close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12233

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01J 5/20
G 01K 11/00
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
ТЕМПЕРАТУРЫ
(21) Номер заявки: a 20071325
(22) 2007.11.01
(43) 2009.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт технологии
металлов Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Борисов Василий Иванович; Минкович Николай Петрович;
Стеценко Владимир Юзефович (BY)
BY 12233 C1 2009.08.30
BY (11) 12233
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2272259 C1, 2006.
BY 9835 C1, 2007.
RU 2256890 C1, 2005.
RU 94022788 A1, 1996.
SU 1721451 A1, 1992.
JP 5149799 A, 1993.
JP 2130438 A, 1990.
(57)
Полупроводниковый волоконно-оптический датчик температуры, содержащий источник излучения, фотоприемник, излучающий волоконный световод, подключенный входным торцом к источнику излучения, приемные волоконные световоды, подключенные
выходными торцами к фотоприемнику, и полупроводниковый термочувствительный элемент, прикрепленный первой стороной с помощью переходного слоя к выходному торцу
излучающего световода и входным торцам приемных световодов, отличающийся тем,
что термочувствительный элемент выполнен в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины, вторая сторона которой выполнена матированной, приемные световоды
собраны в волоконно-оптический жгут, волокна которого в области контакта с термочувствительным элементом окружают выходной торец излучающего световода.
Фиг. 1
BY 12233 C1 2009.08.30
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к термометрии, и
может быть использовано для дистанционного измерения температуры потенциально
опасных объектов (повышенная пожаро- и взрывоопасность, высокий уровень радиации
или электромагнитных помех).
Известна конструкция волоконно-оптического датчика температуры на основе микрорезонатора, принцип действия которого основан на перестройке добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера с внешним микрорезонатором вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал. При этом
частота отклонения зеркала зависит от измеряемой температуры на основе микрорезонатора [1].
Недостатками описанной конструкции являются требуемая высокая точность изготовления волоконного лазера, соединенного с микрорезонатором, а также необходимость реализации достаточно высокой мощности генерации лазера, чтобы наблюдалась температурная перестройка добротности резонатора под действием поглощенного излучения
элементами конструкции микрорезонатора. Кроме этого, при перестройке базы резонатора
наблюдается частотный сдвиг генерируемого излучения на соседнюю продольную моду
микрорезонатора, что приводит к неконтролированной дополнительной модуляции генерируемого излучения.
Известна конструкция полупроводникового волоконно-оптического датчика температуры, принцип действия которого основан на температурном смещении края собственного
поглощения арсенида галлия в виде плоскопараллельной пластины, расположенной между
торцами излучающего и приемного волоконных световодов [2].
Недостатком описанной конструкции является невысокий диапазон измеряемых температур из-за низкой температуры плавления арсенида галлия.
Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический термометр,
содержащий два источника света, фотоприемник, волоконный разветвитель, подключенный через первый световод к источникам света, через второй световод - к фотоприемнику,
через третий световод - торцом третьего световода к термочувствительному элементу, выполненному в виде полупроводниковой структуры, прикрепленной первой торцевой стороной с помощью переходного слоя к упомянутому торцу третьего световода. Также на
второй торцевой стороне термочувствительного элемента сформировано отражающее покрытие в виде круга с центром на геометрической оси третьего световода, имеющее внешнюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей упомянутого круга [3].
Недостатком такого датчика является малый коэффициент поглощения теплового излучения полупроводниковым термочувствительным элементом, так как порядка 40 % регистрируемого излучения отражается от поверхности термочувствительного элемента,
потому что показатель преломления кремния близок к 4, что приводит к уменьшению
чувствительности и быстродействия датчика при его работе в качестве пирометра, т.е. при
регистрации инфракрасного излучения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения температуры, увеличение чувствительности и быстродействия при работе датчика в качестве пирометра.
Поставленная задача достигается тем, что полупроводниковый волоконно-оптический
датчик температуры, содержащий источник излучения, фотоприемник, излучающий волоконный световод, подключенный входным торцом к источнику излучения, приемные волоконные световоды, подключенные выходными торцами к фотоприемнику, и полупроводниковый термочувствительный элемент, прикрепленный первой стороной с помощью
переходного слоя к выходному торцу излучающего световода и входным торцам приемных световодов, причем термочувствительный элемент выполнен в виде плоскопараллельной полупроводниковой пластины, вторая сторона которой выполнена матированной,
приемные световоды собраны в волоконно-оптический жгут, волокна которого в области
2
BY 12233 C1 2009.08.30
контакта с термочувствительным элементом окружают выходной торец излучающего световода.
В области контакта приемных световодов с фотоприемником они образуют волоконно-оптический жгут, что увеличивает чувствительность датчика, так как при этом увеличивается поток излучения, прошедший термочувствительный элемент и попавший на
фотоприемник. Увеличение потока излучения, регистрируемого фотоприемником, пропорционально числу приемных волоконных световодов. Для повышения чувствительности сторона термочувствительного элемента, выполненного в виде плоскопараллельной
полупроводниковой пластины, которая противоположна стороне, находящейся в контакте
с торцами излучающего и приемных волоконных световодов, выполнена матированной, что
увеличивает коэффициент теплового излучения и приближает коэффициент поглощения
поверхности пластинки к коэффициенту поглощения абсолютно черного тела, а это увеличивает быстродействие датчика. Кроме этого, матированная поверхность представляет
собой ламбертовский источник, который не изменяет пространственные характеристики
излучения, отраженного от этой поверхности, при неконтролируемой перестройке модового состава излучающего волоконного световода.
На фиг. 1а представлена схема заявляемого датчика температуры. Устройство состоит
из полупроводникового лазера 1 с устройством ввода излучения 2 в волоконный световод 3,
плоскопараллельной полупроводниковой пластины 4 с антиотражающим слоем 5 и матированной поверхностью 6, приемных волоконных световодов 7, фотоприемника 8 и устройства обработки сигнала 9.
Устройство работает следующим образом. Излучение полупроводникового лазера 1,
длина волны которого попадает на край собственного поглощения полупроводниковой
пластины из монокристаллического кремния 4, вводится с помощью устройства ввода 2 в
излучающий волоконный световод 3. Излучение лазера с выходного торца излучающего
световода 3 в пределах апертурного угла проходит внутрь полупроводниковой пластины
4, представляющей собой термочувствительный элемент, через антиотражающий слой 5,
представляющий собой слой окиси кремния толщиной в четверть длины волны лазерного
излучения. Затем лазерное излучение падает на матированную поверхность 6 полупроводниковой пластины 4, где испытывает рассеяние, и порядка 35 % рассеивается обратно
в направлении излучающего световода, где часть его попадает в приемные волоконные
световоды 7, окружающие излучающий световод 3, как это видно на фиг. 1б, и далее на
светочувствительную площадку фотоприемника 8. Электрический сигнал фотоприемника
обрабатывается устройством обработки электрического сигнала 9.
Инфракрасное излучение, идущее от нагретого тела, поглощается матированной поверхностью 6 и нагревает термочувствительный элемент. Так как толщина пластины составляет порядка 5-100 мкм, а диаметр порядка 2 мм, то нагрев пластины происходит за
короткое время, что увеличивает быстродействие датчика. При увеличении температуры
кремниевой пластины наблюдается сдвиг края собственного поглощения кремния, в результате чего наблюдается уменьшение показателя пропускания кремниевой пластины и
уменьшается регистрируемый электрический сигнал. Таким образом, величина электрического сигнала однозначно соответствует измеряемой температуре.
Пример конкретного выполнения
В экспериментах в качестве источника использовался полупроводниковый лазер
IDL50M-1020, генерирующий на длине волны 1025 нм. В качестве излучающего волоконного световода использовался отрезок кварц-полимерного оптического волокна длиной 1 м
с диаметром световедущей сердцевины 200 мкм и общим диаметром 800 мкм. Входной
торец излучающего световода вклеивался в приемную часть волоконно-оптического разъема,
на основе которого было изготовлено двухлинзовое устройство ввода лазерного излучения в световод. Общий вид этого устройства приведен на фиг. 2. В качестве приемных
световодов применялись 6 отрезков кварц-полимерного оптического волокна длиной 1 м с
3
BY 12233 C1 2009.08.30
диаметром световедущей сердцевины 200 мкм и общим диаметром 800 мкм. Излучающий
световод и приемные световоды закреплялись в цилиндрическом отверстии керамической
трубки с внешним диаметром 2,5 мм и диаметром отверстия 800 мкм, для чего на длине 30
см со всех световодов удалялось полимерное покрытие. С помощью металлического держателя на одном из торцов керамической трубки закреплялась круглая кремниевая пластинка толщиной 55 мкм и диаметром 2,4 мм. Одна из плоских поверхностей пластинки
была изготовлена матированной, а на второй образовано просветляющее покрытие из
окиси кремния. Пластинка закреплялась таким образом, чтобы просветляющее покрытие
находилось в контакте с выходным торцом излучающего световода и входными торцами
приемных световодов. Выходные торцы приемных световодов собирались в волоконнооптический жгут, который вклеивался в оправку германиевого фотодиода ФД 6Г, используемого в качестве фотоприемника. Сигнал фотодиода регистрировался цифровым микроамперметром.
Источники информации:
1. Патент RU 2161783 С2, МПК G 01K 11/12.
2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси., К. Окамото, М. Оцу; Под ред.
Т.Окоси. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1990. - 256 с.
3. Патент RU 2272259 С1, МПК G 01K 11/12.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
395 Кб
Теги
патент, by12233
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа