Спектральный преобразователь температуры

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к элементам датчиков физических величин.
Известен волоконно-оптический термодатчик, содержащий осветительный и приемный световоды, первые концы которых подсоединены к источнику света и фотоприемнику, а вторые – к направленному Y-образному волоконно-оптическому разветвителю, общий ввод-вывод которого снабжен термочувствительным элементом, имеющим зеркальную поверхность и выполненным в виде непрозрачной шторки из материала с эффектом памяти формы, одним концом закрепленной на торце измерительного световода. Патент Российской Федерации на изобретение RU 2441205, МПК G01K 11/00, G02B 6/26, 27.01.2012.
Принцип действия описанного устройства основан на смещении свободного конца шторки относительно плоскости торца измерительного световода, вызванном температурной деформацией материала. Изменение апертуры отраженного светового потока и, таким образом, интенсивности излучения служит информационным сигналом.
Устройство обладает простым в исполнении термочувствительным элементом – шторкой, однако при этом имеет низкую разрешающую способность и малый температурный диапазон применения, поскольку даже небольшие отклонения шторки, соединенной с торцом световода, оказывают существенное влияние на регистрируемый фотоприемником световой поток. Ввиду этого заявленная область использования устройства ограничена системами терморегуляции и сигнализации и, в особенности, термореле.
Известен термочувствительный спектральный преобразователь, выполненный в виде пластины, в которой сформирован волновод, содержащей приемный и излучающий элементы в виде дифракционных решеток. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 154470, МПК G01K 11/00, 27.08.2015.
Устройство имеет низкую разрешающую способность и малый температурный диапазон применения, поскольку дифракционные решетки сформированы в материале пластины, температурные деформации которой ограничены ее физическими свойствами. При этом пластина может быть изготовлена только из материалов, используемых при создании интегральных оптико-электронных схем, позволяющих сформировать в ней оптический волновод для передачи излучения. В связи с этим область использования устройства ограничена узкой сферой микроэлектроники и интегральной фотоники.
Известен волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабженный корпусом, на внешней стенке которого закреплен световод. Патент Российской Федерации на полезную модель RU 140576, МПК G01K 11/32, 10.05.2014. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая разрешающая способность и низкая температурная чувствительность ввиду значительной длины участка закрепленного световода, в котором записана решетка Брэгга, поскольку при температурном растяжении волокна относительное удлинение самой решетки будет тем меньше, чем длиннее участок волокна, подвергающийся воздействию этих растяжений. В описанном устройстве отсутствуют конструктивные элементы, позволяющие усилить деформацию решетки Брэгга, и, таким образом, деформации решетки Брэгга определены физическими свойствами материала корпуса. Также, ввиду конструктивных особенностей расположения чувствительного элемента на внешней стенке корпуса и невысокой термостойкости полиамидного покрытия световода, устройство имеет ограниченную область применения.
Задачей полезной модели является создание спектрального преобразователя температуры с высокой разрешающей способностью и высокой температурной чувствительностью.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств измерения температуры.
Технический результат достигается тем, что спектральный преобразователь температуры содержит корпус и закрепленное на нем оптическое волокно с волоконной решеткой Брэгга, оптическое волокно закреплено на корпусе посредством конструктивных элементов, передающих температурные деформации корпуса на участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брэгга, и выполненных из материала, значение температурного коэффициента расширения которого меньше значения температурного коэффициента расширения материала корпуса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:
1 – излучатель;
2 – приемник излучения;
3 – оптическое волокно;
4 – волоконная решетка Брэгга;
5 – корпус;
6 – транслятор деформации;
7 – адгезионный материал.
Спектральный преобразователь температуры содержит корпус 5, выполненный из термочувствительного материала с высоким значением температурного коэффициента расширения (ТКР), например из алюминиевого сплава. Оптическое волокно 3 расположено в корпусе 5 таким образом, чтобы волоконная решетка Брэгга 4 была закреплена между трансляторами деформации 6 посредством адгезионного материала 7.
Трансляторы деформации 6 выполнены из материала с низким значением коэффициента температурного расширения, например из кварца. Назначение трансляторов деформации состоит в передаче деформации корпуса 5, вызванной температурным воздействием и приходящейся на всю его длину, к малому участку оптического волокна 3, содержащему волоконную решетку Брэгга 4. Ввиду того, что ТКР корпуса выше ТКР трансляторов деформации, осевые деформации волоконной решетки Брэгга 4, вызванные температурной деформацией корпуса, превышают ее осевые деформации, вызванные температурной деформацией трансляторов. При этом, разрешающая способность спектрального преобразования может быть определена не только за счет выбора материалов корпуса и трансляторов, но и соотношением их длин. Все это рассчитывают в зависимости от требуемого в каждом конкретном случае температурного разрешения устройства и диапазона изменений температуры.
Корпус и трансляторы деформаций устройства могут быть выполнены в виде герметичных цилиндрических элементов – трубок, как это представлено на чертеже, а также в виде открытой конструкции.
В качестве адгезионного материала для закрепления оптического волокна может применяться стеклоприпой СЦНК 77–2 или клей, например, марки К300.
Спектральный преобразователь температуры работает следующим образом.
Деформации корпуса 1, вызванные температурным расширением его материала, посредством трансляторов деформации 6 передают на малый участок оптического волокна 3, содержащий волоконную решетку Брэгга 4. Деформации волоконной решетки Брэгга, сопровождающиеся изменением ее внутренней структуры, изменяют спектральные свойства излучения, прошедшего через оптическое волокно от излучателя 1 к приемнику излучения 2 (излучатель и приемник излучения на чертеже изображены условно).
Применение конструктивных элементов с низким значением ТКР, транслирующих деформацию корпуса, выполненного в свою очередь из материала с высоким значением ТКР, позволяет увеличить разрешающую способность спектрального преобразователя температуры и, таким образом, создать новый вид устройств спектрального преобразования, расширив арсенал технических средств измерения температуры.