Флуоресцентные датчики

Оптические датчики температуры

Температуру можно измерять контактными и бесконтактными методами. 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. Помимо ИК детекторов существуют датчики, хотя и контактные по своей природе, но использующие фотоны в качестве носите­лей информации о температуре.

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 которого 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. В ка­честве чувствительного материала в флуоресцентных датчиках применяется фтормагнетит 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 τ, величина которой 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 Т₁, и Т₂, е — основание натурального логарифма, t - постоянная времени характеристики спада .

Поскольку постоянная времени не зависит от интенсивности возбуждающе­го излучения, возможна реализация датчиков самых разнообразных конструкций. Например, 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. 16.25Расположение фосфорных компонентов: А – на поверхности объекта.

Б и В – на конце зонда

 

 

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 ко­торой зависят от температуры, что вызывает появление фазового сдвига между сигналами. Величина этого фазового сдвига, а, значит, и параметры интерферен­ционного сигнала, определяются температурой. В качестве чувствительного эле­мента интерферометрического датчика температуры часто используют тонкий слой кремния, поскольку его коэффициент преломления зависит от тем­пературы, что приводит к изменению длины пути луча.

На рис. 16.26 показана 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. 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 светоизлучающие диоды с длиной волны излуче­ния порядка 860 нм, а анализ результирующего сигнала проводится при помощи спектрометра.

Рис. 16.26. Схема тонкопленочного оптичес-

кого датчика температуры

Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры

Такие датчики применяются в биомедицинских системах. В качестве хромати­ческого раствора часто применяют СоС1₂6Н₂О (раствор хлорида кобальта). Принцип действия таких датчиков основан на характерной для определенных хроматических растворов температурной зависимости коэффициентов поглощения излучений видимого диапазона спектра (400...800 нм)(рис. 16.27А). Очевидно, что в состав таких датчиков должны входить: источник излучения, детектор и раствор хлорида кобальта, имеющий тепловую связь с объектом измерения. На рис. 16.27Б и 16.27В показаны два варианта хроматических датчиков 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