|
|
|
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫПомимо ИК детекторов существуют датчики, хотя и контактные по своей природе, но использующие фотоны в качестве носителей информации о температуре. Флуоресцентные датчики Эти датчики реализуются на основе свойства некоторых фосфорных компонентов излучать свет в ответ на возбуждение лучами видимого диапазона спектра. Такие компоненты наносятся на поверхность объекта, температуру того необходимо измерить. После чего объект подвергается воздействию УФ импульсного излучения. Возникшее в результате этого облучения послесвечение детектируется и анализируется. Форма импульса послесвечения зависит от температуры. Время спада импульса послесвечения в широком температурном диапазоне является параметром, обладающим очень высокой воспроизводимостью [13, 14]. В качестве чувственного материала в флуоресцентных датчиках применяется фтор-магнетит магния, активированный четырехвалентным марганцем. Фосфор длительное время применялся только как корректор цвета ртутных ламп, используемых для освещения улиц. Порошок фосфора получается в ходе реакции в твердой фазе при температуре 1200 °С. Он является относительно инертным и термоустойчивым веществом, безопасным с биологической точки зрения. Он не разрушается от воздействия большинства химических реагентов и длительного УФ излучения. Он переходит в возбужденное состояние при облучении его светом УФ или синей области спектра. Флуоресцентное свечение фосфора находится в дальнем красном спектральном диапазоне, а его интенсивность спадает по экспоненциальному закону. Для снижения возможности возникновения перекрестных помех между сигналами возбуждающего и флуоресцентного излучений, на их пути устанавливаются полосовые фильтры, пропускающие волны только заданных зон спектра (рис. 16.24А). В качестве источника возбуждения применяется ксеноновая импульсная лампа, которая может одновременно использоваться несколькими оптическими каналами в составе комплексных систем измерения. Процесс измерения температуры заключается в определении скорости ослабления флуоресцентного свечения (рис. 16.24Б). Это значит, что значение температуры находится по постоянной времени т, величина той в температурном диапазоне — 200...+400°С уменьшается в пять раз. Измерение времени выполняется при помощи электронной схемы, как правило, с очень высокой точностью. Поэтому датчики флуоресцентного типа позволяют измерять температуру с хорошей разрешающей способностью и точностью порядка ± 2°С в широком температурном диапазоне без проведения калибровки. 
Рис. 16.24. Флуоресцентный метод измерения температуры: А — спектральные
характеристики возбуждающего и флуоресцентного излучений, Б -спад послесвечения
по экспоненциальному закону для двух температур Т[ пТ2,е — основание
натурального логарифма, / — постоянная времени характеристики спада [13)
Поскольку постоянная времени не зависит от интенсивности
возбуждающего излучения, возможна реализация сенсоров самых разнообразных
конструкций. к примеру, фосфорный состав может наносится непосредственно на
поверхность объекта, при этом оптическая система проводит измерения
бесконтактным способом (рис. 16.25А). Это дает возможность проведения
непрерывного мониторинга температуры объекта без внесения возмущений в зону
измерений. В другой конструкции фосфор наносится на конец упругого зонда,
способного вступать в плотный контакт с объектом (рис. 16.25Б и 16.25В).
Рис. 16.25. Расположение фосфорных компонентов: А — на
поверхности объекта. Б и В — на конце зонда [13]
Интерферометрические датчики Другой метод оптического измерения температуры заключается в модуляции интенсивности света, возникающей вследствие интерференции двух лучей света. Один луч является эталонным, а другой пропускается через среду, параметры той зависят от температуры, что вызывает появление фазового сдвига между сигналами. Величина этого фазового сдвига, а, значит, и параметры интерференционного сигнала, определяются температурой. В качестве чувственного элемента интерферометрического датчика температуры часто используют тонкий слой кремния [15, 16], поскольку его коэффициент преломления зависит от температуры, что приводит к изменению длины пути луча. На рис. 16.26 отображена схема тонкопленочного оптического датчика, состоящего из трех слоев пленок, нанесенных на концы многомодового оптоволоконного волновода со ступенчатым изменением показателя преломления с диаметром сердцевины 100 мкм, и диаметром покрытия — 140 мкм [17]. Первый слой формируется из кремния, второй их диоксида кремния. Пленка из FeCrAl наносится в самом конце для защиты нижележащих слоев от окисления. Такие оптоволокна могут использоваться при температурах до 350°С. Однако при использовании волноводов с золотым покрытием рабочий диапазон увеличивается до 650°С. В качестве источников излучения здесь применяются светоизлу-чающие диоды с длиной волны излучения порядка 860 нм, а анализ результирующего сигнала проводится при помощи спектрометра. 
Рис. 16.26. Схема тонкопленочного оптического датчика
температуры
Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры Такие датчики применяются в биомедицинских системах. В качестве хроматического раствора часто применяют СоС126Н20 (раствор хлорида кобальта). Принцип действия таких сенсоров основан на характерной для определенных хроматических растворов температурной зависимости коэффициентов поглощения излучений видимого диапазона спектра (400...800 нм)(рис. 16.27А). Температуру можно измерять контактными и бесконтактными методами. Бесконтактные ИК оптические датчики были рассмотрены в разделах 3.12.3 главы 3, 4.9 главы 4 и 14.6 главы 14. Бесконтактные датчики температуры применяются в случаях, когда необходимо проводить измерения быстродействующих процессов. Без таких детекторов нельзя обойтись при работе в агрессивных средах, в условиях сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей и при воздействии высокого напряжения, т.е там где либо велика вероятность возникновения серьезных помех при непосредственном контакте с исследуемым объектом, либо невозможно обеспечить безопасность оператора. Такие датчики также необходимы там, где до объекта измерений просто невозможно добраться. Очевидно, что в состав таких сенсоров должны входить: источник излучения, детектор и раствор хлорида кобальта, имеющий тепловую связь с объектом измерения. На рис. 16.27Б и 16.27В отображены два варианта хроматических сенсоров температуры. 
Рис. 16.27. датчики на основе растворов, цвет которых
зависит от температуры: А — абсорбционный спектр раствора хлорида кобальта, Б —
датчик с отражающей поверхностью, В — датчик проходного типа [18]
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
