SE426262B - Fiberoptiskt metdon - Google Patents

Description

15 20 25 m' 55 _810288§~6 att ljuset från elektronikenheten är anordnat att moduleras med en eller flera frekvenser; att minst en av dessa frekvenser ligger inom det frekvensområde där sensor- materialets optiska egenskaper påverkas av minst en av nämnda iysikaliska storheter; v - och att det från sensormaterialet utgående ljusets modulationsamplitud ooh/- eller modulationsfasläge är anordnat att detektera: i elektronikenheten vid minst en av nämnda modulationsfrekvenser.

Systemets dynamik kan varieras inom vida gränser genom utnyttjande av olika halvledannaterial, vilka kan ges en mångfald olika dopningaiwlïedan gives ett flertal exempel på lämpliga material.

Uppfinningen är närmare exemplifierad i bifogade figurer, av vilka fig 1 visar ett enklare mätsystem enligt uppfinningen för mätning av en storhet x, fig 2 _.fa'_.r ett exempel på ett mätsystem där mätstorheten påverkar absorptions- dywzamiken hos sensorn: Fig 5 visar mätning vid en fixerad mätfrekvens, fig 4 en realisering av fig 5 med look-in-förstärkartemik och fig 5 visar en i förhållande till mätanordningen i fig 3 alternativ anordning med en frekvens- varierbar oscillator. Fig 6 visar ett system för mätning vid tre modulfrek- venser och fig 7 ett system med amplitudregxilator. fBand- till bandrekombina- tioner, som ger upphov till luminiscenssignaler visas i fig 8, och i fig 9 visas en annan process, vid vilken luminisoens kan erhållas. En temperatur- beroende tidskonstazxt för ljusets absorption kan uppnås i ett system av den typ som visas i fig 10, och i fig 11 visas tidsberoendet vid varierande belysning.

I fig 1 visas ett mätsystem för mätning av en storhet x, vilken påverkar lpminiscensdynamiken i sensorn 1 inom en givarenhet. En oscillator 11 drives via förstärkaren 9, lysdioden 7, vilken exciterar luminiscens i sensorn 1 via ljusledaren 4, förgreningen 5 och ljusledaren 2. Den del av luminiscen- sen, som kommer in i fibern 2 från sensorn 1, ledes i fibern 2 till förgre- ningen 3 och en del av lumixziscensljuset ledes vidare i fibern 5 genom filt- ret 6 och till fotodioden 8. Filtret 6 används för att undertryoka reflexer från fiberoptiken och sensorn, härrörande från ljus från lysdioden 7. Foto- diodsignalen förstärks i 10 och i fasdetektorn 12 uppmätes fasskillnaden mellan excitations- och luminiscenssigxzalen, vilket utgör mätsigxalen. På grund ev ljusets gångna 1 fibem 2 erhålles 'en fiberlängaebereenae fesför- skjutning, vilken vid höga modulationsfrekvenser kan kräva en kalibrering av mätsystemet. Eftersom gångtiden är modulationsfrekvensoberoende kan 10 15 20 25 30_ 55 sfiozsaà-6 emellertid denna. kalibrering utföras automatiskt genom att fasförskjut- ningen uppmätes vid tvâ skilda modulationsfrekvenser, fm och foz. Om t ex fasförskjutningen vid fog är oberoende av x kan faslägesmätningen i 12 vid fog direkt användas för beräkning av gångtiden i fibern 2, varefter fas- förskjutningen i sensorn 1 vid fm erhålles som A91, minus den av gångtiden orsakade fasförskjutningen vid fm . - , Iflätdonet enligt fig 1 har den nackdelen ett man inte kan mäta stora föränd- ringar i dynamiken hos detektorn (sensormaterialet) 1. För att göra detta kan ett mätsystem enligt fig 2 användas. Fig 2 ger .samtidigt ett exempel på. ett mätsystem, där mätstorheten påverkar sbsorptionsdynamiken hos sensorn 1.

En spänningsstyrd osoillator 13 (V00) modulerar via förstärkaren 9 lysdioden 7, vars ljus ledes via ljusledaæen 4, förgreningen 5 ooh ljusledaren 2 till en halvledarsensor 1. Ljusabsorptionen hos halvledarmterialet i sensorn 1 mätas .genom att ljuset får passera halvledsrmaterialet, reflekteras mot dess baksida, passera halvledsmaterialet igen och vis. fibern 2, förgreningen 3 och fibern 5 ledas till fotodioden 8. Detektorsigxxalen förstärks 1 förstärkaren 10, och fasläget för dess utsigzal jämföras i jämförelsedonet 12 med fasläget hos den spänningsstyrda oscillatorn 13, då. signalen från denna fasförskjutits en konstant vinkel øo i 14. Utsignalen från 12 styr en regulator 14, som reg- lerar förstärkaren 15 så, att alltid en konstant fesförskjutning øø erhålles mellan förstärker-ens 9 utgång och förstärkas-ens 10 utgång. Detta medför att systemet kommer att följa dynamiken hos sensor-materialet 1 även om föränd- ringarna i dynamiken är stora.. Såsom tidigare nämnts kan vid fasmätning enligt fig 1 ooh 2 problem uppstå genom att olika fiberlängder ger olika ljusgång- tider, vilket ger ett extra. bidrag till den uppmätta fasskillnaden. Om man övergår från fasmätning till amplitudmätning försvinner detta. problem. Ehnel- lertid ersättas härvid problemet med av fibern förorsakad varierande tids- fördröjning av problemet med av fibern förorsakad varierande ljusdämpning.

På samma sätt som att automatisk kompensering för varierande tidsfördröjning enligt tidigare beskrivning kan göras genom uppmätning av fasvridningen vid två skilda frekvenser kan varierande ljusdämpning kompenseras genom uppmät- ning av ljusamplituden vid två frekvenser f1 och f2 enligt fig 5. Dessa frek- venser, som härrör från de amplitudstabilíserade oscillatorerna 10 och 17, tillföras lysdioden 7 via summatorn 16 och förstärkaren 9. På detektorsidau extraheras de båda frekvenskomponenterna med filtren 18 och 19, vars ut- signaler kvotbildas i kvotbildaren 20. Om nu f1 och f2 är så. utvalda, att dynamikförändringar hos luminiscensprocessen i sensormaterialet 1 påverkar 10 15 20 25 50 35 8102889-61 4 komponenten med frekvensen f1 i större utsträckning är komponenten med frekvensen fa, kommer utsignalen från kvotbildaren 20 att vara ett för instabiliteter-i optik och optoelektronik kompenserat mätvärde. lämpligen väljas f1 i samma. storleksordning som 1/7* , där T är tidskon- stanten hos den av mätstorheten påverkade luminiscensen, medan fz väljes så. låg att givarens tidskonstant T inte har någon inverkan. Ofta är lumi- niscenssignalen så liten att filtren 18 och 19 börlrealiseras med lock-in- förstärkarteknik för att erhålla tillräckligt stort signal/brus-förhållande.

Emellertid måste *en lock-in-fórstärkare fasas in till mätsignalen. Vid låga värden på. T kan därvid ljusets gångtid i fibern påverka mätnoggrannheten, varvid automatisk infasning kan krävas. Hur en sådan infasning kan implemen- teras visas i fig 4.

Den här beskrivna lock-in-förstärkaren har tvåmätkanaler 909 förskjutna från varandra och arbetar så att referenssignalen fördröja så att mätkana- .len ger max sigzal ut: vilket inträffar när den andra kanalen ger 0 ut.

Amplitudens fasberoende är mycket större vid nollgenomg-ångän vid ma: och dessutom ger polariteten upplysning om åt vilket håll referenssigrzalen skall fdr-skjutas (ökad eller minskad fördröjning). Infasningen sker vid den höga mätfrekvensen ochfår vara opåverkad vid den låga, som är så låg att fasförskjutningen inte har någon inverkan på amplituden. Lock-in-för- stärkarens utsignal vid låg mätfrekvens används som referens så att sigxa- len vid hög frekvens delas med signalen vid låg frekvens och förhållandet är ett mått på givarens temperatur.

Praktiskt utförande: (fig 4) En kristallstyrd oscillator 01 på 16 MHz ger efter neddelning i räknaren 2 och 5 de två. mätfrekvenserna 1 MHz och 7,81 MHz. I väljaren 04 väljs mät- frekvens och denna omvandlas i05 till en sinussignal, som vid modulatorn _06 påfóres lysdiodenOY. Taïljaren 08 ställs in parallellt med (h, och ger in- signal till skiftregistret 09. Registret, som är på sexton bitar, klockas med 16 MHz och fördröjningen blir alltså en hel period vid 1 MHz mätfrek- vens. Fördröjningen ställs in med väljarna 010 och 011.. Váljaren 011 ligger förskjuten fyra bitar i förhållande till OIO och detta ger en fasförskjut- ning på 90° mellan 010 och 011. 09,010 ooh011 ger inställning i steg på 22,5 grader. Detta är inte tillräckligt stor upplösning och därför används för- _ dröjningen i ett antal seriekopplade grindar, 012 och 014, för fininställning. 10 15 20 25 30 55 81041889-6 Observera att väljarna 015 och 015 ställs in parallellt med varandra på lika många stegs fördröjning. Detsamma gäller även väljarna 010 och 011. 016 och 017 är switcharna i de två. lock-in-förstärkarkaxzalerna och 018 och 019 deras låg- passfilter. KomparatornO19 ger signalens polaritet i mätkanalen och 020 (mh 021 ger polaritet och amplitud i den andra kanalen. Signalerna från 019, 020 0011021 utvärderas i mikrodatorn 025 och denna ger i "sin tur signal först till 010 Och 011 för grovinställning och sedan till 013 och015 för fininställ- ning av fasläget. Inställningen sker vid 1 MHz och med ett stort resp ett litet steg i taget. Lock-in-förstärkarens insignal kommer från fotodioden 021 via förstärkarna C25 och 026 När infasningen är klar mäts mätkanalens ut- signal med A/D-omvandlaren027 dels vid 1 MHz och delsrvid 7,81 MHz, för- hållandet berälmas 1023 och via en tabell i datorn erhålls temperaturen som sedan visas på displayen 028. 022 .r en monovippa.

I analog-i med systemet i fig 1 arbetar systemet i fig 3 vid en fixerad mät- frekvens f1, varför man vid större variationer hos sensordyxxamiken bör gå. över till ett system med en spänningsstyrd oscillator enligt fig 5. I detta mätdon jämföres kvoten från kvotbildaren 20 i summatorn 21 med ett refe- rensvärde U re f. Den så erhållna felsignalen kopplas till regulatorn 15, vilken styr den spänningsstyrda oscillatorn 13. För att erhålla en noggrann utfiltrering av detektorsigzxalen vid den Variable. frekvensen hos 13 göres en fasstyrd filtrering 22.

Fig 3 och 4 utgör system för mätning av de dynamiska egenskaperna hos 11mi- nisoens. Om i stället absorption skall mätas kan inte reflexer i optiksys- temet filtreras bort optiskt utan i stället måste tre modulationsfrekvenser f1, fe och få användas, varvid f1 och f2 väljes som i fig 3 och 4, medan få väljes högre än f1, som motsvarar i: , där 'får tidskonstanten hos sensor- materialets absorptionsförlopp.

Fig 6 visar ett mätsystem för amplitudmätning vid de tre frekvenserna f1, f2 och få, där f; > f1 > f2. Systemet är i princip uppbyggt som systemet i fig 3, med skillnaden att oscillatorn 23, demodulatorn 24 och subtraherarna 25 och 26 tillkommit. Vid frekvensen fa är absorptionen i sensorn maximal, varför signalen från 24 används som ett mått på ljusreflexema i det optiska systemet och därför subtraheras från signalerna på utgångarna av clemodulatorerna 18 och 19. _ I stället för kvotbildningen i fig 3, 4 och 6 kan en regulator införas, som reglerar ljuskällans amplitud vid frekvensen f1 (eller fz) så att 10 15 20 25” 50 8102889-6 detektoramplituderna. vid de två. frekvensema. regleras till ett konstant fërhållande. Detta exemplifieras av fig 7. Utsígnalen från demodulatorn 19 delas ned av potentiometern 27 och från detta värde subtraheras ut- signelema från aemoauletom 1e i subtreneraren es. utsignalen från ae ger reglerfelet till regulatorn 29, som styr den varierbare. förstärkaren 30. r Stig- och falltider för fotolumíniscenssignaler, somlerhålles då. excitationen sker t ex med fyrkantpulser, är temperatur-beroende för de flesta halvledaru material. Temperaturberoendet uppkommer genom temperaturberoende hos de para.- metraæ, som- reglerar luminiscenssigzalens storlek. Dessa parametrars belopp och temperatur-beroende kan variera inom mycket vida. gränser. Nedan ges ett antal exempel: ' Om strålande band-band rekombination ger upphov till lumixfiscenssigzxalen (se fig 8) 'bestäms systemdynamiken av följande differentialekvatíon Låt-nå?- = u _ Anm' - m) . Pom) dvs om U är ett steg med avseende på tidskoordinaten fås en exponentiell ökning och avklíngning av luminiscenssignalen med tidskonstazzten fe Ty-ï* R T ° P0 T (T är temperaturen, An överskottsladdzxingsbärerkoncentrationen, U är excite- tionstätheten. ) PO(T) är temperaturberoende (i ett temperaturintervall som bl a. bestäms av EA, acceptorernas bindningsenergi) genom attwantalet hål i t ex ett p-typmaterial bestäms av termiska excitationsprocesser. R('1'):s temperaturberoende kan 'beräk- nas med s k "detailed balance"-metoden. Ovanstående system kan realieeras med t ex GaAs dopet till p-typ med något ämne från periodiska systemets II:a grupp.

En annan process genom vilken lumirziscens kan erhållas är illustrerad i fi; 9.

Här erhålles luminiscensen genom rekombímation av- alstrade hål via en energi- nivå. i bandgapet. Exempel på ett sådant system är znSezcn. Tidskonstanten för luminiscensölcning och avklingxaing är ' 7.2 1 -Hm (en är rekombizxationskoefficienten för elektroner till störnivån.) en 10 15 20 25 30 8102889~6 Genom att både cn(T) och PT(T) kan anordnas temperaturberoende erhålles även för detta system en temperaturberoende dynamik. m temperatur-beroende tidskonstant för ljusets absorption kan uppnås i ett system av den typ, som visas i fig10. Ett halvledarmaterial dopet att innehålla en stör-nivå. i bandgapet utnyttjas. Ljusets fotonenergi avpassas så., att 'band- band-excitationen är försumbar, men så. att den dominerande absorptionen sker genom excitationer från störniván till ledningsbazzdet. Absozptionskoeftioienten °( kan teclmas °<= q-n0°n¶' (Tao är det optiska tvåa-snittet för excitationer från störnivån, nT är an- talet med elektroner besatta stör-nivåer.) Den genom provet transmitterade intensiteten är proportionell mot T N e-OCZ-d nT och därmed *X bestäms av balansen mellan excitations- och rekombirmtions- mekanismer (termiska och optiska). d kan således anta olika värden vid olika belysning-ar, vilket medför att 'l' får ett tidsberoende, t ex som anges i fig11.

Detta tidsberoende blir olika vid olika temperaturer, beroende på temperatur- beroendet hos de parametrar som bestämmer nT(T, An).

Argumenten ovan är giltiga för ett godtyckligt halvledarmaterial med en eller flera störnivåer orsakande ljusabsorptioner.

Lämpliga material för lumizziscenssensorezrma kan vara följande: Ett halvledarmaterial som. utgöres av AIP, AlAs, GaP, Gais, InP, InAs, In1 AlxP, lnkxGaxP, GahxilxP, InhxAlxAs, In1_ xGa Iis, GahxAlxLs, InAshyPy, GaAsLyI-'y med x resp y liggande mellan O och 1, eller ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, GdTe, CdSe eller CdS. Ga? är dopat med Zn och 0 eller Cd och 0. ZnSe är dopet med Cu eller Mn. -x Även för absorptionssensorer kan dessa material nämnas, dopade med något dop- ämne som ger upphov till ljusabsorption via störnivåer. Särskilt kan påpekas II-VI-halvledare, dopade med övergångsmetaller eller sällsynta jordartsmetaller, vilka har hög löslighet.

Claims (15)

8102889-6 p _ s Uppfinningen, som exemplifierats ovan, kan variera på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentln-av. i PATENTICRAÜ r

1. äiberoptiskt mätdon för mätning av fysikaliska storheter såsom temperatur och tryck, bestående av en givare (1) innehållande ett sensor-material, en . elektronikenhet innehållande utvärderingselektronik, ljuskällor och fotodetek- torer samt en eller flera optiska fibrer, som förbinder nämnda givare med nämnda elektronikenhet, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda sensor- material har av ljusets modulationsfrekvens beroende optiska egenskaper såsom absorption, reflexion eller luminiscens; att ljuset från elektronikenheten är anordnat att moduleras med en eller flera frekvenser; att minst en av dessa frekvenser ligger inom det frekvensomrâde där sensor- materialets optiska egenskaper påverkas av minst en av nämnda fysikaliska ator- hefber; f och att det från sensormateríalet utgående ljusets modulationsamplitud och/- eller meauiesienefeeläge är anordnat en aetekteres i elektmnikenueten via minst en av nämnda modulationsfrekvenser.

2. Fiberoptiskt mätdon enligt patentlcrav 1, k ä. n n e t e c k n s. t därav, att nämnda elektronikenhet innehåller en ljuskälla. (7), som moduleras med hjälp av en oseillator (11) med en frekvens inom ett frekvensområde, där nämnda sensomaterial (1) har en absorption, reflexion eller luminiscens, vars fas- och amplitudrelationer till excitationsljuset är beroende av nämnda nätstor- het, och att elektronikenheten innehåller en fotodetektor (B), som tar emot ljus från sensormaterialet, och att elektroníkenheten innehåller en fasdetektor (12) för uppmatning av den raevrianing, som erhålles mellan ingående een ut- gående ljus till respektive från sensorn (1).

3. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a. t 'där-av, att nämnda ljuskälla (7) moduleras vid två skilda frekvenser, att nämnda fas- detektor (12) uppmäter fasvridníngen vid dessa frekvenser, att mätstorheten påverkar fasvridningen i sensorn (1) i olika hög utsträckning vid de båda frekvenserna och att de uppmätta. fasvridningarna. används för kompensering av ljusets gångtid mellan mätelektronik och sensor.

4. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda skilda frekvenser väljes så. att fasvridningen i sensorn vid den ena frekvensen är beroende av mätstorheten och fasvridningen vid den andra lägre frekvensen är beroende av mätstorheten och att den uppmätta fasför- skjutningen vid den lägre frekvensen används för mätning av ljusets gångtid f mellan mätelektronik och sensor. »-

5. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä. n n e t e c k n a. t därav, att frekvensen hos nämnda. oscillator (11) är anordnad att styras av en regu- lator (15) nå sådant sätt, att en konstant fasvridning erhålles mellan ingående och utgående ljus till respektive från sensorn (1).

6. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda elektronikenhet innehåller en ljuskälla, som moduleras med två. skilda frekvenser (f1, fa), att nämnda mätstorhet i sensormaterialet i större utsträckning påverkar qamplituden hos modulations ljus med frekvensen f1 än frekvensen fa, att nämnda elektronikenhet ixmehdller en detektor för emottag- ande av det från sensorn kommande ljuset, att elektronikenheten innehåller två. elektroniska filter (18, 19) för utfiltrerixzg av detektorsignaler med frekvenserna. f1 och f2, samt att elektronikenheten innehåller kvotbildare (20) för bildandet av kvoten mellan amplituderna hos detektorsignslerna med frek- venserna f1 resp f2 och/eller att elektronikenheten irmehåller en regulator (29), som avkäzzner skillnaden mellan de utfiltrerade detektorsignalerna. med frekvenserna f1 och f2 och styr amplituden hos endera av modulations- ljussigxxalerna med frekvensema f1 och fa, varvid regulatorns utsignal ut- gör mätsigrzalen.

7. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 6, k ä. n n e t e o k n a. t därav, att nämnda utfiltrering av detektorsiyalerna med frekvenser-na f1 och fa görs med lock-in-förstärkare med automatisk infasning för kompensering av ljusets gångtid mellan mätelektronik och givare.

8. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 7, k ä. n n e t e c k n a t därav, att nämnda. lock-in-förstärkare har två. mätkanaler, 90° fasförskjutna rela- tivt varandra vid den högre frekvensen f1 och att den ena. mätkanalen används för att vid signalens nollgenomgång mäta amplitudens fasberoende under själva infasningen och att den andra mätkazzalen används för erhållande av den utfiltrerade detektorsignalen samt att amplitudens fasberoende hos de båda mätkanalema används för 'bestämning av ínfasningsriktning. 8102889-6 10

9. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 6, k ä. n n e t e c k n a t därav, att nämnda kvot är anordnad att jämföras med ett referensvärde för styrning av nämnda frekvens f1 via en regulator (15). O

10. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k 'a'. n n e t e c k n a t därav, att nämnda elektronikenhet innehåller en ljuskälla (7), som module- dras med tre skilda frekvenser f1, f2 och fö, att nämnda mätstcrhet i sensor- materialet i större utsträckning påverkar amplituden hos modulationsljus med frekvensen f1 än frekvenserna f2 och fö, att f; väljes högre än f1 och fa lägre än 12.", att nämnda elektronikenhet innehåller en detektor för emot- tagande av det från sensorn kommande ljuset, att elektronikenheten innehåller tre elektroniska filter, t ex av lock-in-typ (18, 19, 24) för utfiltrering av detektorsignalerna med frekvenserna f1, fa resp fä, att en av dessa ut- filtrerade detektorsigxxaler subtraheras från de övriga i två. elektroniska subtraherare (25, 26), att utsignalerna från dessa subtraherare påföres en kvotbildare, alternativt att utsignalerna från subtraherarna (25, 26) på.- föres en regulator (Zš), som styr amplituden hos endera av modulationsljus- signalerna som inte motsvarar den detektorsigzxal som subtraheras från de övriga två. enligt ovan.

11. Fiberoptiskt nätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda modulationsfrekvensberoende optiska egenskap utgöres av luminiscens, beroende av modulationsfrekvensen hos excitationsljuset.

12. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 11, k ä. n n e t e c k n alt därav, att dynamiken hos nämnda modulationsfrekvensberoende luminiscens är temperatur- beroende .

13. 15. Fiberoptiskt mätdon enligt patentlnrav 1, k "a". n n e t e c k n a t därav, att nämnda modulationsfrekvensberoende egenskap utgöres av ljusabsorptionens beroendeav modulationsfrekvensen hos excitationsljuset.

14. Fiberoptiskt mätdon enligt patentlcrav 13, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda modulationsfrekvensberoende egenskap är anordnad att erhållas genom excitation av stör-nivåer belägna i bandgapet hos en halvledere.

15. Fiberoptiskt mätdon enligt patentlcrrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att någon eller några av följande halvledare användes som sensor-material: AIP, Alis, GaP, Gais, InP, InAs, In1_xAlxP, InLXGaxP, GakxAlxP, lnkxslxAs, InßxGaxAs, Gahxàlxàs, InAs1_ yPy, GaAshyPy (med x resp y liggande. mellan 0 och 1, eller ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, CdIPe, CdSe eller CdS, samt att GaP är dopet med Zn och 0 eller Cd och O och att ZnSe är dopat med Cu. eller Mn.