устройство для измерения физических параметров, преимущественно температуры

Формула изобретения

1. Устройство для измерения физических параметров, содержащее волоконно-оптический тракт, включающий два световода, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, контактирующий с контролируемым объектом и изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием измеряемого параметра, и электронный блок для обработки электрических сигналов, включающий компьютер, отличающееся тем, что оно содержит несколько волоконно-оптических трактов, в каждом из которых помещен чувствительный оптический элемент, изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием измеряемого параметра, причем концы световодов, образующих входные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего источника излучения, а концы световодов, образующих выходные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего приемника излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде лампы накаливания, имеющей непрерывный спектр излучения.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде галогенной лампы накаливания.

4. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что приемник излучения выполнен в виде многоканального спектроанализатора, включающего многоканальный волоконно-оптический ввод, соединенный с выходными участками волоконно-оптических трактов, отклоняющую призму, установленную напротив многоканального волоконно-оптического ввода, объектив, коллимирующий и фокусирующий излучение за отклоняющей призмой, диспергирующий элемент и фотоприемник, воспринимающий излучение от диспергирующего элемента.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен в виде двухмерной кремниевой матрицы, имеющей множество фоточувствительных элементов.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что чувствительный оптический элемент для измерения температуры выполнен в виде пластинки из полупроводникового материала, выбранного из группы, состоящей из арсенида галлия, фосфида галлия и теллурида кадмия.

7. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что чувствительный оптический элемент для измерения перемещения выполнен в виде интерференционного светофильтра полосового типа, длина волны пропускания которого зависит от положения светового пучка, просвечивающего светофильтр, причем светофильтр соединен посредством штока с контролируемым объектом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения различных физических параметров и, в частности, температуры.

Известно устройство для детектирования пламени и измерения температуры, содержащее два волоконно-оптических световода, между которыми помещен чувствительный элемент, изменяющий свои оптические свойства под воздействием температуры. На конце одного из световодов установлена линза, обращенная к месту контроля открытого пламени. На конце другого световода установлен детектор, включающий, по крайней мере, два элемента, чувствительных к различным длинам волн спектра. Устройство снабжено источником излучения (лазерным диодом), излучающим в импульсном или постоянном режиме две длины волны. Устройство имеет микропроцессор, анализирующий выходные сигналы детектирующих элементов (см. патент США 5051590, G 01 J 1/00, НКИ 250-339, 1991).

Недостатком известного устройства является то, что оно способно измерять температуру и контролировать возникновение очага возгорания только в одной точке. Для обеспечения контроля температуры и пламени в нескольких различных точках, например в нескольких помещениях одного здания, необходимо использование множества таких детекторов, что резко повышает стоимость системы контроля.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения температуры, содержащее источник света и фотоприемник, соединенные волоконно-оптическим трактом, включающим два световода, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, контактирующий с контролируемым объектом и изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием температуры контролируемого объекта, и компьютер для обработки электрических сигналов фотоприемника (см. патент США 4338516, G 01 J 3/34, НКИ 250-226,1982). В известном устройстве в качестве источника света также используется лазерный диод, длина волны излучения которого в процессе работы устройства изменяется контролируемым образом по заданной программе.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что он позволяет контролировать температуру только в одной точке контролируемого объекта.

Задача изобретения состоит в разработке такого устройства для определения физических параметров, которое обеспечивает контроль параметров объекта в нескольких точках с использованием одного источника света и одного фотоприемника.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство для измерения физических параметров, преимущественно температуры, содержащее источник излучения и приемник излучения, соединенные волоконно-оптическим трактом, включающим два световода, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент, контактирующий с контролируемым объектом и изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием измеряемого параметра, и электронный блок для обработки электрических сигналов приемника излучения, включающий компьютер, которое согласно изобретению содержит несколько волоконно-оптических трактов, в каждом из которых помещен чувствительный оптический элемент, изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием измеряемого параметра, причем концы световодов, образующих входные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего источника излучения, в концы световодов, образующих выходные участки волоконно-оптических трактов, установлены напротив общего приемника излучения. Это обеспечивает возможность измерения физических параметров в нескольких точках контролируемого объекта.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что источник излучения выполнен в виде лампы накаливания. Это существенно упрощает конструкцию источника излучения в сравнении с известными устройствами с использованием волоконно-оптических трактов. В предпочтительном варианте осуществления источник излучения выполнен в виде галогенной лампы накаливания.

Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что приемник излучения выполнен в виде многоканального спектроанализатора, включающего многоканальный волоконно-оптический ввод, соединенный с выходными участками волоконно-оптических трактов, отклоняющую призму, установленную напротив волоконно-оптического ввода, объектив, коллимирующий и фокусирующий излучение за отклоняющей призмой, диспергирующий элемент и фотоприемник, воспринимающий излучение от диспергирующего элемента.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения фотоприемник выполнен в виде двухмерной кремниевой матрицы, имеющей множество фоточувствительных элементов.

В качестве чувствительных элементов в предлагаемом устройстве при измерении температуры могут быть использованы пластины из полупроводниковых материалов, выбранных из группы, состоящей из арсенида галлия, фосфида галлия и теллурида кадмия.

При измерении перемещений контролируемого объекта чувствительный элемент выполнен в виде интерференционного светофильтра полосового типа, длина волны пропускания которого зависит от положения светового пучка, просвечивающего светофильтр, причем светофильтр соединен посредством штока с контролируемым объектом.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 изображен блок источника излучения.

На фиг.3 представлен оптический датчик температуры в продольном разрезе.

На фиг. 4 изображена принципиальная схема оптического датчика перемещения.

На фиг.5 изображен блок приемника излучения.

На фиг.6 изображен корпус многоканального оптического ввода для приемника излучения.

На фиг.7 изображен фрагмент держателя концов световодов в многоканальном оптическом вводе по фиг.6.

На фиг. 8 изображена функциональная схема электронного блока обработки сигнала.

Устройство (см. фиг.1) содержит блок 1 источника излучения и блок 2 приемника излучения, соединенных несколькими волоконно-оптическими трактами 3. Каждый волоконно-оптический тракт включает два световода 4 и 5, в зазоре между торцами которых помещен чувствительный оптический элемент 6, контактирующий с контролируемым объектом (на фиг. не показан) и изменяющий свою спектральную прозрачность под воздействием измеряемого параметра, например температуры. Фотоприемник 2 снабжен многоканальным оптическим вводом 7 (см. фиг. 6 и 7), в который введены концы выходных участков световодов 5, и соединен с электронным блоком 8 обработки электрических сигналов (см. фиг.8), включающим компьютер.

Источник излучения (см. фиг.2) содержит галогенную лампу 9 накаливания, имеющую непрерывный спектр излучения, коллимирующую линзу 10 и фокусирующую линзу 11, фокусирующую излучение на световодный жгут 12, образованный входными концами световодов 4 (см. фиг.1).

Предлагаемое устройство позволяет измерять, по меньшей мере, два физических параметра: температуру контролируемого объекта с помощью оптического датчика температуры, изображенного на фиг.3, или перемещение контролируемого объекта с помощью оптического датчика перемещения, изображенного на фиг.4.

Оптический датчик температуры (см. фиг.3) содержит тонкостенную металлическую или керамическую трубку 13, внутри которой с помощью герметика 14 закреплены концы световодов 4 и 5, в зазоре между оптически отполированными торцами которых установлена тонкая пластина 15 из полупроводникового материала (арсенид галлия, фосфид галлия и др.), у которой под воздействием изменения температуры смещается край полосы прозрачности.

В состав оптического датчика перемещения (см. фиг.4) входят прямоугольный интерференционный светофильтр 16, который посредством штока 17 соединен с объектом (на фиг. не показан), перемещение которого является измеряемым параметром. Светофильтр 16 представляет собой стеклянную прямоугольную пластину, на поверхность которой нанесен слой Z и S, толщина которого изменяется по длине светофильтра, плавно возрастая от одного конца к другому. Длина волны, соответствующая центру контура прозрачности такого светофильтра, зависит от положения светового пучка 18 небольшого сечения, просвечивающего светофильтр. Световой пучок 18 формируется от световода 4, соединенного с источником излучения 1 (см. фиг. 1). Конец световода 4 закреплен в стандартном волоконно-оптическом коннекторе 19, установленном напротив микроколлиматора, формирующего квазипараллельный пучок излучения. Микропризма 21 преломляет этот пучок, направляя его под углом 90^o к поверхности светофильтра 16. Пройдя через светофильтр 16, пучок излучения преломляется второй микропризмой 22 и через микроколлиматор 23 поступает в световод 5, соединенный с микроколлиматором 23 посредством волоконно-оптического коннектора 24. Через световод 5 излучение поступает в приемник излучения 2.

В качестве приемника излучения 2 в предлагаемом устройстве используется многоканальный спектроанализатор (см. фиг.5), в состав которого входят многоканальный волоконно-оптический ввод 7, преломляющая призма 25, коллимирующая и фокусирующая оптическая система 26, диспергирующий элемент 27 и фотоприемник 28.

В качестве фотоприемника 28 используется двухмерная кремниевая матрица с зарядовыми связями (ПЗС), например двухмерная кремниевая матрица фирмы Техаs Instruments (США) типа ТС237. Она имеет формат 658х496 фоточувствительных площадок с размером 7,4 мкм каждая, имеет высокую квантовую эффективность (до 80% в максимуме чувствительности) и позволяет гибко управлять процессом считывания изображения.

В качестве диспергирующего элемента 27 используется дифракционная решетка с частотой не более 600 штрихов на мм.

Многоканальный волоконно-оптический ввод 7 (см. фиг.6 и 7) имеет цилиндрическую оправу 29 из титанового сплава с поперечной перегородкой 30 с отверстиями 31, через которые пропущены концы световодов 5. Оправа 29 снабжена фиксирующим штифтом 32, который при сборке устройства позволяет сориентировать торцы световодов 5 относительно оптических элементов спектроанализатора (см. фиг.5).

Блок 8 обработки электрических сигналов (см. фиг.8) содержит задающий генератор 33, который через драйверы 34 и 35 горизонтального и вертикального переноса связан с двухмерной кремниевой матрицей 28. Выход двухмерной матрицы 28 соединен со схемой 36 выборки-хранения сигналов, на выходе которой установлен буферный каскад 37, соединенный с аналого-цифровым преобразователем 38. Выход аналого-цифрового преобразователя 38 через интерфейс 39 подключен ко входу персонального компьютера.

Устройство работает следующим образом.

При измерении температуры датчики 6 температуры устанавливаются в различных точках контролируемого объекта, например в различных точках атомного реактора, в которых должна контролироваться температура. При этом датчики 6 связаны с общим источником излучения 1 и общим приемником излучения 2 посредством волоконно-оптических световодов 4 и 5. Таким образом, для контроля температуры объекта в различных его рабочих точках не требуется подводка электрических проводов, что крайне нежелательно в отношении многих объектов контроля. При изменении температуры в точке контроля, где расположен датчик температуры 6 (см. фиг.3), происходит смещение края полосы прозрачности чувствительного оптического элемента 15 (пластины из арсенида галлия, например), которое анализируется с помощью многоканального спектроанализатора 2. Двухмерная кремниевая матрица 28, расположенная в фокальной плоскости спектроанализатора 2, преобразует попадающее на нее излучение в поле зарядов в чувствительной области матрицы 28. Драйверы 34 и 35 (см. фиг.8) вертикального и горизонтального переноса сигналов последовательно переносят эти заряды в буферную область матрицы 28, а затем на ее выход. На выходе матрицы 28 электрические заряды, стекая по нагрузочному резистору (на фиг. не показан), преобразуются в электрический сигнал. Поскольку перенос зарядов происходит по принципу строчно-кадровой развертки, то в амплитуде выходного сигнала содержится вся информация о световой мощности сигнала, поступающего на чувствительную область матрицы 28 от каждого отдельного чувствительного элемента 15 датчиков температуры. Эта информация преобразуется в аналого-цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 38 и выводится на экран персонального компьютера.

Аналогичным образом происходит считывание информации от датчиков 6 перемещения, установленных в различных местах контролируемого объекта. При перемещении полосового интерференционного светофильтра 16, связанного с контролируемым объектом посредством штока 17, происходит перенос светового пучка 18 из одной точки светофильтра 16 в другую точку. Поскольку длина волны, соответствующая центру контура прозрачности такого светофильтра, зависит от положения светового пучка, то изменение положения светофильтра 16, связанное с перемещением контролируемого объекта, приводит к изменению оптической прозрачности светофильтра. Это изменение анализируется спектроанализатором 2.