Оптичний датчик температури

1. Оптичний датчик температури, що містить термочутливий елемент та світлофільтр, який відрізняється тим, що світлофільтр виконаний із двох частин, одна з яких обрізає короткохвильову, а друга - довгохвильову області спектра, термочутливий елемент виготовлений щонайменше із двох напівпровідникових випромінюючих діодів із різною довжиною хвилі випромінювання, ширина забороненої зони яких змінюється однаково із зміною температури, при цьому світлофільтр та діоди виконані таким чином, що спектральне положення краю поглинання матеріалу обох частин світлофільтра не залежить від температури у заданому діапазоні вимірювань, ширина спектра пропускання світлофільтра не менша суми ширини спектрів випромінювання діодів, а максимуми випромінювання діодів рознесені по довжинах хвиль так, що співпадають з початком краю поглинання матеріалу відповідних частин світлофільтра. 2. Оптичний датчик температури, що містить термочутливий елемент та світлофільтр, який відрізняється тим, що термочутливий елемент містить напівпровідникові випромінюючі діоди із різною довжиною хвилі випромінювання, ширина забороненої зони яких змінюється однаково із зміною температури, при цьому світлофільтр та діоди виконані таким чином, що спектри випромінювання діодів рознесені по довжинах хвиль відносно робочої довжини хвилі світлофільтра, при цьому ши 2 (19) 1 3 87572 4 півпровідникові випромінюючі діоди на одну довжину хвилі випромінювання. 8. Оптичний датчик температури за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що напівпровідникові випромінюючі діоди термочутливого елемента розміщені в просвітлюючому та фокусуючому середовищі на основі напівпровідникових халькогенідних стекол, що містять Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях із заданим показником заломлення і знаходяться у механічному контакті з теплопровідною основою. 9. Оптичний датчик температури за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що термочутливий елемент розміщений у фокусі лінзи або параболічного дзеркала. 10. Оптичний датчик температури за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що термочутливий елемент із світлофільтром розміщені у фокусі лінзи або параболічного дзеркала. 11. Оптичний датчик температури за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що світлофільтр розміщений перед приймачем випромінювання. 12. Оптичний датчик температури за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що термочутливий елемент механічно з'єднаний з одним кінцем оптоволокна через прозорий для випромінювання перехідний шар, а на другому кінці оптоволокна розміщений світлофільтр. Винахід відноситься до оптичних датчиків, що забезпечують зміну величини оптичного сигналу у результаті зміни величини контрольованого параметру, такого як температура і може бути використаний в системах контролю за температурними режимами об'єктів та в системах пожежної сигналізації. 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]. Недоліком даного пожежного датчика є оптичний світловод і з'єднувальні муфти з термоіндикаторним складом, що ускладнює конструкцію датчика, знижує його чутливість та діапазон вимірювання температур. Використання оптичного волокна для створення системи таких датчиків, наприклад в пожежній сигналізації або для об'єктів, що займають великі площі є економічно не вигідним. Відомий волоконно-оптичний датчик температури, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, фотоприймач, перший і другий проміжний світловод, а інтерферометр виконаний як багатошаровий світловод 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 «Волоконнооптичний датчик» №10686 МПК (2006) G01K 11/00 , 1994]. Недоліком даного волоконно-оптичного датчика є складність конструкції та обробки інтерференційної картини, що одержується при накладанні сигналів, які пройшли через оптичні канали при вимірюванні градієнту температури. Використання тонких плівок звужує діапазон вимірювань температури і приводить до низької чутливості датчика. Використання оптичного волокна для створення системи таких датчиків, наприклад в пожежній сигналізації або для об'єктів, що займають великі площі є економічно не вигідним. Найближчим за технічною суттю аналогом, який вибрано у якості прототипу є датчик температури, що містить термочутливий елемент і світлофільтри. Один із світлофільтрів виконаний з напівпровідника з біполярною провідністю, зі структурою його верхньої грані, що має меншу швидкість поверхневої рекомбінації. Вибір матеріалу та товщини світлофільтру забезпечує різкий стрибок інтенсивності в спектрі випромінювання на краю власного поглинання, що зміщується при зміні температури. Світлофільтр, що відрізає короткохвильову частину спектру, виконаний з матеріалу з спектральним положенням краю поглинання, який не залежить від температури у заданому діапазоні вимірювань [Патент України «Датчик температури» № 43934 МПК (2006) G01K 11/00, 1985]. Недоліком даного датчика температури є низька чутливість в широкому діапазоні вимірювання температури, складність конструкції, за рахунок використання спеціального фільтру та малий радіус його дії. Завданням винаходу є розширити діапазон вимірювання температури, підвищити чутливість датчика температури та спростити його конструкцію. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що оптичний датчик температури, який містить термочутливий елемент, світлофільтр згідно винаходу світлофільтр виконаний із двох частин, одна з яких відрізає короткохвильову, а друга частина довгохвильову області спектра, термочутливий елемент виготовлений не менше як із двох напівпровідникових випромінюючих діодів із різною довжиною хвилі випромінювання, ширина забороненої зони яких змінюється однаково із зміною температури, спектральне положення краю поглинання матеріалу обох частин світлофільтра не залежить від температури у заданому діапазоні вимірювань, ширина спектра пропускання світлофільтра не менша суми ширини спектрів випромінювання діодів, а максимуми випромінювання діодів рознесені по довжинам хвиль так, що співпадають з початком краю поглинання матеріалу відповідних частин світлофільтра. Поставлене завдання вирішується також за рахунок того, що відповідно до винаходу термочутливий елемент містить напівпровідникові випро 5 мінюючі діоди із різною довжиною хвилі випромінювання, ширина забороненої зони яких змінюється однаково із зміною температури, спектри випромінювання яких рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі світлофільтра, при цьому ширина ∆λР пропускання світлофільтра вибрана із співвідношення C Dl P ³ DT , 2 а максимуми довжини хвиль випромінюючих діодів при Т=300К задовільняють умові 2k + 1 lk £ l p + (- 1)k Dlp , де k +1 ∆Т - інтервал зміни температури навколишнього середовища; k - номер випромінюючого діода, k=1, 2. С - температурний коефіцієнт зміщення спектру випромінюючих діодів; lк - довжина хвилі максимального випромінювання діода; lР - робоча довжина хвилі пропускання світлофільтра; ∆lР - ширина спектра пропускання світлофільтра. Розширення діапазону вимірювання температури згідно з винаходом відбувається за рахунок того, що в термочутливому елементі, при зміні температури в заданому діапазоні, спектри випромінювання діодів почергово проходять через спектральне положення краю поглинання матеріалу відповідних частин світлофільтра. Почергове і одночасне включення випромінюючих діодів на різну довжину хвилі приводить до появи на виході світлофільтра випромінювання, що служить для реєструючого пристрою опорним сигналом і дозволяє підвищити чутливість оптичного датчика температури. Спрощення конструкції відбувається за рахунок використання простого та технологічного у виготовленні світлофільтра, що складається з двох частин, які відрізають відповідно короткохвильову та довгохвильову область спектра. Такі світлофільтри технологічно простіші у виготовленні, так як існує широкий клас матеріалів для їх виготовлення та економічно вигідніші. Напівпровідникові випромінюючі діоди виготовляються за планарною технологією в однакових технологічних умовах з однаковими температурними змінами ширини забороненої зони. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів випромінювання кристалів в довгохвильову або короткохвильову область спектра. На Фіг.1 схематично наведено конструкцію оптичного датчика температури, що заявляється. На теплопровідній 1 основі термочутливого 2 елементу розміщені напівпровідникові випромінюючі 3 і 4 діоди, випромінювання яких проходить через світлофільтр 5, що виконаний із двох частин. На Фіг.2 вказано розміщення спектрів 6 і 7 випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів (варіант І) термочутливого 2 елементу та спектральне положення краю 9 поглинання матеріалу однієї частини світлофільтра 5, що відрізає 87572 6 довгохвильову область спектра і спектральне положення краю 8 поглинання матеріалу другої частини світлофільтра 5, що відрізає короткохвильову область спектра. Спектральне положення світлофільтра 5 не залежить від температури у заданому діапазоні вимірювань. Розміщення спектрів 6 і 7 напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів та спектральне положення світлофільтра 5 вказані на початок проведення вимірювань температури. Оптичний датчик температури (варіант І) працює у такий спосіб. При почерговому прикладанні напруги до напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів в них генерується випромінювання, яке проходить через світлофільтр 5 і попадає на реєструючий пристрій. Довжина хвилі випромінювання напівпровідникового випромінюючого 3 діода розміщена в короткохвильовій області спектра, а напівпровідникового випромінюючого 4 діода розміщена в довгохвильовій області спектру так, що на початку проведення вимірювань температури, максимум довжини хвилі випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів співпадає з початком краю 8 і 9 поглинання матеріалу відповідних частин світлофільтра 5 (Фіг.2). Ширина спектра пропускання світлофільтра 5, яка не менша суми ширини спектрів випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів забезпечує відповідну точність вимірювання в заданому діапазоні температур при збільшенні або зменшенні температури відносно встановленої на початку вимірювань. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів випромінюючих 3 і 4 діодів згідно з температурним коефіцієнтом зміни ширини забороненої зони, так як вони виготовлені в однакових технологічних умовах. Почергове включення діодів 3 і 4 дозволяє, при збільшенні або зменшенні температури відносно встановленої на початку вимірювань, використати випромінювання одного з діодів як опорний сигнал для реєструючого пристрою, що підвищує чутливість оптичного датчика температури. На Фіг.3 вказано розміщення спектрів 6 і 7 випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів термочутливого 2 елементу та спектральне положення світлофільтра 5 при максимальному значенні вимірювання температури. На Фіг.4 вказано розміщення спектрів 6 і 7 випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів (варіант II) термочутливого 2 елементу та спектральне положення 10 світлофільтра 5 на початок проведення вимірювань температури. Оптичний датчик температури (варіант II) працює у такий спосіб. При одночасному прикладанні напруги до напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів в них генерується випромінювання, яке проходить через світлофільтр 5 і попадає на реєструючий пристрій. На виході світлофільтра 5 формується монохроматичне випромінювання на робочій довжині хвилі, яка не змінюється в заданому інтервалі вимірювання температури. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів у відповідності із температурним коефіцієнтом зміни 7 ширини забороненої зони, що і забезпечує стабільний потік випромінювання на виході світлофільтра 5 і використовується реєструючим пристроєм, як опорний сигнал. Почергове та одночасне прикладання напруги до випромінюючих 3 і 4 діодів при збільшенні або зменшенні температури відносно встановленої температури на початку вимірювань підвищує чутливість вимірювання оптичного датчика температури. Для обох варіантів оптичного датчика температури, довжина хвилі випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів вибирається в залежності від температурного коефіцієнту зміни ширини забороненої зони та інтервалу вимірюваних температур. Форма краю поглинання матеріалу обох частин світлофільтру 5 та їх спектральне положення дозволяє змінювати інтервал вимірюваних температур, чутливість оптичного датчика температури та область його використання. Напівпровідникові випромінюючі 3 і 4 діоди були отримані на основі твердих розчинів InGaAs та InAsSbP групи А3В5 за планарною технологією методом рідинно-фазної епітаксії із створеними в них p-nпереходами максимум випромінювання яких лежить в області спектру 2,5-5,0мкм при Т=300К. Оптичний фільтр використаний з робочою довжиною хвилі ∆λР =3,37мкм і шириною смуги пропускання ∆λР =0,08мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненоїзони випромінюючих діодів рівний 3,3´10-4еВ/град. За п. 3 формули винаходу, для підвищення чутливості вимірювань температури, термочутливий 2 елемент працює в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалом часу. При імпульсному режимі роботи з однаковим інтервалом часу, величина струму, що проходить через напівпровідникові випромінюючі 3 і 4 діоди становить I=200мА, а частота слідування імпульсів знаходиться в межах 103 - 106Гц (меандр). При імпульсному режимі роботи з різним інтервалом часу, величина струму становить І=1-10А, а частота слідування імпульсів знаходиться в межах 2 - 10Гц із тривалість імпульсу t =100мкс. За п. 4 формули винаходу, для підвищення чутливості вимірювань та розширення температурного діапазону, термочутливий 2 елемент містить однакову кількість напівпровідникових випромінюючих діодів, на кожну з довжин хвиль видимого або інфрачервоного діапазону спектра. Збільшення кількості випромінюючих діодів на кожну з довжин хвиль приводить до збільшення потужності випромінювання, що забезпечує підвищення чутливості датчика та розширює температурний діапазон вимірювань. За п. 5 формули винаходу, для спрощення конструкції оптичного датчика температури та технологічності його виготовлення, термочутливий елемент містить не менше двох випромінюючих діодів на одну довжину хвилі або не менше двох випромінюючих діодів на різні довжини хвиль об'єднаних в одному корпусі. 87572 8 За п. 6 формули винаходу, для підвищення чутливості оптичного датчика температури теплопровідна 1 основа термочутливого 2 елементу містить заглиблення у формі урізаного конуса або іншого концентратора випромінювання, де розміщені напівпровідникові випромінюючі 3 і 4 діоди. Таке розміщення напівпровідникових випромінюючих діодів приводить до збільшення потужності випромінювання напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів у 1,5-2 рази. За п. 7 формули винаходу для підвищення чутливості та точності вимірювань оптичного датчика температури на теплопровідній основі 1 термочутливого 2 елементу містяться заглиблення у формі урізаного конуса або іншого концентратора випромінювання в кожному з яких розміщені напівпровідникові випромінюючі діоди на одну довжину хвилі випромінювання. Розміщення напівпровідникових випромінюючих діодів приведе, в цьому випадку, до більш рівномірного розподілу тепла на теплопровідній 1 основі термочутливого 2 елемента. За п. 8 формули винаходу для підвищення чутливості вимірювань температури, напівпровідникові випромінюючі 3 і 4 діоди термочутливого 2 елемента розміщені в просвітлюючому та фокусуючому середовищі на основі напівпровідникових халькогенідних стекол, що містять Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях із заданим показником заломлення і знаходяться у механічному контакті з теплопровідною 1 основою. Розміщення напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів у даному середовищі забезпечить збільшення зовнішнього квантового виходу (потужності випромінювання) у 2-3 рази, за рахунок зменшення втрат випромінювання всередині матеріалу напівпровідникових випромінюючих 3 і 4 діодів. За п.п. 9 і 10 формули винаходу, для підвищення чутливості оптичного датчика температури та збільшення його радіуса дії термочутливий елемент або термочутливий елемент із світлофільтром розміщені у фокусі лінзи або параболічного дзеркала. Розміщення термочутливого елемента або термочутливого елемента із світлофільтром у параболічний відбивач дозволяє впевнено реєструвати зміну температури на відстані до 5м. За п.п. 11 і 12 формули винаходу, для розширення діапазону вимірювань температури та області використання оптичного датчика температури, світлофільтр розміщений перед фотоприймачем або термочутливий елемент механічно з'єднаний з одним кінцем оптоволокна через прозорий для випромінювання перехідний шар, а на другому кінці оптоволокна розміщений світлофільтр. Даний винахід дозволяє одержати оптичний датчик температури з підвищеною чутливістю вимірювання температури, працює в широкому діапазоні зміни температури і може бути реалізований на широкому класі матеріалів при одночасному спрощенні конструкції. 9 87572 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 87572 Підписне 12 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