Волоконно-оптический датчик температуры Советский патент 1990 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано при контроле технологических процессов в условиях воздействия сильных электромагнитных полей.

Цель изобретения - увеличение чувствительности в условиях измерений с высоким пространственным разрешением.

На фиг01 дана конструкция устройства; на фиг.2 - датчик.

Источник света 1 подключен к одному концу волоконно-оптической линии 2, проходящей через держатель 3, на торце а которого жестко укреплен

термочувствительный элемент 4, выполненный из U-образно изогнутого многомодового высокоапертурного оптического волокна б с удаленной вблизи мест жесткого крепления внешней оболочкой в и нанесенным вместо нее светопоглащающим слоем г, имеющим температурный коэффициент линейного расширения, отличный от температурного коэффициента линейного расширения материала оптического волокна. Второй конец волоконно-оптической линии связан с фотоприемником 5, подключенным через усилитель 6 к регистрирующему прибору 7.

сд

со со ел

4-

4-

Датчик работает следующим образом Световой поток от источника излучения 1 (фиг.1) проходит по волоконному кабелю 2 и попадает в состыкованный с ним и консольно закрепленный на ножке зонда 3 петлеобразный волоконньй чувствительный элемент 4. Распространяясь по ядру световода б чувствительного элемента (фиг.2), попавшее в него излучение испытывает полное внутреннее отражение от наружной оболочки а за исключением слоя г, где оно частично поглощается При этом степень поглощения светового потока зависит от величины прогиба чувствительного элемента. В свою очередь величина прогиба, обусловленная различием термических коэффициентов линейного расширения материалов покрытия и ядра световода, зависит от температуры. Прошедшая через чувствительный элемент часть излучения попадает на фотоприемник 5, где преобразуется в фототон, затем усиливается и подается на регистрирующий прибор 7. В качестве чувствительных элементов используются многомодовые высокоапертурные световоды (стеклянные или кварцевые), которые допускают весьма крутые изгибы без значительной потери в них света. Чувствительный элемент в форме U-образной петли изготавливается путем локального нагрева до температуры размягчения оптического волокна, который затем изгибается с радиусом кривизны порядка 0,25-0,3 мм. Потери света на изгибе U-образного чувствительног элемента не имеют принципиального значения для работы датчика и практически не зависят от температуры. Увеличение чувствительности в предлагаемом устройстве достигается за счет применения поглощающего свет покрытия, коэффициент линейного расширения которого заметно отличается от коэффициента линейного расширения материала световода. При этом, как показано на фиг.2 на чувствительном элементе образуется структура, аналогичная структуре биметаллической пластинки. Различие в продольном расширении и сжатии слоев покрытия и материала световода (волокна) при изменении температуры вызывает изгиб чувствительного элемента в об0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ласти светопоглощающей структуры волокна. Этот изгиб, в свою очередь, вызывает изменение светопропускания волокна.

Испытания показали, что при длине консольной части петли датчика 5 10 м, расстоянии между волокнами в основании петли 2-10 м, диаметре световолокна 15-Ю 5 м и толщине покрытия (оптического клея ОК-72 с добавкой 0,1%-ной мелкодисперсной сажи) м на длине 2, м относительная точность измерений составляет 0,1% в интервале 0-200°С. Подбирая материал слоя покрытия с большим или меньшим коэффициентом линейного расширения, можно сужать или расширять динамический диапазон измеряемых температур с сохранением относительной точности измерений в 0,1%.

Выбор размеров светопоглащающего покрытия зависит от диапазона измеряемых температур при заданной чувствительности и обосновывается экспериментальным путем. Как следует из экспериментов, оптимальная длина светопоглащающего покрытия находится в диапазоне 1С-15 диаметров световода в зависимости от требуемого диапазона измерения температуры.

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик температуры, содержащий волоконно-оптическую линию, соединенную с термочувст-i вительным элементом, выполненным в виде U-образно изогнутого световода, жестко закрепленного на концах в торце держателя, отличающий- с я тем что, с целью увеличения чувствительности в условиях измерений с высоким пространственным разрешением, U-образно изогнутый световод выполнен из многомодового высокоапер- турного оптического волокна с удаленной вблизи мест жесткого крепления внешней оболочкой и нанесенным в этом месте светопоглощающим слоем с имеющим температурный коэффициент линейного расширения, отличный от температурного коэффициента линейного расширения материала оптического волокна.

Изобретение относится к технике измерения температуры, например, в условиях сильных электромагнитных помех. Цель изобретения - увеличение чувствительности в условиях измерений с высоким пространственным разрешением. В качестве чувствительного элемента датчика используется высокоапертурный, многомодовый волоконно-оптический световод, выполненный в виде U-образной петли, консольно закрепленной на конце держателя. При этом часть оболочки на обеих ветвях петли вблизи заделки заменена светопоглощающим покрытием, обладающим коэффициентом линейного расширения, существенно отличающимся от коэффициента линейного расширения материала ядра световода. При изменении температуры окружающей среды вследствие различия коэффициентов линейного расширения слоя покрытия и ядра световода чувствительный элемент в виде U-образной петли прогибается. При этом интенсивность проходящего по световоду светового потока изменяется. 2 ил.

Фиг.1

В-В

Фиг. 2