Оптический датчик температуры на основе поляризационного эффекта

OPTICAL TEMPERATURE SENSOR BASED ON THE POLARIZATION EFFECT

Alexandr Zavodovskiy

Cand. Phys. – Mat. Sciences, associate professor, Surgut State University, Russia, Surgut

Аннотация. В данной работе были выполнены экспериментальные исследования зависимости угла вращения плоскости поляризации света водным раствором сахара от температуры раствора. Анализ полученных результатов показал возможность создания датчика температуры на поляризационном эффекте.

Abstract. In this work, we carried out experimental studies of the dependence of the angle of rotation of the plane of polarization of light with an aqueous solution of sugar on the temperature of the solution. Analysis of the results showed the possibility of creating a temperature sensor for the polarization effect.

Ключевые слова: датчик температуры; оптический элемент; поляризация; оптически активные вещества.

Keywords: temperature sensor; optical element; polarization; optically active substances

Потребность в различных датчиках в настоящее время растет в связи с развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходам к гибким автоматизированным производствам. Создаваемые датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и малой стоимости. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют волоконно-оптические датчики [1].

Волоконно-оптические датчики можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее используемыми на практике являются волоконно-оптические датчики первого типа. Их обычно делят на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом [2].

Датчики с оптическим преобразователем представляют собой систему, которая содержит оптический элемент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, источник света и его приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и приемного волокна. В качестве источника света обычно используют лазер, а в качестве его регистратора — соответствующий ему по длине волны фотоприемник.

В датчиках с оптическим зондом световой луч, отраженный или рассеянный объектом измерения, поступает в приемную оптическую систему, состоящую из объектива и волокна, связанного с фотоприемником. Волоконно-оптические датчики второго типа отличаются высокой чувствительностью и могут быть использованы для бесконтактных измерений.

Как показывает опыт, из всех физических величин наиболее измеряемой величиной является температура, которая представляет собой важнейшую характеристику состояния вещества. Поэтому очень часто для практических целей необходимы тщательный контроль и точные измерения температуры.

В основе работы волоконно-оптических датчиков лежат разнообразные физические явления. Для создания датчиков очень часто используется создаваемая различным образом зависимость интенсивности света от температуры. Это возможно сделать путем прерывания оптического излучения непрозрачной заслонкой, изменением коэффициента прозрачности кристалла и другими способами. Созданы датчики, в которых для измерения температуры исследуется спектр теплового излучения тел, а также поляризационные эффекты при изменении коэффициента двойного лучепреломления при изменении температуры.

В данной работе предлагается для создания волоконно-оптического датчика температуры с оптическим преобразователем использовать чувствительный оптический элемент, в котором применяется зависимость угла вращения плоскости поляризации света от температуры. Макет датчика представлен на рис.1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из: лазера Л, 3-х линз (короткофокусная, объектив, лупа – Л1,Л2,Л3), поляризатора П, анализатора А, фоторегистратора ФР, экрана фоторегистратора Э и рабочей кюветы К. Лазерное излучение фокусируется линзами Л1 и Л2 в объектной плоскости линзы Л3. При этом на экране наблюдается яркая точка малых размеров. Между линзами Л2 и Л3 размещают поляризатор, кювету и анализатор.

При выполнении эксперимента на оптической скамье размещается поляризатор и пустая кювета. Поляризатор устанавливается в положение, соответствующее максимальному значению сигнала, который регистрируется ФР. Затем за кюветой размещается анализатор, и его поворотом добиваемся минимального значения сигнала ФР. Это положение анализатора определяет начало отсчета угла вращения плоскости поляризации. Затем кювета  заполняется водным раствором сахара определенной концентрации при температуре 20 ⁰С и фоторегистратор показывает появление оптического сигнала. Поворотом анализатора на угол j вновь получаем минимальное значение сигнала ФР. Величина j определяет угол вращения плоскости поляризации для данных условий. В настоящей работе определялась зависимость угла поворота плоскости поляризации от температуры раствора при заданной концентрации раствора и длины кюветы. Полученные опытные данные представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Зависимости угла вращения плоскости поляризации от температуры при концентрации сахарного раствора 30%.

Погрешность измерения температуры составляла ±1 ⁰С, а угла вращения плоскости поляризации ±1 град. Опыт показывает, что с увеличением температуры раствора значение угла вращения плоскости поляризации уменьшается. Полученная зависимость является линейной, что очень удобно для создания датчика температуры, который мог бы работать в интервале значений от 10 до 90⁰С. Для расширения температурного интервала можно в качестве чувствительного элемента использовать другие оптически активные вещества, например кварц.