3.Волоконнооптические датчики температуры

При изменении температуры в условиях сильных электромагнитных помех использование датчиков с гальванической связью между термометрическим телом и измерительным прибором затруднено. В этих случаях применяются термометры с оптическим считыванием информации, действие которых основано на регистрации температурных изменений оптических свойств различных материалов [7, 16]. Наибо

лее удобны для использования датчики температуры, в которых передача зондирующего света к термометрическому телу и информативного светового сигнала к регистрирующему прибору осуществляется с помощью ВС.

В данной главе рассматриваются принцип действия и устройства для измерения температуры (табл.2).

Таблица 2

Характеристика ВОД температуры_Дmq9.pdr 2 1

Физический КонструкцияИнформативный ТипДиапазонПогрешность,

эффект, первичного параметр опти оптической и температур, С

явление преобразоваческого излу электроннойС

теля чения схемы

Пирометрия Приемная опти ИнтенсивностьРадиометр60... 6000

ческая головка

и передающий

ВС

Пирометрия Ячейка типа ИнтенсивностьИзмеритель150... 1100

"черного тела"интенсивнос

и передающий ти

ВС

Поглощение ПолупроводниИнтенсивностьДифференци10... 300+1

ковые материаальный из

лы, жидкиемеритель ин

кристаллытенсивности

3.1.Волоконнооптические пирометры

Все тела спонтанно и непрерывно испускают электромагнитное излучение, распределение энергии в спектре которого является функцией температуры. Мощность, излучаемая в полусферу с единицы поверхности излучателя на длине волны l в единичном интервале длин волн с центром в lo_0, называется спектральной плотностью энергетической светимости Е(l_0,Т). Фундаментальный закон теплового излучения Планка определяет спектральную плотность энергетической светимости источника, являющегося абсолютно черным телом, в функции длины волны l и абсолютной температуры Т этого источника [1]:

l_55 _0[exp(C2 /l_0T) 1]

Здесь С1=2p_0hС_52=3,74187_010_516 Вт7_0м_52 _0и С2 _0=hС/kБ=1,43887_010_52 м7_0К.

В прикладных задачах спектральная плотность энергетической светимости часто выражают в ваттах на квадратный сантиметр и микрометр длины волны (Вт/см_527_0мкм). В этом случае С1=3,74187 10_54 и С2=14388.

На рис.7 представлены графические зависимости спектральной плотности энергетической светимости от длины волны для различных температур. В часто встречающемся на практике случае, когда С2 > l_0Т, закон Планка можно записать в виде

С1 _0(C2)

Е (l_0,Т)=_0exp 2_0 _0 2.

l_55 9 l_0T _5 0

Заметим, что при температурах ниже 500_5o С тепловое излучение почти полностью приходится на инфракрасную область спектра.

Спектральная плотность энергетической светимости реального объекта Ер (l_0,Т) связана с аналогичной характеристикой излучения черного тела Е(l_0,Т) соотношением Ер (l_0,Т)=е (l_0,Т) Е (l Т), где е(l_0,Т) коэффициент излучения на длине волны l при температуре Т материала, из которого состоит объект.

Объект, температуру Т которого хотят измерить, излучает в полусферу с единицы поверхности в спектральном интервале шириной dl на длине волны l элементарный поток излучения

dФ=Еp_0(l_0,Т) dl=e(l_0,Т) Е(l_0,Т) dl.

Оптические волокна передают излучение нагретых тел, находящихся в труднодоступных местах, к фотоприемникам.

Рис.7. Спектральная плотность энергетической светимости

Применяемый приемник излучения принимает элементарный поток dФпр_0, являющийся частью К(l_0) потока, излучаемого объектом

dФпр=К(l_0) е(l_0,Т) Е(l_0,Т)dl_0,

где К(l_0) зависит от ВОЛС и от поглощения излучения средой, в которой оно распространяется.

Приемник излучения со спектральной чувствительностью фотокатода Sфк_0(l_0) преобразует принимаемый поток в электрический сигнал (ток или напряжение)

S=2 Sфк (l_0) К(l_0) _0е(l_0,Т) Е(l_0,Т) dl.

В волоконнооптическом пирометре некоторая часть теплового спектра излучения объекта, центрированная на длине волны lо и имеющая ширину Dl_0, выделяется с помощью оптического фильтра и принимается фотоприемником со спектральной чувствительностью, согласованной с этой длиной волны lо (табл.3).

Таблица 3

Области применения фотоприемников в оптической пирометрии

Фотоприемник ¦ Нижний предел измеряемой

¦ температуры, _50_0С

Фотодиоды на основе ¦

Si ¦600

Ge ¦200

Фоторезисторы на основе ¦

PbS ¦100

PbSe¦ 50

InSb¦ 0

HgCdTe ¦ 50

Электрический сигнал, выдаваемый приемником, описывается выражением

lо_0+Dl_0/2

S=2_0Sфк_0(l_0) K(l_0) e(l_0,Т) Е (l_0,Т) dl.

Учитывая, что принимаемая полоса Dl спектра узкая, можно полагать, что в ней практически l~lо и, следовательно,

Sфк_0(l_0)=Sфк_0(lo_0), K(l_0)=K(lо_0), е(l_0,Т)=е(lо_0,Т).

С учетом закона Планка и условия lо_0Т < _0С2 получаем

S=Sфк_0(lо_0)K(lо_0)e(lо_0,T) C1 exp(C2_0/lо_0T)(Dl_0/lо_55_0).(4)

Видно, что с повышением температуры быстро увеличивается энергетическая светимость и уровень выходного сигнала.

Оптические элементы, связанные с оптическим пирометром (прозрачные окна, отражающие и преломляющие элементы), также обусловливают определенное поглощение излучения, которое можно уменьшить, выбирая соответствующий материал (фтористый кальций, сапфир, плавленный кварц). В горячих зонах при температурах свыше 700... 1000_5 o С применяют сапфировые наконечники ВС, окна и линзы из сапфира, который выдерживает температуру до 2000_5 o С. Для предотвращения загрязнения входные апертуры постоянно продувают воздухом.

При измерении более низких температур наилучшие результаты обеспечивают не кварцевые, а флюоридные и другие ВС, прозрачные в длинноволновой части ИКдиапазона. Так, поликристаллические ВС на основе КРС5 при длине 5 м в сочетании с охлажденным до 77 К InSb детектором позволяют уверенно измерять температуры порядка 60oС. Для регистрации температурных полей используют упорядоченные жгуты ВС [10].

Контактные волоконные термометры строят по подобной схеме с той разницей, что на дальний конец ВС наносят тонкопленочное покрытие, выполняющее роль черного тела, излучение которого регистрирует детектор. Покрытие из иридия и окиси алюминия обеспечивает погрешность измерения температуры порядка+0,5o С в диапазоне 500... 2000 o С.

На практике пирометр должен быть отградуирован в условиях его применения путем одновременного измерения S и Т (например, с помощью термопары, когда это возможно).

Из выражения (4) видны трудности измерений температуры методом оптической пирометрии, которые, в частности, требуют знания коэффициента е(l_0,Т) объекта и ослабления, вносимого средой, через которую происходит излучение, до ввода в ВС.

Нужно также быть уверенным, что принимаемое излучение является тепловым излучением исследуемого объекта и к нему не прибавляется излучение, испускаемое другими объектами с различной температурой.

3.2. ВОД температуры поглощающего типа

У большинства полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны уменьшается при возрастании температуры [1719]

ЕG (Т)=Еo а,

где а константа; Ео ширина запрещенной зоны при Т=0 К ; ТQ дебаевская температура.

При этом изменяется коэффициент поглощения материала

2 A ? _0 _0exp2 (hy hy_5*_0)2_0при hy < hy_5* ;

2 _02s 2 _0kБ_0T2

2 A ? hy hy_5*+при hy. hy_5*,

где hy*=EG+kБ_0T/2s точка сопряжения участков кривой; А постоянный коэффициент, не зависящий от энергии фотона; hy энергия фотонов падающего на полупроводник светового потока; s коэффициент, учитывающий экспоненциальный наклон края полосы поглощения и зависящий от примесей в образце; kБ=8,615 105 эВ/ К постоянная Больцмана.

При использовании арсенид галлия GaAs имеем Ео =1,5216 эВ;

а=8,871 1054 эВ/К и Q=572 К. Откуда

2_0/ kБ_0T 2_01,2396s (l_5*_0 l)2 2 A ? _0 _0exp2 2_0 22 при l

2 A ? 1,2396+_0при l _0< l _5*, где l_5* _0=.

1,5216 8,871 10_54+ Т+5722s

Спектральная плотность светового потока, прошедшего через пластину арсенида галлия с коэффициентом поглощения Кn_0(l_0), определяется законом Бугера Ламберта: Фт_0(l_0)=Фи (l_0) exp{ d Kn_0(l_0)}, где Фи_0(l_0) спектральная плотность светового потока излучателя; d толщина полупроводниковой пластины.

Для измерения температуры через пластину необходимо пропустить световой поток, спектр которого расположен в области длин волн, куда перемещается край полосы пропускания полупроводника [20].

В описанном в [21] ВОД температуры в качестве источника излучения можно использовать светодиод, спектральную плотность излучения которого описывает закон Гаусса:

Jo_0{_0(l lo)_52 }Фсид (l)=exp 2 2,

где lo центральная длина волны в спектре излучения; s параметр, описывающий ширину спектра излучения; Jo интегральная интенсивность излучения светодиода.

На рис.8 показаны зависимости пронормированных спектральных плотностей светового потока на выходе чувствительной пластины из GaAs толщиной 100 (а) и 40 (б) мкм при использовании светодиода АЛ 135 с центральной длиной волны lо=870 нм и дисперсией sл=25 нм.

Световой поток с выхода чувствительного элемента поступает на фотоприемник, выходной сигнал которого пропорционален сумме всех спектральных составляющих. Следовательно, проинтегрировав функцию Фт_0(l_0) по длине волны, получим зависимость выходного сигнала датчика от температуры.

На рис.9 приведены нормированные зависимости выходного сигнала от температуры при толщине пластины 100 (а) и 40 (б) мкм для светоизлучающих диодов ИЛПН301, АЛ 135 и АЛ 115. Видно, что при увеличении толщины пластины полупроводника увеличивается чувствительность, меняясь от 0,04 до 0,07 дБ/К, но сужается диапазон измеряемых температур. При изменении спектра излучения светодиода также изменяется область измеряемых температур, что позволит проектировать датчики с учетом необходимых температур.

Возможны два конструктивных решения датчика температуры: отражательного и проходного типа. Схема ВОД проходного типа проста в изготовлении, не требует большого усиления выходного сигнала. При использовании кварцполимерного волокна диаметром сердцевины 800 мкм и пластины GaAs толщиной 400 мкм в диапазоне изменения температуры от 20_50_0С до+200_50_0С была получена линейная зависимость коэффициента затухания ВОД от температуры (рис.10,а). Чувствительность датчика составила 0,07 дБ/К.

Схема датчика отражательного типа требует дополнительных элементов: оптического ответвителя и второго фотоприемника. Во второй схеме возникает постоянная составляющая выходного сигнала изза отражения от передней грани пластины. Однако наличие опорного канала позволяет избавиться от нее, используя схему вычисления, а также компенсировать флуктуации источника света, применяя схему деления разностного сигнала на опорный. Конструкция ВОД отражательного типа уменьшает теплоинерционность и, следовательно, повышает быстродействие системы [21].

Использование кварцкварцевых ВС диаметром сердцевины 50 мкм, светоизлучающего диода ИЛПН301 и пластины GaAs толщиной 150 мкм в температурном диапазоне 20...+100oС обеспечило линейную зависимость выходного сигнала от температуры (рис.10, б).

Чувствительность датчика составляла 0,08 дБ/К. Точность измерения температуры составляла 2 oС. Верхний предел температуры обусловлен ограничениями ВС с полимерной защитной оболочкой.

Коэффициент термической инерционности зависит от конструкции датчика и меняется в пределах от 0,5 до 1,7 o С. Возможно увеличение температурного диапазона выше 200 o С. При этом необходимо использовать кварцкварцевые ВС без защитной полимерной оболочки, что резко ухудшает механическую прочность чувствительного элемента ВОД [21].

Более широкий диапазон измерений обеспечивается путем измерения двулучепреломления, которое зависит от температуры. Используя кристаллы из ниобата и танталата лития, можно проводить измерения температуры в диапазоне 0... 500o С.

Умеренные температуры измеряют ВОД абсорбционного типа [22], у которых меняется отражающая способность покрытия. В [23] представлено описание ВОД с кремниевым покрытием торца, работающего в диапазоне температур 400 _5o _0С.

Датчик, в котором термометрическим телом является тонкая (5... 40 мкм) пластинка монокристаллического кремния, регистрирует зависящий от температуры коэффициент пропускания в области края собственного поглощения кристалла. Чувствительность такого датчика к изменению температуры непостоянна в доступном для измерения в температурном диапазоне и в максимуме не превышает 1%_5 _0на 1_5о С. Наиболее часто применяемые материалы CdTe и GaAs обеспечивают температурный диапазон 40...+80 о С при погрешности+0,4_5 о С.

Для повышения точности измерения используется дифференциальный метод, предусматривающий отсчеты интенсивности отраженных лучей на двух длинах волн.

В ВОД температуры широко применяют термохромные материалы и жидкие кристаллы, которые меняют поглощение, цвет или отражательную способность на определенной длине волны [21].

Благодаря тепловому расширению ВС может измениться радиус кривизны изгиба участка волокна, изменяя ослабление излучения в этом месте.

Под влиянием температуры изменения показателей преломления n1 и n2 сердцевины и оболочки могут быть таковы, что при определенной температуре выполняется равенство n1 _0=n2 _0и происходит прерывание пропускания. На этом принципе могут строиться сигнализаторы температуры [1].

В [24] ВС с оболочками, разрушающимися при определенной температуре, протянуты через зону наблюдения и подключены к посту наблюдения или рефлектометру, детектирующему любые быстрые ослабления сигналов, распространяющихся по этим световодам, вызываемые нарушениями оболочки изза перегрева или возникновения пожара.

Для систем пожарной сигнализации (изготовитель ВВИА им.Н.Е.Жуковского) разработан распределенный ВОД с техническими характеристиками:

диапазон температур20... 120_5о_0С

чувствительность 2_5о С

пространственное разрешение 10 м

число каналов измерениядо 64.

Здесь чувствительный световод выполняет функции совокупности чувствительных элементов с адресацией [25].

В области отрицательных температур затухание мощности проходящего по ВС излучения изменяется с температурой (рис.11).

Конструкция ВС с пластмассовой оболочкой и плотной структурой упаковки жил в большинстве случаев используются до температур

10_50 _0С. Ниже этой температуры различное тепловое расширение между стеклом и покрытием из полимера вызывает напряжение, которое приводит к потерям при микроизгибе [26].

Оболочки из стекла и полой жилы применяются до температур ниже 50_5o _0С, но при этом следует обращать внимание на выбор оболочки вокруг ВС.

Разработанный НТЦ ВОЛС датчик ДТВО 1 ВОЛС измеряет температуры в сильных электромагнитных полях и химически агрессивных средах [25]. Датчик обеспечивает чувствительность 0,1 o С при измерении температур в диапазоне 60...+250 oС при постоянной времени 1 с. Длина оптического кабеля не более 500 м. Отсчет измерений производится по цифровому светодиодному дисплею.

3.3.Флуоресцентные датчики

Температура влияет на спектральные характеристики свечения люминофоров, снижая интенсивность их свечения. Этот эффект и используется в ВОД температуры посредством регистрации длительности остаточной флуоресценции. Наиболее удобны редкоземельные люминофоры, которые отличаются узкими спектральными линиями, в частности Cd2_0O2_0S, легированный европием.

Известны ВОД [12], в которых при длине волны возбужденного излучения порядка 620 нм флуоресценция европия, введенного в материал датчика, возникает под действием ближнего ультрафиолетового излучения l=300...350 нм. Повышение температуры от 20 до 200 оС вызывает резкое в 2,0...2,5 раза сокращение длительности свечения европия по прекращении его облучения. Изменение длительности флуоресценции регистрируется следующим образом (рис.12).

Свечение флуоресценции передается по ВС к фотоприемнику. Если модуляция возбуждающего флуоресценцию света характеризуется синусоидальной зависимостью, то сигнал флуоресценции запаздывает по фазе на tg 1wt, где w угловая частота прерывания света, возбуждающего флуоресценцию;t зависящая от температуры длительность флуоресценции.

Датчик снабжен прерывателем света, обеспечивающим подачу возбуждающих импульсов света с частотой 660 Гц. Источником света служит ртутнодуговая лампа мощностью 100 Вт. Сигналы, принятые фотодетектором, обрабатывались процессором для получения значений tgwt и последующего определения значения температуры. Точность измерений могла в пределе составлять+0,01oС, но для многих практических целей достаточно, чтобы она была не хуже+(0,3... 1,0)oС.

На практике флуоресцентные ВОД используются для дистанционного контроля флуоресцирующих объектов, температуры поверхности объектов, подвергаемых реактивноионному травлению в вакууме, а также для регистрации температуры поверхности отдельных участков ИМС. Флуоресцирующие соединения европия вводятся в материалы слоев некоторых покрытий, окислов и фоторезисторов.

Для улучшения стабильности характеристик ВОД при измерениях сравниваются интенсивности двух различных спектральных линий.

Такой дифференциальный метод обеспечивает погрешность не более+0,1oС в диапазоне температур 50...+200oС.