ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Волоконно-оптический датчик температуры
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно, к термометрии.
Известна конструкция волоконно-оптического датчика температуры, принцип действия которого основан на термооптических свойствах кристалла GaAs, который зажат между торцами двух оптических волокон 1. Иедостаток конструкции - ограниченность диапазона измеряемой температуры (не выше 300°С) и не высокая точность измерения температуры (±1°С).
В качестве прототипа следует рассмотреть конструкцию волоконнооптического датчика температуры, имеющего термочувствительный элемент из слоя кремния, осажденного на торце оптического волокна 2. В этой конструкции технологически реализуемы лишь чрезвычайно тонкие слои (толшиной « 1 мк), что не обеспечивает высокой точности измерения температуры. Вырашенные слои кремния имеют аморфн)то или поликристаллическую структуру, что обуславливает низкую стабильность оптических свойств термочувствительного элемента и, как следствие, не удовлетворительную стабильность характеристик всего волоконно-оптического датчика температуры.
Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемом волоконнооптическом датчике температуры, содержащем оптическое волокно и расположенный на выходном торце оптического волокна термочувствительный элемент из кремния. Волоконно-оптический датчик температуры имеет согласующий слой из окиси кремния, через который выполнено соединение термочувствительного элемента с оптическим волокном.
20011296
МТЖ:О01 Kll/12
Техническим результатом, реализуемым в данном изобретении, является повышение точности и стабильности измерения волоконнооптического датчика температуры.
Сущность предложения поясняется с помощью фиг.1, иллюстрирующей работу волоконно-оптического датчика температуры в термокамере.
Волоконно-оптический датчик температуры имеет оптическое волок..il.i iy... Л..Г: - i,.CHwICp...;. |..,aJIt KpGiviHlir ,
НО 1, согласую1щш слош2 и термочувствительный элементов.
Волоконно-оптический датчик температуры работает следующим образом. Излучение светодиода 5 вводится в волоконно-оптический тракт 7 волоконного разветвителя 4 и оптическим волокном 1 передаётся через согласующий слой 2 к термочувствительному элементу 3, который помещается в зону измерения температуры термокамеры 6. Изменение температуры термочувствительного элемента приводит к изменению коэффициента отражения излучения от термочувствительного элемента. Отраженное излучение передается оптическим волокном 1 через разветвитель 4 с волоконнооптическим трактом 8 на фотоприемник 9, регистрирующим изменение температуры.
Ниже приведен конкретный пример исполнения волоконнооптического датчика температуры.
В качестве источника излучения 5 (фиг.1) используется инфракрасный светодиод ЗЛ-107Б, благодаря больщой излучающей поверхности (бООхбООмк), обеспечивается оптическое согласование его с волоконнооптическим трактом 7 с высокой стабильностью. Использовался многомодовый кварц-кварцевый разветвитель 4 типа Y с наружным диаметром сечения 125 мк и диаметром световедущей жилы 50 мк. В качестве термочувствительного элемента 3 применялась пластинка монокристаллического кремния размером 100x100x20 мк Формирование согласующего слоя 2 из окиси кремния происходит за счет окисления кремниевого элемента 3 при
температуре 1100°C -1200°C при помещении последнего в дуге электрического разряда на 10-15 минут. Соединение структуры 2-3 (согласующий слой-термочувствительный элемент) с выходным торцем оптического волокна 1 осуществляется электродуговой сваркой переменным током с частотой 30-50кгц. Для жилы оптического волокна, согласующего слоя и термочувствительного элемента значения показателя преломления составляли, соответственно, 1,5; 1,9-2,0 и 3,4, а коэффициент теплопроводности для этих же сред равнялся, соответственно, 0,5-10- (1/°С); 2-10- (1/°С) и 2, (1/°С), что обеспечивало достаточное качество согласования термочувствительного элемента с оптическим волокном.
С помощью изготовленного волоконно-оптического датчика выполнялось измерение температуры в термокамере для сущки древесины СВЧизлучением. Диапазон работы волоконно-оптического датчика температуры соответствовал -60°С -+350°С, точность измерения составляла 0,2°С. Стабильность характеристик за 6 месячный срок была не хуже 5%.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом датчике устранены присущие ему технологические недостатки и достигнуты высокие технические характеристики.
Литература:
1 Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л..Энергоатомиздат.-1990.- с. 146-147.
2 L.Schultheir, H.Amstutz, M.Kaufmarm, Fiber-optic temperature sensing with Liltrathin silicon etalons. Optics Letters.-13.-1988.-pp.782-784.