RU155334U1

RU155334U1 - Волоконно-оптический датчик температуры

Info

Publication number: RU155334U1
Application number: RU2012108057/28U
Authority: RU
Inventors: Дарина Сергеевна Агафонова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нью Технолоджис Про"
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-10-10

Abstract

1. Волоконно-оптический датчик температуры, характеризующийся тем, что он содержит чувствительный элемент в виде интерферометра Фабри-Перо, образованного двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр, при этом пространство между торцами волокон заполнено жидкостью или твердым телом с температурно-зависимым коэффициентом пропускания оптического излучения для одной длины волны и с неизменным коэффициентом пропускания оптического излучения для другой длины волны, широкополосный источник излучения, разветвитель 1×3, два фотоприемных устройства с оптическими фильтрами, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим разветвителем 1×3, который соединен с интерферометром Фабри-Перо и двумя фотоприемными устройствами, выходы фотоприемных устройств соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя.2. Волоконно-оптический датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим системам измерения температуры.

Предшествующий уровень техники

Известно изобретение «Квазистатический волоконно-оптический датчик давления» [PCT WO 0017604, опубл. 30.03.2000], в котором используют самокалибровочную интерферометрию с применением широкополосного полупроводникового источника излучения. При этом измерения производят путем контроля отклонения мембраны, являющейся частью резонатора Фабри-Перо. Фазу принятого сигнала демодулируют с помощью двойного спектрометра с дифракционной решеткой в реальном масштабе времени и высокой разрешающей способностью. Эта технология позволяет проводить измерения абсолютной величины зазора в широком диапазоне с нанометрической разрешающей способностью.

Недостатком данного изобретения является громоздкость измерительной системы, подверженность ее воздействию внешних факторов, а именно вибрации и температуры, а также трудоемкость процессов сборки и юстировки, низкий уровень соотношения сигнал/шум.

Известно изобретение «Оптический датчик длин волн» [РСТ WO 9520144, опубл. 27.07.1995], который содержит клинообразный Фабри-Перо эталон, являющийся резонатором для различных длин волн в зависимости от толщины. Имеется линейный датчик, который детектирует местоположение резонансного пика. Детектор соединен с процессором.

Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении эталона Фабри-Перо за счет использования отражающих покрытий, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум.

Известно изобретение «Устройство и метод измерения физического параметра» [патент США 5,392,117, опубл. 21.02.1995], в котором оптическое устройство для измерения физического параметра, соединенное с источником излучения, имеющее в спектре множество частот, содержит интерферометр Фабри-Перо, через который проходит световой сигнал, указанный интерферометр Фабри-Перо включает два полуотражающих зеркала, параллельных друг другу и установленных на расстоянии друг от друга, так что образуют резонатор интерферометра Фабри-Перо, имеющего соответствующие характеристики передачи и пропускания, которые изменяются при воздействии указанного физического параметра. Указанный интерферометр Фабри-Перо сформирован, по крайней мере, одним оптическим волокном для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и для приема части выходного светового сигнала; оптическое средство фокусировки для фокусировки, по крайней мере, части светового сигнала и Физо интерферометра, через который пропускается фокусированное излучение, указанный Физо интерферометр, включающий оптическое клинообразное средство, формирующее резонатор Физо интерферометра клиновидного профиля, из которого выходит пространственно распределенный световой сигнал, содержащий информацию о характеристиках пропускания или отражения указанного интерферометра Фабри-Перо. Следовательно, физический параметр может быть измерен с помощью указанного пространственно распределенного светового сигнала.

Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении интерферометра Физо, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум, а также трудоемкость сборки интерферометра Физо, так как необходимо сделать однородный клин с расстоянием между поверхностями, изменяющимися от 0 до 500 мкм.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптическая измерительная система [RU №2334965 C2, опубл. 27.09.2008], выбранная в качестве прототипа. Указанная система содержит широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегиструющее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра, включающего два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего устройства. Интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

Недостатком устройства является его относительно низкая чувствительность, связанная с небольшой глубиной модуляции сигнала из-за малого значения коэффициента отражения торца волокна в интерферометре Фабри-Перо. Недостатком является также, то, что чувствительный элемент реагирует на воздействие одновременно многих параметров (температура, давление, деформация), из-за чего невозможно его применение для измерения одного параметра в средах с воздействием многих параметров.

Полезная модель решает задачу повышения чувствительности и возможности измерения температуры в присутствии внешних воздействий, таких как давление, деформация и вибрация.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.

Поставленная задача решается за счет того, что волоконный датчик, так же как известный, содержит чувствительный элемент в виде интерферометра Фабри-Перо, образованного двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр. Но, в отличие от известного, пространство между торцами волокон заполнено жидкостью с температурнозависимым коэффициентом пропускания оптического излучения для одной длины волны и с неизменным коэффициентом пропускания оптического излучения для другой длины волны.

Кроме того, волоконно-оптический датчик содержит широкополосный источник излучения, разветвитель 1×3, два фотоприемных устройства с оптическими фильтрами, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим разветвителем 1×3, который соединен с интерферометром Фабри-Перо и двумя фотоприемными устройствами, выходы фотоприемных устройств соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя.

Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризует волоконно-оптический датчик, в котором широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода. Использование полупроводникового светодиода в датчике позволяет упростить ввод излучения в оптическое волокно и, тем самым, повысить чувствительность датчика.

Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы, характеризует волоконно-оптический датчик, в котором в пространстве между торцами волокон чувствительного элемента находится слой твердого вещества с температурнозависимым коэффициентом пропускания оптического излучения для одной длины волны и с неизменным коэффициентом пропускания оптического излучения для другой длины волны. Использование твердого вещества, а не жидкого в чувствительном элементе позволяет упростить сборку чувствительного элемента и дает возможность использования датчика при температурах свыше 300°C.

Описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.

На фиг.1 схематично представлена схема волоконно-оптического датчика температуры. 1 - широкополосный источник излучения, 2 - волоконно-оптический разветвитель 1×3, 3 - чувствительный элемент, 4, 5 - фотоприемные устройства с оптическими фильтрами, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - микропроцессорное устройство.

На фиг.2 схематично показан чувствительный элемент волоконно-оптического датчика температуры. 8 - капилляр, 9 - первое волокно (сигнальное), 10 - второе волокно (вспомогательное), 11 - торец первого волокна, 12 - торец второго волокна, 13 - промежуточный слой, 14 - клей.

Устройство работает следующим образом

Широкополосное излучение, излучаемое источником света 1 (фиг.1), которым может быть светодиод с оптоволоконным выходом, проходит через один из входов разветвителя 1×3 2 и попадает в чувствительный элемент 3, являющийся резонатором Фабри-Перо. При отражении от чувствительного элемента 3 излучение приобретает модуляцию в спектре за счет интерференции волны, отраженной от внутренней границы световода 11 (фиг.2), и волны, отраженной от другого волокна 12 (фиг.2), причем модуляция однозначно связана с расстоянием между отражающими поверхностями интерферометра. Далее отраженное от чувствительного элемента 3 (фиг.1) излучение попадает опять в волокно, проходит через разветвитель 2 в обратном направлении и часть излучения попадает на первое фотоприемное устройство с оптическим фильтром 4, оставшаяся часть излучения попадает на второе фотоприемное устройство с оптическим фильтром 5. Фотоприемное устройство 4, содержащее оптический фильтр, предназначено для преобразования оптического излучения на длине волны, для которой промежуточный слой в интерферометре имеет температурнозависимый коэффициент пропускания. Таким образом, фотоприемное устройство 4 регистрирует оптический сигнал, обусловленный воздействием многих параметров (температура, давление, вибрация, деформация). Фотоприемное устройство 5, содержащее оптический фильтр, предназначено для преобразования оптического излучения на длине волны, для которой промежуточный слой в интерферометре имеет независящий от температуры коэффициент пропускания. Таким образом, фотоприемное устройство 5 регистрирует оптический сигнал, обусловленный воздействием многих параметров (давление, вибрация, деформация), кроме температуры. Оба фотоприемных устройства преобразуют оптические сигналы в электрические сигналы, поступающие на аналого-цифровой преобразователь 6, и далее уже цифровой сигнал поступает на микропроцессорное устройство 7, где происходит обработка сигнала, заключающаяся в том, что сигнал от первого фотоприемного устройства 4 нормируется на сигнал второго фотоприемного устройства 5 и таким образом выделяется сигнал, обусловленный только воздействием температуры на волоконно-оптический датчик. По полученному сигналу и калибровочным характеристикам в микропроцессорном устройстве 7 определяется абсолютное значение температуры.

Пример исполнения чувствительного элемента 3 дан на фиг.2. Интерферометр Фабри-Перо образован двумя плоскими гладкими торцами 11, 12 волокон, причем первое волокно 9 является входом и выходом чувствительного элемента, а второе волокно 10 служит лишь в качестве зеркала и является небольшим отрезком. Промежуток между торцами волокон заполнен жидкостью 13 или твердым телом 13 по форме внутреннего отверстия капилляра 8. Оптические волокна прикрепляются к капилляру 8 с помощью клея, например, эпоксидного или легкоплавкого стекла 14. При этом, если изменяется температура или происходит деформация капилляра 8, то это сопровождается изменением его длины, и, следовательно, расстояние между торцами 11 и 12 волокон меняется. При изменении давления или при наличии вибрации расстояние между торцами 11 и 12 волокон также меняется.

Технический результат достигается за счет использования в регистрирующем интерферометре между зеркалами, образованными торцами волокон, промежуточного слоя (жидкости или твердого тела), который обеспечивает раздельную регистрацию температурных и иных воздействий, таких как давление, деформация, вибрация, что приводит, в конечном счете, к возможности использования датчика для измерения температуры в средах с многими воздействиями. Также технический результат достигается за счет того, что промежуточный слой при воздействии температуры изменяет свое пропускание и тем самым увеличивает глубину модуляции полезного сигнала, что приводит, в конечном счете, к увеличению чувствительности датчика.

Промышленная применимость

Волоконно-оптический датчик температуры по настоящей полезной модели предназначен для использования в системах пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных и сервисных туннелях, в складах, авиационных ангарах, плавучих танкерах и складах промежуточного хранения радиоактивных веществ.

Волоконно-оптический датчик температуры по настоящей полезной модели предназначен для термического контроля силовых кабелей и воздушных линий передач, промышленных индукционных плавильных печей, нефтяных и газовых скважин, химических процессов.

Волоконно-оптический датчик температуры по настоящей полезной модели предназначен для обнаружение утечек на плотинах и запрудах, в трубопроводах, для контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом.

Claims

1. Волоконно-оптический датчик температуры, характеризующийся тем, что он содержит чувствительный элемент в виде интерферометра Фабри-Перо, образованного двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр, при этом пространство между торцами волокон заполнено жидкостью или твердым телом с температурно-зависимым коэффициентом пропускания оптического излучения для одной длины волны и с неизменным коэффициентом пропускания оптического излучения для другой длины волны, широкополосный источник излучения, разветвитель 1×3, два фотоприемных устройства с оптическими фильтрами, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим разветвителем 1×3, который соединен с интерферометром Фабри-Перо и двумя фотоприемными устройствами, выходы фотоприемных устройств соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя.

2. Волоконно-оптический датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.