Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика температуры

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам температуры. Чувствительный элемент выполнен в виде волокна из люминесцентного стекла, которое содержит нейтральные молекулярные кластеры серебра и ионы редкоземельного металла. Технический результат - увеличение температурной чувствительности датчика. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в волоконно-оптических датчиках температуры, предназначенных для использования в системах аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования и узлов транспортных средств для индикации перегрева, а также может быть использован для контроля температуры охлаждающей жидкости в энергетических установках и для контроля температуры в химической и пищевой промышленности.

Известен волоконный датчик температуры, включающий в себя источник оптического сигнала, передающие оптические волокна, фотоприемное устройство и чувствительный элемент в виде волокна из люминесцентного стекла, легированного ионами неодима [Z.Y. Zhang, К.Т.V. Grattan, A.W. Palmer, В.Т. Meggitt // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol.68, P.2759]. Ионы неодима обладают люминесценцией на длине волны 1.06 мкм. Датчик основан на измерении температуры по изменению времени затухания люминесценции при возбуждении люминесценции импульсным источником излучения. Чувствительность датчика составляет 0.13 мкс/°C. Недостатками датчика являются необходимость использования импульсного источника возбуждающего излучения, электронных устройств для формирования электрического импульса для управления источником излучения и синхронизации фотоприемного устройства, включающего в себя быстродействующий фотодиод и амплитудно-временной анализатор, что усложняет конструкцию датчика, а также проведения прецизионного измерения амплитудно-временной характеристики затухания люминесценции.

Известен волоконный датчик температуры, включающий в себя источник оптического сигнала, передающие оптические волокна, фотоприемное устройство и чувствительный элемент в виде волокна из люминесцентного стекла, легированного ионами эрбия [Z.Y. Zhang, К.Т.V. Grattan, A.W. Palmer, В.Т. Meggitt, Т.Sun // Rev. Sci. Instrum. 1997. Vol.68, P.2764]. Ионы эрбия обладают люминесценцией на длине волны 1.5 мкм. Датчик основан на измерении температуры по изменению времени затухания люминесценции при возбуждении люминесценции импульсным источником излучения. Чувствительность датчика составляет 2.5-12 мкс/°C. Недостатками датчика являются необходимость использования импульсного источника возбуждающего излучения, электронных устройств для формирования электрического импульса для управления источником излучения и синхронизации фотоприемного устройства, включающего в себя быстродействующий фотодиод и амплитудно-временной анализатор, что усложняет конструкцию датчика, а также проведения прецизионного измерения амплитудно-временной характеристики затухания люминесценции.

Известен чувствительный элемент волоконного датчика температуры, выбранный в качестве прототипа, состоящий из волокна из люминесцентного стекла, содержащего нейтральные молекулярные кластеры серебра [Д.С. Агафонова, В.И. Егоров, А.И. Игнатьев, А.И. Сидоров // Опт. журн. Т.80. №8. С.51. 2013]. Датчик основан на измерении температуры по изменению интегральной интенсивности люминесценции при возбуждении люминесценции непрерывным источником излучения. Увеличение температуры от 25 до 200°C приводит к уменьшению интегральной интенсивности люминесценции в 10 раз. Недостатком датчика является относительно низкая температурная чувствительность.

Изобретение решает задачу увеличения температурной чувствительности волоконного датчика температуры.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика температуры выполнен в виде волокна из люминесцентного стекла, которое содержит нейтральные молекулярные кластеры серебра и в его состав введены ионы редкоземельного металла.

Нейтральные молекулярные кластеры серебра (Ag2, Ag3, Ag4 и др.) в стеклах обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 360-410 нм (напр., А.И. Игнатьев, Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров, Т.А. Шахвердов // Опт. и спектр. 2013. Т.114, №5, с.838-844.). При увеличении температуры стекол, содержащих нейтральные молекулярные кластеры серебра происходит термическое тушение люминесценции, сопровождающееся уменьшением ее интенсивности без изменения формы полосы люминесценции и ее спектрального положения. В этом случае измерение температуры сводится к измерению интегральной интенсивности люминесценции в спектральной полосе чувствительности фотоприемника. При введении в состав стекла ионов редкоземельного металла в стекле образуются комплексы вида Agn-X (X - ион редкоземельного металла). Такие комплексы также обладают люминесценцией, однако, как показали наши исследования, температурное тушение люминесценции в таких комплексах происходит более интенсивно, по сравнению с молекулярными кластерами Agn, из-за особенностей переноса энергии в комплексе. Это позволяет увеличить температурную чувствительность датчика температуры.

Совокупность признаков, изложенных в формуле, характеризует чувствительный элемент волоконного датчика температуры, изготовленный из люминесцентного стекла с нейтральными молекулярными кластерами серебра Ag2, Ag3 и Ag4 и ионами редкоземельного металла. Это позволяет увеличить температурную чувствительность датчика температуры.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, где представлены:

на фиг.1 - конструкция волоконного датчика температуры, где 1 - источник оптического сигнала, 2 - линза, 3 - передающее оптическое волокно с волоконным разветвителем, 4 - фотоприемное устройство, 5 - оптический фильтр, 6 - чувствительный элемент датчика;

на фиг.2 - зависимость интенсивности люминесценции от длины волны для чувствительного элемента из волокна с нейтральными молекулярными кластерами серебра и ионами Tb3+, где 1 - t=20°C, 2 - t=120°C, 3 - огибающая спектральной полосы люминесценции молекулярных кластеров серебра; стрелками указаны полосы люминесценции Tb3+; длина волны возбуждающего излучения 405 нм;

на фиг.3 - нормированная амплитуда сигнала фотоприемного устройства от температуры волокна из стекла с молекулярными кластерами серебра и ионами Tb3+; длина волны возбуждающего излучения 405 нм.

На фиг.1 показана конструкция волоконного датчика температуры.

Датчик состоит из источника оптического сигнала, возбуждающего люминесценцию 1, представляющего собой непрерывный светодиод с длиной волны излучения 405 нм, линзы 2, расположенной перед входом волоконного разветвителя многомодового волокна из кварцевого стекла 3, фотоприемного устройства 4, представляющего собой кремниевый фотодиод, расположенный у выхода волоконного разветвителя 3, оптического фильтра 5 и чувствительного элемента 6, в виде волокна, изготовленного из стекла с нейтральными молекулярными кластерами серебра и ионами Tb3+. Чувствительный элемент датчика 6 представляет собой волокно диаметром 150 мкм и длиной 3 см. Волокно изготовлено из оксифторидного стекла, имеющего следующий состав: SiO2-AlF3-PbF2-CdF2-ZnF2 с добавками AgNO3 (5 мол.%) и TbF3 (2 мол.%).

Датчик температуры работает следующим образом. Чувствительный элемент датчика помещают в область, в которой необходимо провести измерение температуры. Оптический сигнал, возбуждающий люминесценцию, с выхода светодиода 1 с помощью линзы 2 фокусируется на вход волоконного разветвителя 3 и по передающему оптическому волокну поступает в чувствительный элемент 6. Оптический сигнал возбуждает люминесценцию молекулярных комплексов Agn-Tb3+ в чувствительном элементе 6 в спектральном интервале 550-1000 нм, что соответствует спектральной области чувствительности кремниевого фотодиода 4. Оптический сигнал люминесценции из чувствительного элемента 6 по передающему волокну 3 поступает на выход волоконного разветвителя 3, проходит через оптический фильтр 5, отсекающий паразитное возбуждающее излучение и регистрируется кремниевым фотодиодом 4. При изменении температуры чувствительного элемента 6 происходит изменение интенсивности люминесценции в чувствительном элементе 6 и изменение амплитуды электрического сигнала кремниевого фотодиода 4.

Спектры люминесценции чувствительного элемента при t=20°С и t=150°С показаны на фиг.2. Спектры люминесценции измерены с помощью волоконного спектрометра EPP2000-UVN-SR (StellarNet) с возбуждением люминесценции непрерывным полупроводниковым светодиодом (л=405 nm). Из фиг.2 видно, что при увеличении температуры волокна интенсивность люминесценции уменьшается без спектрального сдвига и без изменения формы полосы люминесценции. Амплитуда сигнала фотоприемного устройства в этом случае пропорциональна интегральной интенсивности люминесценции. Это позволяет использовать для регистрации изменения интенсивности люминесценции кремниевый фотодиод. На фиг.3 показана зависимость нормированного сигнала кремниевого фотодиода от температуры чувствительного элемента. Из фиг.3 видно, что при изменении температуры чувствительного элемента от 20°C до 250°C сигнал фотодиода уменьшается в 50 раз. Для температурного интервала 25-200°C изменение интенсивности люминесценции в 3.3 раза больше в сравнении с прототипом. Для температурного интервала 20-250°C изменение интенсивности люминесценции в 3 раза больше в сравнении с оксифторидным стеклом, содержащем молекулярные ионы серебра, но не содержащем ионы Tb3+. Температурная зависимость интенсивности люминесценции не имеет температурного гистерезиса и многократно воспроизводится.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить температурную чувствительность волоконного датчика температуры более, чем в 3 раза по сравнению с прототипом.

Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика температуры, выполненный в виде волокна из люминесцентного стекла, содержащего нейтральные молекулярные кластеры серебра, отличающийся тем, что в состав стекла введены ионы редкоземельного металла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к волоконной оптике. Оптическое волокно включает не содержащую Ge сердцевину с центральной областью, первой кольцевой областью, легированной фтором второй кольцевой областью и оболочкой.

Изобретение относится к методам химического парофазного осаждения для изготовления кварцевых световодов с малыми оптическими потерями. Согласно способу внутрь трубки заготовки волоконного световода вводят сухие, содержащие дейтерий газы, например пары диметилсульфоксида Д6.

Изобретение относится к одномодовым оптическим волокнам, имеющим низкий коэффициент затухания. Оптическое волноводное волокно включает сердцевину и оболочку.
Изобретение относится к улучшенному способу получения заготовок из галогенидов серебра и их твердых растворов для волоконных инфракрасных световодов, включающему нанесение на кристалл-сердцевину из галогенида серебра кристаллической оболочки из кристаллического галогенида серебра с показателем преломления, меньшим, чем у кристалла-сердцевины, и термическую обработку.

Группа изобретений относится к области волоконных световодов, стойких к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения. Волоконный световод получают методом химического осаждения кварцевого стекла из смеси исходных газообразных реагентов.

Изобретение относится к сенсорной системе, содержащей волновод. На части волновода содержится дифракционная решетка.

Изобретение относится к волоконной оптике. Фотонно-кристаллический волновод гексагональной формы содержит оболочку и полую сердцевину, в которую введен мультислой капилляров.

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в производстве микроструктурированных волоконных световодов, используемых в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах и телекоммуникационных сетях.

Изобретение относится к области измерений кинематических параметров движущейся поверхности в быстропротекающих процессах. Технический результат - обеспечение возможности производить измерения кинематических параметров фиксированного участка (точки) движущейся поверхности.
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано для изготовления анизотропных одномодовых волоконных световодов. Согласно способу получают цилиндрическую заготовку MCVD методом, которая содержит сердцевину, низковязкую напрягающую оболочку и конструктивную оболочку.

Изобретение относится к оптоволоконной технике. Микроструктурированный световод содержит тонкостенные трубки, которые расположены равномерно по внутренней поверхности опорной трубы либо в соприкосновении друг с другом, либо раздельно. Тонкостенные трубки заполнены жидкокристаллическим материалом полностью или содержат слои жидкокристаллического материала на их внутренней поверхности. Технический результат - локализация излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения с возможностью динамической перестройки волноводного режима с помощью воздействия внешних электрических и магнитных полей, оптического излучения или температуры. 8 ил.
Наверх