RU2272259C1 - Fiber-optic thermometer - Google Patents
Fiber-optic thermometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2272259C1 RU2272259C1 RU2004123381/28A RU2004123381A RU2272259C1 RU 2272259 C1 RU2272259 C1 RU 2272259C1 RU 2004123381/28 A RU2004123381/28 A RU 2004123381/28A RU 2004123381 A RU2004123381 A RU 2004123381A RU 2272259 C1 RU2272259 C1 RU 2272259C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- sensitive element
- circle
- temperature
- light pipe
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к термометрии, и может использоваться для дистанционных измерений температуры объектов, находящихся в экстремальных условиях (сильные электромагнитные помехи, повышенная пожаро-взрывоопасность, высокий уровень радиации и т.д.).The invention relates to the field of measuring equipment, namely to thermometry, and can be used for remote temperature measurements of objects that are in extreme conditions (strong electromagnetic interference, increased fire and explosion hazard, high levels of radiation, etc.).
Известна конструкция волоконно-оптического термометра, содержащая два источника излучения с разными длинами волн, передающий световод, полупроводниковый термочувствительный элемент (ТЧЭ) и приемный световод, соединенный с фотоприемником, принцип действия которого основан на температурном смещении края собственного поглощения кристаллического арсенида галлия (GaAs) в виде плоскопараллельной пластины, расположенной между торцами приемно-передающих световодов [1].A known construction of a fiber-optic thermometer containing two radiation sources with different wavelengths, a transmitting fiber, a semiconductor heat-sensitive element (TFC) and a receiving fiber connected to a photodetector, the principle of which is based on the temperature shift of the absorption edge of gallium arsenide crystalline (GaAs) in in the form of a plane-parallel plate located between the ends of the receiving and transmitting optical fibers [1].
Однако, вследствие того, что GaAs, являющийся прямозонным полупроводником, характеризуется резким краем собственного поглощения, диапазон измеряемых температур датчика существенно ограничен шириной спектра источников света. Кроме того, функция преобразования датчика в значительной степени зависит от особенностей спектра излучения источников света. К числу недостатков следует отнести также ограниченный ресурс работы датчика в условиях высоких температур (более 250°С), связанный с нарушением стехиометрии состава из-за высокой летучести мышьяка (As), приводящей к низкой точности измерений и стабильности характеристик датчика. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик температуры (ВОДТ), содержащий волоконно-оптический световод (ВОС) и расположенный на выходном торце ВОС термочувствительный элемент из кремния. Соединение термочувствительного элемента с ВОС выполнено с помощью согласующего слоя из окиси кремния [2].However, due to the fact that GaAs, which is a direct-gap semiconductor, has a sharp edge of intrinsic absorption, the range of measured sensor temperatures is significantly limited by the spectral width of the light sources. In addition, the sensor conversion function largely depends on the characteristics of the emission spectrum of the light sources. The disadvantages include the limited life of the sensor at high temperatures (more than 250 ° C), associated with the violation of the stoichiometry of the composition due to the high volatility of arsenic (As), which leads to low measurement accuracy and stability of the sensor characteristics. Closest to the technical nature of the present invention is a fiber optic temperature sensor (VODT), containing a fiber optic fiber (BOC) and located on the output end of the BOC thermosensitive element of silicon. The connection of the thermosensitive element with BOC is made using a matching layer of silicon oxide [2].
Волоконно-оптический датчик температуры имеет ВОС 1, согласующий слой 2 и термочувствительный элемент 3 (фиг.1).The fiber-optic temperature sensor has a
Волоконно-оптический датчик температуры работает следующим образом. Излучение светодиода 5 вводится в ВОС 7 волоконного разветвителя 4 и волоконно-оптическим световодом (ВОС) 1 передается через согласующий слой 2 к ТЧЭ 3, который помещается в зону измерения температуры термокамеры 6. Изменение температуры ТЧЭ приводит к изменению коэффициента отражения излучения от ТЧЭ. Отраженное излучение передается ВОС 1 через разветвитель 4 с ВОС 8 на фотоприемник 9, регистрирующий изменение температуры.Fiber optic temperature sensor operates as follows. The radiation from the
В данном ВОДТ, благодаря применению кремния в качестве термочувствительного элемента, являющегося непрямозонным полупроводником с растянутым краем собственного поглощения и обладающего стабильными термооптическими свойствами в широком диапазоне температур, существенно ослабляются (снижаются) требования к спектральным свойствам источников света, расширяется диапазон измеряемых температур и улучшается точность измерений и стабильность характеристик датчика.In this HFTC, due to the use of silicon as a heat-sensitive element, which is an indirect gap semiconductor with a stretched edge of intrinsic absorption and having stable thermo-optical properties in a wide temperature range, the requirements for the spectral properties of light sources are significantly weakened (reduced), the range of measured temperatures is expanded, and the measurement accuracy improves and stability characteristics of the sensor.
Однако данный ВОДТ обладает существенным недостатком, обусловленным зависимостью интенсивности отраженного света от модового состава излучения, падающего на ТЧЭ.However, this HFTC has a significant drawback due to the dependence of the reflected light intensity on the mode composition of the radiation incident on the SCE.
В зависимости от угла наклона луча света к геометрической оси ВОС и координаты точки пересечения луча с плоскостью выходного торца (фиг.2) после отражения от внешней поверхности ТЧЭ лишь часть лучей возвращается обратно в световедущую сердцевину ВОС, что приводит к уменьшению коэффициента отражения ТЧЭ. При этом любые случайные воздействия или другие причины, оказывающие существенное влияние на модовый состав излучения в ВОС (изменение диаграммы направленности источника света, изгибы ВОС, изменение давления и/или температуры окружающей среды, дрейф параметров ВОС в процессе старения при длительной эксплуатации и т.д.) приводят, таким образом, к случайным изменениям коэффициента отражения и, следовательно, к ухудшению точности измерений термометра.Depending on the angle of inclination of the light beam to the BOC geometric axis and the coordinate of the point of intersection of the beam with the plane of the output end (Fig. 2), after reflection from the outer surface of the SCE, only a part of the rays returns back to the light guide core of the BOC, which leads to a decrease in the reflection coefficient of the SCE. Moreover, any accidental effects or other reasons that have a significant effect on the mode composition of radiation in the VOS (change in the radiation pattern of the light source, bends of the VOS, changes in pressure and / or ambient temperature, drift of the parameters of the VOS during aging during long-term operation, etc. .) thus lead to random changes in the reflection coefficient and, consequently, to a deterioration in the accuracy of measurements of the thermometer.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения температуры при длительной работе термометра.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is to increase the accuracy of temperature measurement during continuous operation of the thermometer.
Для достижения указанной технической задачи на второй торцевой стороне термочувствительного элемента, выполненного из полупроводниковой структуры (первой торцевой стороной ТЧЭ с помощью согласующего слоя соединен со свободным торцом третьего ВОС), сформированы отражающее покрытие в виде круга с центром на геометрической оси третьего световода и неотражающая часть в виде кольца (неотражающая часть может быть выполнена в виде периферийной части полупроводниковой структуры) с центром на геометрической оси третьего световода, имеющую внешнюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей термочувствительного элемента, и внутреннюю граничную окружность, совпадающую с внешней границей упомянутого круга (фиг.4 и 5).To achieve the indicated technical problem, on the second end side of the heat-sensitive element made of a semiconductor structure (the first end side of the thermoelectric element is connected with the free end of the third BOC using the matching layer), a reflective coating is formed in the form of a circle centered on the geometric axis of the third fiber and the non-reflective part in in the form of a ring (the non-reflecting part can be made in the form of the peripheral part of the semiconductor structure) centered on the geometric axis of the third fiber, having the outer boundary circle coinciding with the outer boundary of the heat-sensitive element, and the inner boundary circle coinciding with the outer boundary of the circle (Figs. 4 and 5).
Отражающее покрытие выполнено в форме круга с радиусом r, определяемым соотношениемThe reflective coating is made in the form of a circle with a radius r defined by the ratio
гдеWhere
R - радиус сердцевины ВОС, [м];R is the radius of the core of the BOC, [m];
NA(r) - локальная числовая апертура ВОС;NA (r) is the local BOC numerical aperture;
hc - толщина согласующего слоя, [м];h c is the thickness of the matching layer, [m];
hп - толщина полупроводникового ТЧЭ, [м];h p - the thickness of the semiconductor TEC, [m];
nс - показатель преломления материала согласующего слоя;n with - the refractive index of the material of the matching layer;
nп - показатель преломления материала ТЧЭ;n p is the refractive index of the material TEC;
r - радиус отражающего покрытия [м].r is the radius of the reflective coating [m].
Неотражающая часть ТЧЭ может быть выполнена из специальных покрытий либо ТЧЭ выполнен в виде профилированного элемента с периферийной частью в виде кольца, имеющей большую толщину, чем центральная. В последнем случае нежелательные лучи устраняются за счет поглощения в утолщенной части ТЧЭ, не достигая ее поверхности.The non-reflecting part of the TCE can be made of special coatings or the TEC is made in the form of a profiled element with a peripheral part in the form of a ring having a greater thickness than the central one. In the latter case, unwanted rays are eliminated due to absorption in the thickened part of the HSE without reaching its surface.
Роль отражающего покрытия могут играть, например, металлические пленки или диэлектрические многослойные интерференционные зеркала, сформированные на внешней поверхности ТЧЭ. Неотражающее покрытие можно сформировать, например, нанесением на внешнюю поверхность полупроводника просветляющего покрытия, в частности из моноокиси кремния (SiO), либо матированием периферийной области ТЧЭ.The role of a reflective coating can be played, for example, by metal films or dielectric multilayer interference mirrors formed on the outer surface of a HSE. A non-reflective coating can be formed, for example, by applying an antireflection coating to the outer surface of the semiconductor, in particular from silicon monoxide (SiO), or by matting the peripheral region of the HSE.
Например, для ВОС со ступенчатым профилем показателя преломления имеемFor example, for a VOS with a stepped refractive index profile, we have
А для ВОС с плавным профилем преломления (например, градиентным) имеем, соответственноAnd for VOS with a smooth refraction profile (for example, gradient) we have, respectively
где n1 и n2 - значения показателей преломления соответственно на оси световода и отражающей оболочки.where n 1 and n 2 are the values of the refractive indices, respectively, on the axis of the fiber and the reflective sheath.
При выполнении соотношения (1) все лучи, падающие на ТЧЭ в пределах аппертурного угла после отражения от задней поверхности ТЧЭ попадают в световедущую сердцевину независимо от углового распределения (модового состава) в ВОС, и коэффициент отражения ТЧЭ не зависит от модового состава излучения. Дополнительные потери интенсивности отраженного излучения, обусловленные тем, что отражающее покрытие не полностью перекрывает сердцевину ВОС, не превышают значения α, определяемого соотношениемWhen relation (1) is fulfilled, all the rays incident on the SCE within the aperture angle after reflection from the back surface of the SCE fall into the light guide core regardless of the angular distribution (mode composition) in the VOS, and the reflection coefficient of the SCE does not depend on the mode composition of the radiation. Additional losses in the intensity of the reflected radiation, due to the fact that the reflective coating does not completely overlap the core of the BOC, do not exceed the value of α, determined by the ratio
где s0=πr2 - площадь поверхности отражателя (м2), sc=πR2 - площадь сечения сердцевины ВОС (м2). Например, в случае ВОС со ступенчатым профилем показателя преломления в предположении равномерного распределения интенсивности излучения по всем направляемым модам ВОС, характеризующегося типичными параметрами: R=5*10-5 м, NA=0,2 с кремниевым ТЧЭ и переходным слоем из набора окислов кремния с параметрами hп=2*10-5 м; nп=3,5; hс=1,8; hc=3*10-7 м, получим оценку значения α≈0,2 дБ, т.е. вносимые потери не превышают 5%.where s 0 = πr 2 is the surface area of the reflector (m 2 ), s c = πR 2 is the cross-sectional area of the BOC core (m 2 ). For example, in the case of a BOC with a stepwise profile of the refractive index, assuming a uniform distribution of radiation intensity over all guided BOC modes, characterized by typical parameters: R = 5 * 10 -5 m, NA = 0.2 with a silicon TEC and a transition layer from a set of silicon oxides with parameters h p = 2 * 10 -5 m; n p = 3.5; h c = 1.8; h c = 3 * 10 -7 m, we obtain an estimate of α≈0.2 dB, i.e. insertion loss does not exceed 5%.
Предлагаемый ВОДТ (фиг.3) содержит ВОС 1, соединенный с термочувствительным элементом 2 с помощью согласующего слоя 3, волоконно-оптический разветвитель 4 с входным ВОС 5 и выходным ВОС 6, подключенным к входу фотоприемного устройства 7, узкополосные фильтры 8, 9; два источника света с разными длинами волн 10, 11; делительный кубик 12, фотоприемник опорного сигнала 13, узкополосные фильтры 14, 15; электрические цепи обратной связи 16, 17. Спектральный диапазон одного из источников света находится в пределах растянутой области края собственного поглощения ТЧЭ, а другого - за пределами этой области.The proposed HFTC (Fig. 3) contains
Устройство работает следующим образом. Источники света 10, 11 создают световые потоки, модулированные по интенсивности на двух разных фиксированных частотах f1 и f2, соответственно. Часть излучения с помощью делительного кубика 12 поступает в опорный фотоприемник 13, выходной сигнал которого, разделенный с помощью узкополосных фильтров 14, 15, настроенных соответственно на пропускание сигналов с частотами модуляции f1 и f2, используется для стабилизации интенсивности источников света 10, 11 с помощью цепей обратной связи 16, 17. Другая часть светового потока через ВОС 5 и ВОС 1 поступает к термочувствительному элементу 2, после отражения от которого принимается фотоприемником 7. С помощью узкополосных фильтров 8, 9, настроенных на частоты модуляции f1 и f2, осуществляется выделение сигналов, соответствующих разным источникам света, и затем, с помощью устройства обработки и индикации 18, например, на базе аналого-цифровых преобразователей, определяется отношение указанных сигналов K=u1/u2, являющееся известной функцией температуры K=f(T) в области расположения ТЧЭ, и, далее, вычисляются значения обратной функции - температуры ТЧЭ T=f-l(K). Благодаря операции деления сигналов в значительной степени ослабляется (исключается) влияние на точность измерения воздействие различных дестабилизирующих факторов, изменяющих светопропускание волоконно-оптической схемы ВОДТ.The device operates as follows.
Возможны также другие режимы модуляции интенсивности источников света с разными длинами волн. Например, последовательные периодические включения и выключения светодиодов, и при этом синхронно с работой источников света производятся измерения величин сигналов на выходе фотоприемника и, таким образом, формируются сигналы u1 и u2, пропорциональные интенсивностям отраженных излучений с разными длинами волн. Дальнейшая обработка сигналов осуществляется также, как представлено выше.Other modes of modulating the intensity of light sources with different wavelengths are also possible. For example, successive periodic on and off LEDs, and at the same time synchronous with the operation of light sources, measurements are made of the values of the signals at the output of the photodetector and, thus, signals u 1 and u 2 are generated, which are proportional to the intensities of the reflected radiation with different wavelengths. Further signal processing is carried out as described above.
ЛитератураLiterature
1. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. «Волоконно-оптические датчики» Пер. с японского. Л., Энергоатомиздат, 1990.1. Okosi T., Okamoto K., Otsu M. et al. “Fiber Optic Sensors” Per. from japanese. L., Energoatomizdat, 1990.
2. Патент на полезную модель №31447 от 10 авг. 2003 г. Патентообладатель ИРЭ РАН.2. Utility Model Patent No. 31447 dated Aug. 10. 2003. Patent holder of IRE RAS.
Авторы: Егоров Ф.А., Потапов В.Т., Бурков В.Д., Егоров С.А., Королев В.А. «Волоконно-оптический датчик температуры».Authors: Egorov F.A., Potapov V.T., Burkov V.D., Egorov S.A., Korolev V.A. "Fiber optic temperature sensor."
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004123381/28A RU2272259C1 (en) | 2004-08-02 | 2004-08-02 | Fiber-optic thermometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004123381/28A RU2272259C1 (en) | 2004-08-02 | 2004-08-02 | Fiber-optic thermometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2272259C1 true RU2272259C1 (en) | 2006-03-20 |
Family
ID=36117332
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004123381/28A RU2272259C1 (en) | 2004-08-02 | 2004-08-02 | Fiber-optic thermometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2272259C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012003869A1 (en) * | 2010-07-07 | 2012-01-12 | Abb Research Ltd | Fiber optic birefringent thermometer and method for manufacturing the same |
RU2466366C1 (en) * | 2011-06-07 | 2012-11-10 | Анатолий Данилович Тертышник | Fibre-optic interference temperature sensor |
RU229232U1 (en) * | 2024-05-02 | 2024-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Fiber optic interference differential temperature sensor |
-
2004
- 2004-08-02 RU RU2004123381/28A patent/RU2272259C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012003869A1 (en) * | 2010-07-07 | 2012-01-12 | Abb Research Ltd | Fiber optic birefringent thermometer and method for manufacturing the same |
CN102959374A (en) * | 2010-07-07 | 2013-03-06 | Abb研究有限公司 | Fiber optic birefringent thermometer and method for manufacturing the same |
CN102959374B (en) * | 2010-07-07 | 2015-05-20 | Abb研究有限公司 | Fiber optic birefringent thermometer and method for manufacturing the same |
RU2466366C1 (en) * | 2011-06-07 | 2012-11-10 | Анатолий Данилович Тертышник | Fibre-optic interference temperature sensor |
RU229232U1 (en) * | 2024-05-02 | 2024-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Квантум-Центр" | Fiber optic interference differential temperature sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4671651A (en) | Solid-state optical temperature measuring device | |
US5154512A (en) | Non-contact techniques for measuring temperature or radiation-heated objects | |
US5183338A (en) | Temperature measurement with combined photo-luminescent and black body sensing techniques | |
US4302970A (en) | Optical temperature probe employing rare earth absorption | |
JPS6298218A (en) | Fiber optical detecting system | |
GB2037448A (en) | Optical temperature sensor | |
KR101209627B1 (en) | Optical fiber sensor system using an optical spectrometer | |
RU2272259C1 (en) | Fiber-optic thermometer | |
ES2238818T3 (en) | PROCEDURE AND DEVICE FOR MEASURING THE THICKNESS OF A TRANSPARENT MATERIAL. | |
KR840001710A (en) | Transducer of fiber optic combiner | |
YALTKAYA et al. | Experimental investigation of temperature effect on refractive index of dye laser liquids | |
GB2179146A (en) | Optical sensor | |
SU1076777A1 (en) | Heat flux measuring method | |
US11815404B2 (en) | High accuracy frequency measurement of a photonic device using a light output scanning system and a reference wavelength cell | |
SU930023A1 (en) | Device for measuring temperature | |
RU2008630C1 (en) | Fiber-optic temperature transducer | |
SU807079A1 (en) | Polarization-optic device for measuring temperature | |
JPS57194324A (en) | Optical temperature measuring device | |
SU815524A1 (en) | Device for measuring temperature mainly of liquid media | |
SU1755123A1 (en) | Fiber-optics refractometer | |
JPS6014164Y2 (en) | optical measuring device | |
SU746207A1 (en) | Method and apparatus for remote temperature measuring | |
SU1174784A1 (en) | Temperature-sensitive element | |
SU922539A1 (en) | Device for measuring temperature | |
JPS586431A (en) | Temperature measuring method using optical fiber |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100803 |