Курсовая работа: Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя преломления

Рис. 34. Схема экспериментального стенда.

Рис. 35. Волоконно-оптический детектор образования конденсата.

В состав экспериментального стенда входят:

суперлюминесцентный диод (СЛД);

чувствительный элемент;

волоконный разветвитель;

термопреобразователь сопротивления;

двухкаскадный термоэлектрический модуль;

блок питания ТЭМ;

система охлаждения горячей стороны ТЭМ;

фотоприёмник;

микропроцессорный блок управления и индикации;

камера и газовая коммутация.

4.1.1. Чувствительный элемент

Если оптическое волокно, в котором распространяется оптическое излучение, сколоть под прямым углом, то основная часть излучения будет выходить из волокна, но порядка 3,5% излучения (в случае воздуха), будет отражаться от скола обратно. Отражённую мощность можно измерить, поставив в оптическую схему до скола волокна разветвитель. При образовании на торце волокна плёнки конденсата происходит изменение показателя преломления в приповерхностной области, вследствие чего изменяется мощность отражённого сигнала (рисунок 36).

Среди многообразия типов оптического волокна, наиболее подходящим с точки зрения применения в качестве детектора образоваия конденсата является стандартное телекоммуникационное волокно типа SMF-28. Улучшить характеристики прибора можно, используя более тонкое оптоволокно, за счет чего уменьшится градиент температуры по его сколу.

4.1.4. Охлаждение чувствительного элемента

Одной из важнейших задач при создании гигрометра точки росы является обеспечение контролируемого охлаждения чувствительного элемента. Среди широко применяемых для решения этой задачи способов (компрессионный, криогенный и др.) термоэлектрическое охлаждение предствляется наиболее перспективным с точки зрения точности, доступности и экономичности.

Термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) имеют ряд принципиальных преимуществ перед обычными системами принудительного охлаждения: компактность, легкость регулировки температуры, малую инерционность. ТОУ обладают удобной и гибкой характеристикой и несложным переводом из режима охлаждения в режим нагревания. Они отличаются простотой управления, возможностью точного регулирования температуры, бесшумностью, хорошими массогабаритными показателями, высокой надежностью работы и имеют практически неограниченный срок службы.

ТОУ — это устройства для переноса тепловой энергии от теплопередатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой, действие которых основано на эффекте Пельтье. Основным функциональным узлом ТОУ является термоэлектрическая батарея, набранная из электрически соединенных между собой термоэлементов. При прохождении электрического тока (от внешнего источника) через термоэлемент возникает разность температур между горячим и холодным спаями термоэлемента. При этом на холодном спае теплота поглощается из охлаждаемого вещества и передается горячему спаю и далее в окружающую среду.

Охлаждение горячего спая термоэлектрического модуля является очень важной задачей, поскольку от эффективности охлаждения зависит максимальная разность температур на сторонах модуля. Для решения этой задачи решено было обратиться к другой области техники, где активно используется охлаждение – компьютерам. Наиболее мощные компьютерные кулеры на тепловых трубах способны отводить от небольшой поверхности (размеры современных процессоров сравнимы с размерами ТЭМ) значительную тепловую мощность. При этом охлаждение остаётся пассивным (вентилятор является опциональным). Кроме того, основание хороших кулеров как правило делают из меди, которая легко паяется. Такой вид охлаждения надёжен, относительно недорог и с ним имеется возможность создания переносного варианта прибора.

4.2. Теоретиическая модель функционирования чувствительного элемента

Так как используемое волокно является одномодовым в диапазоне используемых длин волн, падение света на границу раздела можно считать нормальным, а значит, для определения коэффициента отражения можно воспользоваться формулой Френеля:

, (28)

где R – коэффициент отражения, n1 и n2 – показатели преломления сред.

Расчетные данные по этой формуле хорошо сходятся с измеренными значениями в различных жидких средах.

Таблица 10. Мощности сигналов, отражённых от сколотого конца волокна, при погружении волокна в жидкости с различными показателями преломления. Источник излучения – СЛД.

Среда	Показатель преломления	Коэффициент отражения (расчёт)	Отражённая мощность (расчёт), нВт	Отражённая мощность (эксперимент), нВт
кварц	1,46	-	-	-
воздух	1	0,035	334,8	334,8
деионизованная вода	1,33	2,5∙10-3	23,9	24,5
этиловый спирт	1,36	1,26∙10-3	12,1	9,8
3-хлорэтилен	1,48	4,6∙10-5	0,4	1,1

Для 3-хлорэтилена несоответствие вызвано ограничением минимальной измеряемой мощности прибора 1 нВт, и, соответственно, большой погрешностью измерений вблизи этого значения.