РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1) Техническое задание                                                                   3

2) Многоканальная волоконно-оптическая система измерения

температуры.                                                                                    4

3) Разработка ВОДТ                                                                        7

4) Список литературы                                                                      14

1) Техническое задание на разработку многоканальной волоконно-оптической  системы измерения температуры

 

Число измерительных каналов	4
Диапазон измеряемых температур,	-60¸+250
Основная погрешность измерения,	0,5
Удаленность объекта контроля, м	до100
Быстродействие, с	0,5
Размеры, мм	1,5х15
Масса ЧЭ, г	1

 

 

2) Многоканальная волоконно-оптическая система измерения температуры.

 

         Для проведения дистанционных измерений температуры объектов, находящихся в экстремальных условиях (мощные электромагнитные помехи; высокий уровень радиации; повышенная пожаро-взрывоопасность и т.д.), целесообразно применение волоконно-оптических датчиков температуры (ВОДТ), разработке которых в настоящее время уделяется большое внимание. Физической основой рассматриваемых ВОДТ является широкий круг термооптических эффектов в различных средах и материалах, при этом для создания датчика с широким рабочим диапазоном эффективно использование в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) непрямозонного полупроводника-кремния, характеризующегося значительным температурным сдвигом края собственного поглощения (ширины запрещенной зоны) [1]. В данной работе приведены результаты исследования многоканальной измерительной системы, позволяющей осуществлять непрерывный контроль температуры четырех и более объектов. Измерительные каналы системы представляют собой независимые амплитудные датчики отражательного типа, принцип работы которых основан на температурном изменении оптических свойств слоя кристаллического кремния, находящегося на торце световода.

         Разработанная технология создания ЧЭ обеспечивает в широком рабочем диапазоне температур  стабильную и эффективную оптическую связь полупроводника со световодом, при этом, благодаря малым размерам ЧЭ достигается высокое быстродействие и пространственное разрешение, которые, по существу, ограничены теплофизическими параметрами и геометрическими размерами световода.

Особенностью оптической схемы системы является то, что источником излучения для всех измерительных каналов служит один и тот же светодиод с большой площадью излучающей поверхности, позволяющий одновременно возбуждать несколько световодов с чувствительными элементами. При этом фотоприемный и усилительный тракт каждого из измерительных каналов оптимизируются в соответствии с их спектральными характеристиками.

С целью повышения точности измерения системы в датчиках используется разностная схема с опорным каналом, реализованная с помощью двух светодиодов с различными длинами волн , одна из которых вблизи края поглощения (), а другая достаточно далеко удалена от нее (). Интенсивности излучения светодиодов модулированы соответственно с частотами . Многомодовые волоконные разветвители  с фотоприемниками  позволяют контролировать мощность излучения световодов СИД_1,2, а также измерять интенсивность отраженного излучения, взаимодействующего с чувствительными элементами измерителььных каналов. Поскольку температурная нестабильность спектральных характеристик излучателей и фотоприемников непосредственно влияет на погрешность  измерений, с целью их уменьшения блок излучателей и фотоприемников в термостатирован с помощью элементов Пельтье, при температуре  Модулированные выходные сигналы фотоприемников пропорциональные мощности излучения светодиодов и интенсивности света, отраженного от чувствительных элементов, усиливаются и детектируются в блоках усилителей  и детекторов  в виде постоянных сигналов  которые затем поступают в систему сбора и обработки данных на базе N–канального АЦП и микропроцессора (МП). Значения измеряемых температур t_1…4 определяются с помощью микропроцессора, в котором происходит обработка сигналов  по заданному алгоритму в соответствии с известными функциями преобразования индивидуальных измерительных каналов , которые затем могут индицироваться, например, с помощью цифровых индикаторов. Основные характеристики измерительной системы  приведены в табл. 1

         Табл. 1

Число измерительных каналов	4
Диапазон измеряемых температур,	-60¸+250
Основная погрешность измерения,	0,5
Удаленность объекта контроля, м	до100
Быстродействие, с	0,5
Размеры, мм	1,5х15
Масса ЧЭ, г	1

Хi

СИД1,2

                                                                                                                                                                                     ^N               К_i        ЧЭ_i                                                                              ¹              

  

 

ФП2i

                                                                    

ФП1i

D1i

f₁     

					У1i

 

D2i

                                                              f₂                         

                           

         t_i,⁰C           

D3i

                                                            f₁

У2i

                           

D4i

                                                     f₂               

 

 

 

Рис.А Схема  многоканальной системы ВОДТ

 

- светодиоды; - волоконные разветвители; - волоконный кабель; ЧЭ_i – чувствительные элементы; - фотоприемники; - усилители; - детекторы; 4´N-канальный аналогово-цифровой преобразователь; - микропроцессор.

 

3) Разработка ВОДТ

 

В оптических датчиках температуры  находит применение эффект температурного смещения края собственного поглощения в полупроводниковых материалах [1]. Использование непрямозонных полупроводников, имеющих растянутый край собственного поглощения, открывает возможности для создания волоконно-оптических датчиков температуры (ВОДТ) с большим диапазоном измерения: от криогенных температур до 500С [2]. Из большой группы известных к настоящему времени непрямозонных полупроводников, в рассматриваемых ВОДТ целесообразно применять кремний (Si), который характеризуется   стабильными  термооптическими  коэффициентами  в  большом диапазоне температур при этом, край собственного поглощения кремния  находится в пределах окна прозрачности используемых на практике кварцевых волоконных световодов, кроме того разработаны технологии получения различных микроструктур из кремния с размерами, типичными для световодов, обладающих заданными и воспроизводимыми параметрами.

Для достижения высоких метрологических характеристик ВОДТ необходимо решить проблему, связанную с обеспечением стабильной и эффективной оптической связи полупроводника со световодом в рабочем диапазоне температур. В данной работе приведены результаты исследований по разработке технологии создания чувствительных элементов (ЧЭ) ВОДТ, основанных на сварном соединении кварцевых световодов с частицами кремния, имеющими микронные размеры. Благодаря малым размерам ЧЭ, быстродействие и пространственное разрешение рассматриваемых ВОДТ могут иметь значения, близкие к предельным для волоконно-оптических датчиков. Приводятся экспериментальные результаты испытаний лабораторного макета ВОДТ на основе разработанных ЧЭ.

На рис. 1 приведен фотоснимок ЧЭ, представляющего собой участок световода на основе кварцевого стекла, содержащего слой (включение) кремния с толщиной  расположенный между торцами двух световодов с диаметром кварцевой оболочки . Разработанная технология позволяет изменять толщину кремниевого слоя между световодами в широких пределах , и, таким образом, управлять функцией преобразования (крутизной характеристики) ЧЭ. Сварное соединение частицы кремния со световодом является механически прочным: усилие на разрыв составляет , что сравнимо с пределом прочности световода данного типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует отметить, что применяемая технология допускает использование световодов также с нестандартными размерами, имеющих диаметр кварцевой оболочки от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров в зависимости от температуры размягчения материала световода. Используемая технология позволяет реализовать разные типы чувствительных элементов на базе одномодовых или многомодовых световодов, которые представляют собой структуры вида:

 

I) световод-кремний-световод;

II) световод-кремний-зеркало.

Роль зеркала могут выполнять соответствующие диэлектрические или металлические пленки, осажденные на поверхность кремния, либо граница раздела кремний-воздух с коэффициентом отражения . Разработанные ЧЭ служат основой для создания ВОДТ отражательно-пропускательного типов, в которых может использоваться модуляция амплитуды или фазы оптического излучения в слое полупроводника, обусловленная изменением температуры ЧЭ.

Исследование термооптических свойств рассматриваемых ЧЭ проводилось с помощью установки, показанной на рис. 2. Температурная зависимость спектра пропускания  для структуры типа I на основе многомодовых световодов приведена на рис. 3а. Экспериментальные данные в пределах ошибки измерений  совпадают с расчетными значениями , полученными на основе термооптических параметров кристаллического кремния с учетом многократных отражений в слое полупроводника [3]:

 

,    (1)

 

где  - коэффициент отражения света на границе раздела световод-кремний;  - коэффициент поглощения кристаллического кремния;

 

- коэффициент потерь на соединение световодов с диаметром сердцевины  и числовой апертурой , обусловленный их продольным рассогласованием из-за присутствия слоя полупроводника с показателем преломления n и толщиной h. Расчеты проводились в предположении равномерного возбуждения мод световода с использованием следующих численных значений параметров:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

    

 

    

 

 

Вблизи края собственного поглощения и в области прозрачности кремния  при толщинах слоя  наблюдаются интерференционные эффекты, которые особенно четко проявляются в отражательных структурах на основе одномодовых световодов, возбуждаемых источниками когерентного излучения с шириной спектра <<. В этом случае для отражательных структур типа II, рассматриваемых в качестве резонаторов Фабри-Перо, коэффициенты отражения света R при условии малой расходимости излучения в слое (<<) и неоднородности толщины << определяются формулой Эйри [4]:

 

,          (2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где  - коэффициенты отражения на передней и задней границах слоя кремния;

 - фазовый набег в слое полупроводника;

- добротность резонатора Фабри-Перо.

Экспериментальные данные для интерферограмм отражения , приведенные на рис. 3б, качественно согласуются с выражением (2), в которых коэффициент поглощения и набег фазы являются функцией температуры. Однако, следует отметить, что количественного совпадения между экспериментальными и расчетными данными не наблюдается, что, на наш взгляд, связано с возникновением в процессе формирования сварного соединения кремния со световодом переходного слоя на границе раздела световод-кремний, состоящего из окислов кремния , который может существенно изменить оптические свойства структуры. Кроме того, вследствие диффузионных процессов, происходящих на границе раздела световод-кремний, ее форма может заметно отличаться от плоской поверхности. Рассматриваемые структуры типов I и II целесообразно использовать для создания ВОДТ с высоким пространственным разрешением и быстродействием, которые определяются теплофизическими свойствами и геометрическими размерами световода. Время установления температурного распределения в рассматриваемых структурах (постоянная времени ЧЭ) можно оценить как  , которое для стандартного световода из кварцевого стекла с диаметром оболочки  составляет  (- коэффициент температуропроводности кварцевого стекла). Измерения термооптических свойств ЧЭ, находящегося в поле мощного СВЧ излучения с частотой  при интенсивности излучения до , показали, что дополнительная погрешность измерения температуры, обусловленная воздействием  СВЧ  поля,   не превышает .

На основе разработанных чувствительных элементов и полупроводниковых излучателей АЛ-107 с длиной волны излучения , что находится в пределах края собственного поглощения кремния, был изготовлен ВОДТ отражательного типа, который продемонстрировал следующие характеристики:

1.           диапазон измеряемых температур (-60 ÷ +250),°С

2.            погрешность измерения ±0,3°С;

3.            быстродействие не хуже 20мсек;

4.            размер чувствительного элемента не более ;

5.            длина волоконно-оптического тракта     

4) Список литературы

 

1.     Бусурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы развития и применения. –М: Энергоатомиздат, 1990.-256с.

 

2.     Фриберг А., Каянто И. // Приборы для научных исследований, Т-60, №8, 1989, с. 126-128.

 

3.     Окоси Т. и другие. Волоконно-оптические датчики. –Л: Энергоатомиздат. –1990. – с.200.

 

4.     Борн М., Вольф Э. Основы оптики. –М: Наука, 1970, с.856.