ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01K11/12 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к термометрии, и может использоваться для дистанционных измерений температуры объектов, находящихся в экстремальных условиях (сильные электромагнитные помехи, повышенная пожаро-взрывоопасность, высокий уровень радиации и т.д.).

Известна конструкция волоконно-оптического термометра, содержащая два источника излучения с разными длинами волн, передающий световод, полупроводниковый термочувствительный элемент (ТЧЭ) и приемный световод, соединенный с фотоприемником, принцип действия которого основан на температурном смещении края собственного поглощения кристаллического арсенида галлия (GaAs) в виде плоскопараллельной пластины, расположенной между торцами приемно-передающих световодов [1].

Однако, вследствие того, что GaAs, являющийся прямозонным полупроводником, характеризуется резким краем собственного поглощения, диапазон измеряемых температур датчика существенно ограничен шириной спектра источников света. Кроме того, функция преобразования датчика в значительной степени зависит от особенностей спектра излучения источников света. К числу недостатков следует отнести также ограниченный ресурс работы датчика в условиях высоких температур (более 250°С), связанный с нарушением стехиометрии состава из-за высокой летучести мышьяка (As), приводящей к низкой точности измерений и стабильности характеристик датчика. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик температуры (ВОДТ), содержащий волоконно-оптический световод (ВОС) и расположенный на выходном торце ВОС термочувствительный элемент из кремния. Соединение термочувствительного элемента с ВОС выполнено с помощью согласующего слоя из окиси кремния [2].

Волоконно-оптический датчик температуры имеет ВОС 1, согласующий слой 2 и термочувствительный элемент 3 (фиг.1).

Волоконно-оптический датчик температуры работает следующим образом. Излучение светодиода 5 вводится в ВОС 7 волоконного разветвителя 4 и волоконно-оптическим световодом (ВОС) 1 передается через согласующий слой 2 к ТЧЭ 3, который помещается в зону измерения температуры термокамеры 6. Изменение температуры ТЧЭ приводит к изменению коэффициента отражения излучения от ТЧЭ. Отраженное излучение передается ВОС 1 через разветвитель 4 с ВОС 8 на фотоприемник 9, регистрирующий изменение температуры.

В данном ВОДТ, благодаря применению кремния в качестве термочувствительного элемента, являющегося непрямозонным полупроводником с растянутым краем собственного поглощения и обладающего стабильными термооптическими свойствами в широком диапазоне температур, существенно ослабляются (снижаются) требования к спектральным свойствам источников света, расширяется диапазон измеряемых температур и улучшается точность измерений и стабильность характеристик датчика.

Однако данный ВОДТ обладает существенным недостатком, обусловленным зависимостью интенсивности отраженного света от модового состава излучения, падающего на ТЧЭ.

В зависимости от угла наклона луча света к геометрической оси ВОС и координаты точки пересечения луча с плоскостью выходного торца (фиг.2) после отражения от внешней поверхности ТЧЭ лишь часть лучей возвращается обратно в световедущую сердцевину ВОС, что приводит к уменьшению коэффициента отражения ТЧЭ. При этом любые случайные воздействия или другие причины, оказывающие существенное влияние на модовый состав излучения в ВОС (изменение диаграммы направленности источника света, изгибы ВОС, изменение давления и/или температуры окружающей среды, дрейф параметров ВОС в процессе старения при длительной эксплуатации и т.д.) приводят, таким образом, к случайным изменениям коэффициента отражения и, следовательно, к ухудшению точности измерений термометра.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения температуры при длительной работе термометра.

Для достижения указанной технической задачи на второй торцевой стороне термочувствительного элемента, выполненного из полупроводниковой структуры (первой торцевой стороной ТЧЭ с помощью согласующего слоя соединен со свободным торцом третьего ВОС), сформированы отражающее покрытие в виде круга с центром на геометрической оси третьего световода и неотражающая часть в виде кольца (неотражающая часть может быть выполнена в виде периферийной части полупроводниковой структуры) с центром на геометрической оси третьего световода, имеющую внешнюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей термочувствительного элемента, и внутреннюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей упомянутого круга (фиг.4 и 5).

Отражающее покрытие выполнено в форме круга с радиусом r, определяемым соотношением

где

R - радиус сердцевины ВОС, [м];

NA(r) - локальная числовая апертура ВОС;

h_c - толщина согласующего слоя, [м];

h_п - толщина полупроводникового ТЧЭ, [м];

n_с - показатель преломления материала согласующего слоя;

n_п - показатель преломления материала ТЧЭ;

r - радиус отражающего покрытия [м].

Неотражающая часть ТЧЭ может быть выполнена из специальных покрытий либо ТЧЭ выполнен в виде профилированного элемента с периферийной частью в виде кольца, имеющей большую толщину, чем центральная. В последнем случае нежелательные лучи устраняются за счет поглощения в утолщенной части ТЧЭ, не достигая ее поверхности.

Роль отражающего покрытия могут играть, например, металлические пленки или диэлектрические многослойные интерференционные зеркала, сформированные на внешней поверхности ТЧЭ. Неотражающее покрытие можно сформировать, например, нанесением на внешнюю поверхность полупроводника просветляющего покрытия, в частности из моноокиси кремния (SiO), либо матированием периферийной области ТЧЭ.

Например, для ВОС со ступенчатым профилем показателя преломления имеем

А для ВОС с плавным профилем преломления (например, градиентным) имеем, соответственно

где n₁ и n₂ - значения показателей преломления соответственно на оси световода и отражающей оболочки.

При выполнении соотношения (1) все лучи, падающие на ТЧЭ в пределах аппертурного угла после отражения от задней поверхности ТЧЭ попадают в световедущую сердцевину независимо от углового распределения (модового состава) в ВОС, и коэффициент отражения ТЧЭ не зависит от модового состава излучения. Дополнительные потери интенсивности отраженного излучения, обусловленные тем, что отражающее покрытие не полностью перекрывает сердцевину ВОС, не превышают значения α, определяемого соотношением

где s₀=πr² - площадь поверхности отражателя (м²), s_c=πR² - площадь сечения сердцевины ВОС (м²). Например, в случае ВОС со ступенчатым профилем показателя преломления в предположении равномерного распределения интенсивности излучения по всем направляемым модам ВОС, характеризующегося типичными параметрами: R=5*10^-5 м, NA=0,2 с кремниевым ТЧЭ и переходным слоем из набора окислов кремния с параметрами h_п=2*10^-5 м; n_п=3,5; h_с=1,8; h_c=3*10^-7 м, получим оценку значения α≈0,2 дБ, т.е. вносимые потери не превышают 5%.

Предлагаемый ВОДТ (фиг.3) содержит ВОС 1, соединенный с термочувствительным элементом 2 с помощью согласующего слоя 3, волоконно-оптический разветвитель 4 с входным ВОС 5 и выходным ВОС 6, подключенным к входу фотоприемного устройства 7, узкополосные фильтры 8, 9; два источника света с разными длинами волн 10, 11; делительный кубик 12, фотоприемник опорного сигнала 13, узкополосные фильтры 14, 15; электрические цепи обратной связи 16, 17. Спектральный диапазон одного из источников света находится в пределах растянутой области края собственного поглощения ТЧЭ, а другого - за пределами этой области.

Устройство работает следующим образом. Источники света 10, 11 создают световые потоки, модулированные по интенсивности на двух разных фиксированных частотах f₁ и f₂, соответственно. Часть излучения с помощью делительного кубика 12 поступает в опорный фотоприемник 13, выходной сигнал которого, разделенный с помощью узкополосных фильтров 14, 15, настроенных соответственно на пропускание сигналов с частотами модуляции f₁ и f₂, используется для стабилизации интенсивности источников света 10, 11 с помощью цепей обратной связи 16, 17. Другая часть светового потока через ВОС 5 и ВОС 1 поступает к термочувствительному элементу 2, после отражения от которого принимается фотоприемником 7. С помощью узкополосных фильтров 8, 9, настроенных на частоты модуляции f₁ и f₂, осуществляется выделение сигналов, соответствующих разным источникам света, и затем, с помощью устройства обработки и индикации 18, например, на базе аналого-цифровых преобразователей, определяется отношение указанных сигналов K=u₁/u₂, являющееся известной функцией температуры K=f(T) в области расположения ТЧЭ, и, далее, вычисляются значения обратной функции - температуры ТЧЭ T=f^-l(K). Благодаря операции деления сигналов в значительной степени ослабляется (исключается) влияние на точность измерения воздействие различных дестабилизирующих факторов, изменяющих светопропускание волоконно-оптической схемы ВОДТ.

Возможны также другие режимы модуляции интенсивности источников света с разными длинами волн. Например, последовательные периодические включения и выключения светодиодов, и при этом синхронно с работой источников света производятся измерения величин сигналов на выходе фотоприемника и, таким образом, формируются сигналы u₁ и u₂, пропорциональные интенсивностям отраженных излучений с разными длинами волн. Дальнейшая обработка сигналов осуществляется также, как представлено выше.

Литература

1. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. «Волоконно-оптические датчики» Пер. с японского. Л., Энергоатомиздат, 1990.

2. Патент на полезную модель №31447 от 10 авг. 2003 г. Патентообладатель ИРЭ РАН.

Авторы: Егоров Ф.А., Потапов В.Т., Бурков В.Д., Егоров С.А., Королев В.А. «Волоконно-оптический датчик температуры».

Волоконно-оптический термометр содержит два источника света, фотоприемник, волоконный разветвитель, подключенный через первый световод к упомянутым источникам света, через второй световод - к фотоприемнику, через третий световод - торцом третьего световода к термочувствительному элементу, выполненному в виде полупроводниковой структуры, прикрепленной первой торцевой стороной с помощью переходного слоя к упомянутому торцу третьего световода. Также на второй торцевой стороне термочувствительного элемента сформированы отражающее покрытие в виде круга с центром на геометрической оси третьего световода и неотражающая часть в виде кольца с центром на геометрической оси третьего световода, имеющая внешнюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей термочувствительного элемента, и внутреннюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей упомянутого круга. Технический результат - повышение точности измерения температуры при длительной работе термометра. 5 ил.

Волоконно-оптический термометр, содержащий первый и второй источники света, фотоприемник, волоконный разветвитель, подключенный через первый световод к упомянутым источникам света, через второй световод - к фотоприемнику, через третий световод - неподключенным к разветвителю торцом третьего световода к термочувствительному элементу, выполненному в виде полупроводниковой структуры, прикрепленной первой торцевой стороной с помощью переходного слоя к упомянутому торцу третьего световода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры на второй торцевой стороне термочувствительного элемента сформированы отражающее покрытие в виде круга с центром на геометрической оси третьего световода и наотражающая часть в виде кольца с центром на геометрической оси третьего световода, имеющая внешнюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей термочувствительного элемента, и внутреннюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей упомянутого круга.