК (2006) G01K 11/00, 1994]. Недоліком даного волоконно-оптичного датчика є складність обробки інтерференційної картини, що одержується при накладенні сигналів, які пройшли через 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 відключенні електричного струму. Завданням винаходу є розширення функціональних можливостей оптичного датчика, шляхом вимірювання декількох фізичних величин одним датчиком при значному спрощенні конструкції, процесу вимірювань, підвищення його чутливості, запам'ятати максимальне значення зміни показника заломлення після закінчення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або відключенні електричного струму. Поставлене завдання досягається таким чином, що оптичний датчик фізичних величин, який має оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, два світловоди, активний елемент розміщений на робочому елементі разом з нагрівником перпендикулярно до потоку випромінюван 5 ня, виготовлений у вигляді полірованої плоскопаралельної пластинки із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S3)1-х, де М - Ві, Sb при 0,8£х£1,0 в якого показник заломлення чутливий до зміни температури та освітленості, запам'ятовує максимальне значення зміни показника заломлення після завершення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або відключенні електричного струму. Оптичний датчик фізичних величин (далі «оптичний датчик») за зміною показника заломлення об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника в залежності від інтенсивності світла та довжини хвилі випромінювання, що проходить через нього, дозволяє зареєструвати градієнт температури або тривалість часу 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) приведена схема оптичного датчика: 1 - корпус; 2 - робочий елемент; 3 - активний елемент; 4 - нагрівник; 5, 6 - світловоди; 7 - джерело випромінювання; 8 - фотоприймач. На Фіг.2 приведена схема механічного з'єднання робочого 2 елементу з активним 3 елементом у вигляді плоскопаралельної пластинки виготовленої із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника та нагрівником 4. Оптичний датчик при вимірюванні тривалості часу роботи пристроїв працює наступним чином. Потік світла від джерела 7 випромінювання (режим І) через світловод 5 падає перпендикулярно на активний 3 елемент, показник заломлення якого чутливий до інтенсивності світла на довжині хвилі джерела 7 випромінювання (фотопотемніння активного елементу). Внаслідок ефекту потемніння активного 3 елементу у процесі проходження світла через нього інтенсивність світла зменшується і пройшовши через світловод 6 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 елементу. Кількість включеньвиключень джерела 7 випромінювання не впливає на стан активного 3 елементу. Важливим є тільки час дії світла джерела 7 випромінювання на активний 3 елемент. Повернення оптичного датчика в початковий стан відбувається внаслідок 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 джерела 7 випромінювання (режим І) і після цього готовий до роботи. Потік світла від джерела 7 випромінювання (режим II) через світловод 5 попадає перпендикулярно на активний 3 елемент і через світловод 6 на фотоприймач 8. Під дією температури, яку вимірюють, змінюється показник заломлення активного 3 елемента, що приводить до зміни інтенсивності світла, яке пройшло через нього та до зміни 86127 6 вихідного сигналу фотоприймача 8. У режимі II інтенсивність світла, яку випромінює джерело 7 випромінювання набагато менша ніж в режимі І і світло не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елементу в процесі проведення вимірювань але інтенсивність світла зазнає змін при проходженні через нього. Принцип роботи оптичного датчика за всіма пунктами формули винаходу залишається однаковим. За п.2 формули винаходу активний 3 елемент виготовлений у вигляді плівки напиленої із об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника (GeS2)x(M2S3)1-x , де Μ - Ві, Sb при 0,8£х£1,0 на підкладку прозору для світла джерела 7 випромінювання. Товщина плівки напиленої на сапфірову підкладку в проведеному експерименті складала не менше 1мкм. За п.3 формули винаходу, для розширення діапазону вимірювань тривалості часу роботи пристроїв, джерело 7 випромінювання працює в імпульсному режимі із змінними тривалістю часу та довжиною імпульсу. За п.4 формули винаходу, для розширення діапазону вимірювань тривалості часу роботи пристроїв використовується нагрівник 4. Оптичний датчик працює наступним чином. Активний 3 елемент приводиться в стан з мінімальною пропускною здатністю (фотопотемніння) за допомогою світла від джерела 7 випромінювання (режим І) і після цього готовий до роботи. Потік світла від джерела 7 випромінювання (режим II) через світловод 5 попадає перпендикулярно на активний 3 елемент і через світловод 6 на фотоприймач 8. Зміна показника заломлення активного 3 елементу в процесі проведення вимірювань (фотопросвітлення) відбувається в результаті його нагрівання за допомогою нагрівника 4, який працює в неперервному або імпульсному режимі із змінними тривалістю часу та довжиною імпульсу, що приводить до зміни інтенсивності світла пройденого через активний 3 елемент, а відповідно до зміни вихідного сигналу фотоприймача 8. За п.5 формули винаходу, для спрощення конструкції оптичного датчика, підвищення його надійності та тривалості експлуатації, джерело 7 випромінювання є напівпровідниковим джерелом 7 випромінювання. Напівпровідникове джерело 7 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 3 елементу (режим І) і не менше одного, випромінювання якого не приводить до зміни показника заломлення активного 3 елементу, але зазнає змін при проходженні через нього (режим II). За п.6 формули винаходу (Фіг.3), для підвищення чутливості оптичного датчика на кінцях світловодів 5, 6 розміщені мікролінзи 9 і/або один кінець світловоду (Фіг.4) з'єднаний безпосередньо із напівпровідниковим джерелом 7 випромінювання через перехідний шар 10, причому показник заломлення мікролінз 9 задовольняє умові n1£n, а перехідного шару 10 умові n£n2£n3, де n - показник заломлення світловодів 5, 6; n1 - показник залом 7 лення мікролінз 9; n2 - показник заломлення перехідного шару 10; n3 - показник заломлення випромінюючих елементів напівпровідникового джерела 7 випромінювання. За п.7 формули винаходу (Фіг.4), для підвищення чутливості оптичного датчика та розширення діапазону вимірювань, активний З елемент та нагрівник 4 розміщені на робочому 2 елементі так, що більша площа активного 3 елементу лежить на робочому 2 елементі, а світло із світловода 5 падає на нього під кутом, відбивається від внутрішньої дзеркальної поверхні робочого 2 елемента і через світловод 6 падає на фотоприймач 8. Збільшення чутливості оптичного датчика та розширення діапазону вимірювань відбувається за рахунок подвійного проходження світла через активний 3 елемент. За п.8 формули винаходу (Фіг.5), для підвищення чутливості та радіуса дії оптичного датчика у верхній частині корпуса 1 розміщені прозорі для світла, випромінюваного джерелом 7 вхідне 11 і вихідне 12 вікна, бокові сторони оптичного датчика розміщені під кутом до активного 3 елементу і* мають дзеркальну внутрішню поверхню, а перед фотоприймачем 8 розміщена фокусуюча лінза 13 і/або параболічне дзеркало 14. За п.9 формули винаходу (Фіг.6), для підвищення чутливості та радіуса дії оптичного датчика джерело 7 випромінювання є широкополосним, а вхідне вікно оптичного датчика виконано у вигляді вузькополосного фільтру 15, що пропускає світло на довжині хвилі, яка змінює показник заломлення активного 3 елементу. За п.10 формули винаходу (Фіг.7), для підвищення «чутливості оптичного датчика і спрощення 86127 8 його конструкції, джерело 7 випромінювання та фотоприймач 8 розміщені на корпусі 1 оптичного датчика. Максимальна температура нагрівання активного 3 елементу досягає 200°С (в залежності від складу халькогенідного скла) на протязі 60с. Швидкість зміни показника заломлення залежить від інтенсивності світла джерела 7 випромінювання (режим І) та хімічного складу об'ємного халькогенідного склоподібного напівпровідника активного 3 елементу і показана на Фіг.8. В якості джерела світла використовувалися гелій-неоновий (λ=0,63мкм) і аргоновий (λ=0,51мкм) лазери, галогенова лампа та напівпровідникові джерела випромінювання на різні довжини хвиль. Зміна густини потужності світла здійснювалась за допомогою нейтральних фільтрів. Найкращі результати були отримані для складів халькогенідних стекол (GeS2)0,9(Sb2S3)0,1 та (GeS2)0,99(Bi2S3)0,01. Проведені експерименти показали, що 50-ти разовий цикл вимірювання-нагрівання не приводив до зміни значення показника заломлення від його початкового. Запропоноване технічне рішення та варіанти конструкцій оптичного датчика розширюють його функціональні можливості завдяки вимірюванню декількох фізичних величин одним датчиком, підвищують його чутливість, значно спрощують конструкцію та процес вимірювань, а також дають можливість запам'ятовувати максимальну зміну вимірюваного параметру після завершення вимірювань, припиненні роботи у контрольованому середовищі або відключенні електричного струму. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86127 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601