УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к устройствам измерения температуры с использованием зависящих от температуры оптических свойств материалов.
Известны устройства для измерения температуры, содержащие термодатчик, оптические свойства которого изменяются в зависимости от температуры, источник и приемник электромагнитного (оптического) излучения [Приборы и системы управления, №3, 1974, с. 40].
Известен датчик температуры на основе щелевого волновода с жидкокристаллическим заполнением, состоящий из источника оптического излучения: полупроводникового лазера, фотоприемника, волноводного кольцевого микрорезонатора и жидкого кристалла, заполняющего щель кольцевого резонатора и окружает его боковые поверхности [И.А. Гончаренко, В.П. Киреенко. Датчик температуры на основе щелевого волновода с жидкокристаллическим заполнением // Измерительная техника, №5, 2013, с. 27-30].
При изменении оптической длины резонатора, пропорциональной в данном случае эффективному коэффициенту преломления волновода или коэффициенту преломления ЖК, зависящего от температуры, приводит к изменению интенсивности излучения на выходе волновода.
Известно устройство для измерения температуры [Патент РФ №609979, G01K 11/12], состоящее из источника света, термочувствительного полупроводникового элемента в виде трехгранной поворотной призмы, прикрепленной к торцу волоконного световода, фотоприемника с регистрирующей аппаратурой. С ростом температуры увеличивается коэффициент поглощения света полупроводником и уменьшается интенсивность света прошедшего на фотоприемник.
Известно устройство для измерения температуры [патент РФ №61325, G01K 1/00], содержащее источник света, световод, фотоприемник и призму, выполненную четырехгранной со скошенными боковыми гранями, прикрепленной большей гранью к торцу разветвленного на два плеча световода и погруженную в капсулу с жидкостью, показатель преломления которой зависит от температуры.
Свет от источника по одному плечу световода направляется к призме, отражается от ее боковых граней и попадает через другое плечо световода на фотоприемник. При изменении температуры меняется показатель преломления жидкости, а следовательно, и коэффициент отражения света от боковой грани призмы. Температуру определяют по интенсивности света, попадавшего в фотоприемник.
Общим для всех устройств для измерения температуры является определение температуры в зависимости от интенсивности оптического излучения прошедшего или отраженного от материала с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления.
Известно устройство для измерения показателя преломления диэлектриков [полезная модель №157405, G01R 27/26], принятое за прототип и содержащее источник излучения и регистратор, размещенной между ними метакубоидной линзы с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6 с заполненным исследуемым диэлектриком пространства между элементами метаматериала и с величиной ребра кубоида кратного длине волны падающего на него излучения, при этом регистратор имеет возможность осевого и продольного перемещения.
Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для измерения температуры.
Задачей полезной модели является расширение номенклатуры устройств для измерения температуры.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения температуры, содержащего источник излучения и регистратор излучения, размещенной между ними метакубоидной линзы с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6 с заполненным материалом пространства между элементами метаматериала и с величиной ребра кубоида кратного длине волны падающего на него излучения, при этом регистратор имеет возможность осевого и продольного перемещения, согласно полезной модели в качестве такого материала используют материал с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления.
Метакубоидная линза [И.В. Минин, О.В. Минин. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с. С. 119-121] имеет плоские входную и выходную апертуры, и выполнена в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, изменяющегося в диапазоне от 1.2 до 1.6, с длиной стороны кубоида а определяемой из соотношения:
a≈λN, N=1, 2, 3…,
где λ длина волны излучения освещающего линзу.
Метакубоидная линза может применяться в диапазоне длин волн от СВЧ, включая миллиметровый и субмиллиметровый диапазон длин волн и до оптического диапазона длин волн.
При этом метаматериал выполнен, например, в виде перфорированного диэлектрика или системы металлических или диэлектрических стержней.
При освещении метакубоидной линзы формируется т.н. «фотонная струя». Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10; Патент РФ на полезную модель №153686, Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса, Минин И.В., Минин О.В.]. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических частиц и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки.
В качестве внедряемого материала в метакубоидную линзу, например, можно использовать мезоморфное вещество, представляющее собой холестерический жидкий кристалл. Жидкие кристаллы, представляют собой вещества, обладающие одновременно свойствами жидкостей и кристаллов. Основными свойствами ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием внешних факторов, например температуры или электрического поля. Типичный холестериком является, например, амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат, обладающий высокой чувствительностью к изменению внешней температуры.
Известно, что показатель преломления жидких кристаллов изменяется в зависимости от температуры [Беляев Б.А., Дрокин Н.А., Шабанов В.Ф. Температурные исследования диэлектрических характеристик жидкого кристалла 5СВ в области релаксации \\ Физика твердого тела, 2005, т. 47, №4, с. 738-741].
Так, например, верхний предел измеряемой температуры датчиков на основе ЖК определяется температурой просветления, которая для жидкого кристалла 5СВ составляет 39.3°С. Однако сейчас разработаны жидкие кристаллы-материалы, анизотропные в температурном интервале от -40 до +110°С [И.А. Гончаренко, В.П. Киреенко. Датчик температуры на основе щелевого волновода с жидкокристаллическим заполнением // Измерительная техника, №5, 2013, с. 27-30].
В качестве материала с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления можно использовать композиты на основе сегнетоэлектрика, например, титаната бария [В.В. Филатов Управляемые оптические свойства глобулярных фотонных кристаллов на основе искусственных опалов, легированных сегнетоэлектриком // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». 2012, с. 212-227], на основе наночастиц сульфида кадмия в матрице полиэтилена высокого давления [Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, В.Я. Подвигалкин Термооптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия в матрице полиэтилена высокого давления // Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. 13, с. 103-110] и т.д.
На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения температуры и изображение метакубоидной линзы заполненной материалом с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления.
Устройство для измерения температуры содержит источник оптического или электромагнитного излучения 1, регистратор излучения 2, метакубоидная линза 3, заполненная материалом с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления 4, формируемая метакубоидной линзой «фотонная струя» 5.
На Фиг. 2 приведены зависимости поперечного разрешения (размера струи) dX 6, dY 7, длины струи dZ 8 (все в единицах длины волны излучения) и значения максимальной интенсивности поля в струе I 9 от значения показателя преломления вещества в отверстиях перфорированного диэлектрика.
На Фиг. 3 показано формирование фотонной струи для ТЕ- (а) и ТМ- (б) мод излучения метакубоидной линзой.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом.
Метакубоидная линза 3, заполненная материалом с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления 4 помещается в среду, в которой производится измерение температуры. При включении оптического или электромагнитного источника излучения 1 происходит облучение метакубоидной линзы 3, заполненной материалом с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления 4. На выходе метакубоидной линзы формируется фотонная струя 5. При нагреве материала с изменяемым посредством внешней температуры коэффициентом преломления 4 изменяется эффективный коэффициент преломления метакубоидной линзы 3 и как следствие изменяются параметры (геометрические параметры «фотонной струи» и ее интенсивность, Фиг. 2).
При перемещении регистратора 2 вдоль и поперек фотонной струи, регистрируются характеристики пространственного распределения электромагнитного поля в области фотонной струи. Было установлено, что пространственные параметры электромагнитного поля фотонной струи, ее интенсивность зависят от показателя преломления материала.
Было установлено, что метакубоидная линза на основе мезоразмерногометаматериала, характеризуется тензорами эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей и обладает свойством различной рефракции либо для ТЕ-, либо для ТМ-поляризованных волн, либо для обеих поляризаций одновременно, что делает возможным селективную субволновую фокусировку и пространственную сепарацию излучения в различных поляризациях.
Результаты вычислительного эксперимента приведены на фиг. 3. Из фиг. 3 очевидно, что для ТМ-моды (фиг. 3, б) область максимальной интенсивности поля вдоль фотонной струи находится вблизи теневой поверхности метакубоидной линзы (на расстоянии порядка половины длины волны), а для ТЕ-моды (фиг. 1, а) - непосредственно на теневой поверхности метакубоидной линзы. Кроме того, протяженность фотонной струи также существенно различается для разных мод излучения. При использовании двух волн с ортогональными поляризациями позволяет получать одновременно две температурные зависимости, и их усреднение повышает точность измерений.