Устройство для измерения распределения температуры

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для измерения распределения температуры, содержащее источники света, оптически связанные через согласующий элемент с ответвителем, выходы которого соответственно оптически связаны с первым отрезком волокна и входом ответвителя прямого излучения, выходы которого оптически связаны со входами первых детекторов излучения и ответвитель отраженного излучения, выходы которого оптически связаны со входами вторых детекторов излучения, выходы которых, как и выходы первых детекторов излучения, электрически через мультиплексор связаны с аналого-цифровым преобразователем, электрически соединенным с блоком обработки, отличающееся тем, что содержит размещенные на диэлектрической подложке первый волновод, оптически связанный с первым отрезком волокна, и второй волновод, оптически связанный через второй отрезок волокна со входом ответвителя отраженного излучения, параллельно оптически связанные 9835 1 2007.10.30 друг с другом черезкольцевых микрорезонаторов, причем длины участков 1, 1 и 2 1,между точками контакта первого и второго волновода, соответственно, с двумя соседними-м и 1-м кольцевыми микрорезонаторами выбраны из условия 1, 12 1 где- время срабатывания аналого-цифрового преобразователя- скорость света, - показатель преломления диэлектрической подложки при этом блок обработки электрически связан со всеми источниками света и мультиплексором. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микрорезонаторы размещены на диэлектрической подложке равномерно по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться для измерения распределения температуры в технологических или стендовых установках. Известен волоконно-оптический датчик температуры 1, содержащий оптически последовательно связанные источник света, отрезок волокна, детектор излучения, электрически соединенный через пороговое устройство с формирователем импульсов, который подключен к формирователю стартовых импульсов и модулятору тока, последний соединен с источником света, который подключен к частотомеру. Устройство не измеряет температуру в локальных точках пространства, а также распределение температуры, что ограничивает область его применения. Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический датчик температуры с расширенным диапазоном 2, содержащий источники света, оптически связанные через согласующий элемент с волокном, которое соединено с ответвителем 22, последний связан через отрезки двух волокон с эталоном (резонатором Фабри-Перо),а также с ответвителем прямого излучения и ответвителем отраженного излучения, которые соединены с детекторами излучения, причем последние через мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключены к блоку обработки. Устройство не позволяет измерять распределение температуры и ее градиент. Техническая задача - расширение функциональных возможностей за счет измерения распределения температуры и ее градиента с одновременным увеличением точности. Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения распределения температуры, содержащее источники света, оптически связанные через согласующий элемент с ответвителем, выходы которого соответственно оптически связаны с первым отрезком волокна и входом ответвителя прямого излучения, выходы которого оптически связаны со входами первых детекторов излучения и ответвитель отраженного излучения,выходы которого оптически связаны со входами вторых детекторов излучения, выходы которых, как и выходы первых детекторов излучения, электрически через мультиплексор связаны с аналого-цифровым преобразователем, электрически связанным с блоком обработки, введены размещенные на диэлектрической подложке первый волновод, оптически связанный с первым отрезком волокна, и второй волновод, оптически связанный через второй отрезок волокна со входом ответвителя отраженного излучения, параллельно оптически связанные друг с другом черезкольцевых микрорезонаторов, причем длины уча 1 2 стков , 1 и , 1 между точками контакта первого и второго волноводов, соответственно, с двумя соседними -м и 1-м кольцевыми микрорезонаторами выбраны из условия где- время срабатывания АЦП с - скорость света- показатель преломления диэлектрической подложки при этом блок обработки электрически связан со всеми источниками света и мультиплексором. 2 9835 1 2007.10.30 Для эффективного решения поставленной технической задачи микрорезонаторы размещены на диэлектрической подложке равномерно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Совокупность указанных признаков и связей позволяет измерить температуру вточках подложки и вычислить градиент температуры в области расположениякольцевых микрорезонаторов, исключить влияние дестабилизирующих факторов (вибрации, механические нагрузки) на результат измерения и тем самым увеличить точность измерения и расширить функциональные возможности. Сущность изобретения поясняется приведенной на фигуре функциональной схемой,где 1 - источники света, 2 - согласующий элемент, 3 - ответвитель (12), 4 - первый отрезок волокна, 5 - ответвитель прямого излучения, 6 - первые детекторы излучения, 7 - мультиплексор, 8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 9 - блок обработки, 10 - первый волновод, 11 -кольцевых микрорезонаторов, 12 - второй волновод, 13 - второй отрезок волокна, 14 - ответвитель отраженного излучения, 15 - вторые детекторы излучения. В устройстве измерения распределения температуры источники света 1 оптически через согласующий элемент 2 связаны со входом ответвителя (12) 3, один из выходов которого оптически связан с первым отрезком волокна 4, а второй через ответвитель прямого излучения 5 оптически соединен с первыми детекторами излучения 6, которые электрически соединены с мультиплексором 7, электрически подключенным к АЦП 8, последний электрически соединен с блоком обработки 9, который электрически соединен с источниками света 1 и мультиплексором 7 первый отрезок волокна 4 оптически соединен с первым волноводом 10, который черезкольцевых микрорезонаторов 11, параллельно,оптически связан со вторым волноводом 12, оптически соединенным со вторым отрезком волокна 13, который оптически связан с ответвителем отраженного излучения 14, выходы которого оптически связаны со вторыми детекторами излучения 15, электрически подключенными к мультиплексору 7. В конкретном исполнении источники света 1 - это линейка полупроводниковых лазеров, как, например, в 3, излучающих набор длин волн 1. Согласующий элемент 2 это стандартный разветвитель , включенный в обратном направлении. Ответвитель(12) 3 - также стандартный волоконный разветвитель на диапазон длин волн 1(1,521,56 мкм). Первый 4 и второй 13 отрезки волокна - это стандартные волоконнооптические волноводы для диапазона длин волн 1,521,56 мкм. Ответвители прямого излучения 5 и обратного 14 - это оптические демультиплексоры типа -35. Первые детекторы 6 и вторые детекторы 15 излучения - это широкополосные приемники оптического сигнала, например 50. Мультиплексор 7 - это аналоговый мультиплексор, выполненный на микросхеме МАХ 4644. АЦП 8 - это быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, например МАХ 1124. Блок обработки 9 - это микропроцессорный модуль, в интерфейсе которого имеется набор цифровых схем коммутации полупроводниковых лазеров. Первый волновод 10 и второй волновод 12 - это планарные волноводы, полученные в кварцевом стекле путем имплантации ионов лития с последующим отжигом 4.кольцевых микрорезонаторов 11 - это набор замкнутых волноводов в кварцевом стекле, выполненных как в 4 и имеющих оптический контакт как с первым волноводом 10, так и со вторым волноводом 12. Работает устройство следующим образом. На объекте закрепляется диэлектрическая подложка, и кольцевые микрорезонаторы 11 приобретают температуру соответствующих точек объекта. В начале цикла измерений в источниках света 1 по сигналу из блока обработки 9 включается первый полупроводниковый лазер, излучение которого с длиной волны 1 через согласующий элемент 2 поступает в ответвитель (12) 3, где первая часть этого излучения (опорный сигнал) проходит в ответвитель прямого излучения 5, в котором излучение с длиной волны 1 поступает на первый выход, который связан с соответствующим приемником оптического сигнала из первых детекторов излучения 6. Выход указанного приемника оптического сигнала в текущий момент времени в соответствии с кодом, поступившим из блока обработки 9, коммутируется мультиплексором 7 на вход АЦП 8, где опорный сигнал преобразуется в цифровой код, который запоминается в блоке обработки 9. 3 9835 1 2007.10.30 В следующий момент времени из блока обработки 9 поступает в мультиплексор 7 код,открывающий в нем канал коммутации для приемника оптического сигнала из вторых детекторов излучения 15, формирующих электрический сигнал измерения текущего поддиапазона. Вторая часть излучения (оптический сигнал измерения) из ответвителя (12) 3 поступает через первый отрезок волокна 4 в первый волновод 10, в котором указанное излучение взаимодействует через спадающие поля (т.е. распространяющиеся вдоль первого волновода 10 за его границей) последовательно со всемикольцевыми микрорезонаторами 11, которые соединены с первым волноводом 10 параллельно. При этом излучение с длиной волны 1 проникает в тот микрорезонатор, который из-за своего температурного расширения имеет резонансную полосу поглощения в окрестности 1, Так как коэффициент ответвления оптического сигнала в каждый изкольцевых микрорезонаторов 11 выбран небольшим, то в каждый из них часть оптического сигнала измерения попадает при наличии резонанса в окрестности 1. Из указанных кольцевых микрорезонаторов 11 оптический сигнал измерения, накопленный за счет добротности кольцевых микрорезонаторов 11, через спадающие поля поступает во второй волновод 12. Так каккольцевых микрорезонаторов 11 взаимодействуют с участками первого 10 и второго 12 волноводов, расположенными на расстояниях соответственно 1, 1 и 2 1 , то оптические сигналы измерения,с каждого изкольцевых микрорезонаторов 11 разнесены во времени и, так как быстродействие АЦП 8 удовлетворяет условию (1), то оптические сигналы измерения, последовательно прошедшие второй волновод 12, второй отрезок волокна 13, ответвитель отраженного излучения 14, соответствующий приемник оптического сигнала из вторых детекторов излучения 15, далее в электрическом виде через мультиплексор 7 поступают в АЦП 8, где преобразуются в цифровой код и запоминаются в блоке обработки 9. После сравнения сигналов измерения с опорным и с учетом передаточных характеристиккольцевых микрорезонаторов 11, в блоке обработки 9 вычисляется температура в местах расположения кольцевых микрорезонаторов 11, через которые прошел сигнал измерения. Таким образом, получаются значения температуры из первого поддиапазона для резонансных длин волн, попадающих в окрестность 1. Для измерения температуры в других поддиапазонах в источниках света 1 по сигналу из блока обработки 9 включается второй полупроводниковый лазер с длиной волны выходного излучения 2, и изменяется код на входе мультиплексора 7. Далее работа происходит аналогично вышеописанному, производится цикл измерения температуры для каждого изкольцевых микрорезонаторов 11,резонансные длины волн которых лежат в окрестности 2 (поддиапазон 2). Количество поддиапазонов определяется требуемой точностью измерения температуры при увеличении диаметра микрорезонаторов их чувствительность увеличивается, и измеряемый диапазон температур может быть разбит на требуемое количество поддиапазонов. Для измерения распределения температуры по двум координатам (градиента температур) необходимо расположитьмикрорезонаторов 11 по двум взаимно перпендикулярным координатам подложки. Источники информации 1. Кузьмин К.Г., Малевич И.А., Поляков А.В., Чубаров СИ. Прецизионный волоконнооптический датчик на основе оптоэлектронной рециркулярционной системы // Измерительная техника. - 1999. -7. - С. 32-35. 2. Пат. США 6270254 (прототип). 3. Кацавец Н.И., Бученков В.А., Демидов Д.И. и др. // Письма в журнал технической физики. - 2004. - Т 30. - Вып. 24. 4. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы Пер. с англ. / Под ред. В.В. Шевченко. - М. Мир, 1980. - С. 247. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4