Волоконно-оптический датчик температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K11/12 

Изобретение относится к термометрии, в частности к волоконно-оптическим датчикам (ВОД) температуры, и может быть использовано для дистанционного контроля температурных режимов различных объектов с большими геометрическими размерами, находящихся в условиях сильных электромагнитных полей, ионизирующих излучений и химически агрессивных сред, а также в системах аварийной и противопожарной сигнализации.

Известен ВОД температуры, содержащий источник излучения, световод и детектор излучения. Световод состоит из сердцевины и оболочки. Материалы сердцевины и оболочки подобраны таким образом, что их показатели преломления изменяются с температурой по определенной закономерности. В качестве материалов для сердцевины и оболочки применяют обычные и специальные стекла (флинты на основе бария), кварцевые стекла, полимеры, жидкости. Передача излучения через световод имеет место лишь тогда, когда показатель преломления оболочки меньше показателя преломления сердцевины.

К недостаткам этого ВОД относятся трудность выбора материалов, обеспечивающих разность показателей преломления сердцевины и оболочки Д п 0,003, необхоVI

1Ч

«а

N

сл

димую для осуществления светопроводя- щих свойств световодов, высокие пороговые температуры (Тс 470 К), при которых достигается равенство показателей преломления оболочки и сердцевины, наличие жидкости в конструкции датчиков.

Известен ВОД температуры, содержащий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления.

К недостаткам этого ВОД относятся высокотемпературная технология получения оптических волокон из кварцевого стекла, сложность подбора пар стекол для термочувствительного волокна и сравнительно низкая чувствительность датчика (изменение разницы показателей преломления на величину 3 достигается при изменении температуры на 300 К), работающего в температурной области выше 450 К. Применяемые оптические волокна прозрачны в видимой части спектра,

Целью изобретения является повышение.чувствительности датчика.

Цель достигается тем, что в ВОД температуры, содержащем оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления, сердцевина термочувствительного волокна выполнена из халькоге- нидного стеклообразного полупроводника (ХСП) с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, а оболочка - из ХСП с положительным температурным коэффициентом показателя преломления.

.Оболочка термочувствительного волокна выполнена многослойной с различными по знаку температурными зависимостями показателя преломления слоев.

На фиг. 1 однопороговый ВОД температуры, продольный разрез; на фиг. 2 - температурные зависимости показателей преломления сердцевины (прямая 1) и оболочки (прямая 2) однопорогового ВОД температуры; на фиг. 3 - то же, материалов сердцевины и оболочки однопороговых ВОД температуры, где на а - сердцевина из стекла состава Aso,20 So.so, оболочка - из (Аз2$з)о,29 (СеЗаЬл; на б - сердцевина из стекла состава AssSs.. оболочка - из (Аз25з)о.42 (GeS2)o.58: на в - сердцевина из стекла состава (А825з)о,8о (Asla)o.20. оболочка - из Geo,20 Aso.14 So,04 Seo.48 lo.n; на фиг. 4 двухпороговый ВОД температуры, продольный разрез; на фиг, 5 - температурные зависимости показателей преломления сердцевины (прямая 3) и оболочек (прямые

4, 5) двухпорогового ВОД температуры.

Предлагаемый однопороговый -ВОД температуры (фиг, 1) состоит из источника 1 излучения, ИК-фотоприемника 2 и термочувствительного элемента, включающего в се0 бя сердцевину 3 из стекла состава Aso,25 So,75 с показателем преломления п ,, на которую нанесена светоотражающая оболочка 4 из стекла состава Geo,20 Aso.14 So,34 Geo.18 1о,14 с показателем преломления П2, а

5 затем - светоотражающая оболочка 5 из ХСП с высоким уровнем оптических потерь и защитное полимерное покрытие 6. Показатели преломления сердцевины и оболочки изменяются с. изменением температуры

0 (фиг. 2) и при К выравниваются (щ П2). Излучение достигает сильнопоглощающей оболочки и светопроводящие свойства волокна нарушаются. На фиг. 3 (а, б, в) приведены также примеры пар материалов

5 для ВОД температуры с значениями порога

срабатывания К, К, К.

Предлагаемый двухпороговый ВОД

температуры (фиг. 4) состоит из источника 1

излучения, апертурной диафрагмы 7, термо0 чувствительного волокна, оптического рэз- ветвителя 8, фотоприемников 2 и микропроцессора 9. Термочувствительный элемент включает сердцевину 10 из ХСП состава Aso,27 So,73, на которую в два слоя

5 нанесены светоотражающие оболочки 11 и 12 из.стекол составов (А$25з)о.42 (Се$2)о.58 и As2Ss соответственно. На оболочку 12 нанесена светоотражающая оболочка 13, а затем -защитное полимерное покрытие 14.

0 Двухпороговый ВОД температуры работает следующим образом.

Излучение от источника 1 через апер- турную диафрагму 7 в пределах апертурного угла волокна попадает в сердцевину 10.Тор5 цовая засветка оболочек 11 и 12 исключается. При Т TCI (фиг. 5) сердцевина канализирует излучение через развётвитель на один из фотоприемников 2. При показатели преломления сердцевины 10 (пз)

0 и оболочки 11 ( выравниваются и излучение проникает в оболочку 12. После отражения от покрытия 13 излучение перераспределяется определенным образом между сердцевиной и оболочками. Из5 лучения каждой оболочки и сердцевины через развётвитель 8 попадают на соответствующие фотоприемники.

При дальнейшем увеличении температуры показатели преломления сердцевины (пз) и оболочки 12 (ПБ) монотонно уменьшаются, а показатель преломления оболочки 11 (п4)увеличивается. При происходит новое перераспределение излучения между сердцевиной и оболочками, а дальнейшее повышение температуры приводит к локализации излучения в оболочке 12 (ги ns пз). В результате микропроцессор посредством системы фотоприемников зарегистрирует соответствующее распределение энергии излучения. По такому принципу возможно также построение многопороговых ВОД температуры из ХСП.

Предлагаемые ВОД температуры могут применяться в труднодоступных и опасных для жизни местах, в условиях СВЧ полей и ионизирующих излучений.

Формула изобретения 1. Волоконно-оптический датчик темпе- 20 ратуры, содержащий оптически связанные

0

5

0

между собой источник излучения, фотоприемник и термочувствительное волокно с сердцевиной и оболочкой из материалов с пересекающимися монотонными температурными зависимостями показателя преломления, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, сердцевина термочувствительного волокна выполненаизхалькогенидногостеклообразного полупроводника с отрицательным температурным коэффициентом показателя преломления, а оболочка - из халькогенидного стеклообразного полупроводника с положительным температурным коэффициентом показателя преломления.

2. Датчик по п. 1,отличающийся тем, что оболочка термочувствительного волокна выполнена многослойной с различными температурными зависимостями показателя преломления слоев.

Изобретение относится к термометрии и позволяет увеличить чувствительность волоконно-оптических датчиков температуры, которые могут быть использованы для дистанционного контроля температурных режимов различных объектов в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, ионизирующих излучений и. химически агрессивных сред. Датчик содержит оптически связанные между собой источник ИК-излучения. фотоприемник и термочувствительное волокно, сердцевина и оболочка которого выполнены из халькогенидного стеклообразного полупроводника с разными по знаку температурными коэффициентами показателя преломления. Для получения нескольких пороговых значений температуры срабатывания датчика, при которых происходит резкое изменение его сеетопропускания. оболочка волокна выполняется многослойной с разными температурными зависимостями показателя преломления слоев. Т з.п. ф-лы, 5 ил.

sfZ 7J/}/J/2s%5

: sosSsSs$§

/7/7,г////////////////

Ж

ХЧУчУчХУ

П 2,17

2,16

300

5

/7/7,г////////////////.

Ж

ХЧУчУчХУ

if

340 Фиг.2

380 Т.К

n г,зг

z.3i

г,1в г.1в

,и

2,13

г,«

зоо

0 // 12 13 М

340 о.3

380Т.К

8