SE435967B - Fiberoptiskt luminiscensmetdon - Google Patents

Description

15 20 25 30 8202093 -11 Föreliggande uppfinning utnyttjar tids- och frekvensuppdelad signalinforma- tion, vilket överför noggrannhetskraven till elektr niska standardkomponen- ter, som redan finnes massproducerade till ett lågt pris.

Arrangemanget blir möjligt tack vare befintligheten av luminiscensmaterial med mycket reproducerbara och stabila egenskaper.

Uppfinningen kännetecknas därav, att sensordelen är anordnad att avge lumi- niscens med minst två skilda tidskonstanter, och där kvoten mellan de avgivna luminiscensintensiteterna, svarande mot luminisoens vid de skilda tidskon- stanterna, är ett mått på d.fi storhet som skall mätas. Den utnyttjade egen- skapen är sensormaterialets s ? optiska tidskonstant. Om materialet excite- ras med en ljuspuls fås efter exclt;tionen en intensitetsvariation som funktion av tiden för det luminis<^rande ljuset enligt följande formel IÜJ) : IO 6 2 I (1) där 1 är materialets optiska tidskonstant och Io luminiscensintensiteten omedelbart efter det att excitationsljuset avslagits. Ofta fås inte perfekta exponentiella förlopp, utan materialet måste representeras med flera tidskonstanter Ti enligt fl I 1:1 Exempel på materialkombinationer med ovannämnda egenskaper är joner av säll- synta jordartsmetaller, t ex neodym, ingående som en fast lösning i ett bärarmaterial, t ex glas av olika sammansättning eller kristallina ämnen, såsom yttrium-aluminium=granat (YAG). Tidskonstantvärdena kan ändras genom val av metalljon och bärarmaterial. Thornton et al (Appl. Opt. §_(1969) 1087-1102) har publicerat uppmätta värden på en mängd materialkombinationer.

Nd: YAG ger 1 = 2ü0/us, medan Nd i olika glaskvaliteter kan ge tidskonstan- ter mellan 50 och 700/us. Värdena är anmärkningsvärt temperaturstabila, med temperaturkoefficienter kring 200-500 ppm/OC i temperaturområdet 0-200 OC.

Tidskonstantvärdenas storleksordning är lämplig ur signaldetektionssynpunkt eftersom hänsyn ej behöver tas till löptidseffekter i fibern, med avkling- ningstiden av enstaka/us. 10 20 25 30 35 8202093 ~ 4 Luminiscensens verkningsgrad är enligt Thornton et al 60-90 % för Nd-joner 1 glas och YAG vid excitationsvåglängder kring 75“ nm med ett temperatur- beroende mindre än 500 ppm/OC i temperaturområdet 0-LJOOC.

Den hittillsvarande användningen för dessa material har varit som det optiskt aktiva mediet i högeffektlasrar. Materialen finns kommersiellt tillgängliga genom ett flertal glastillverkare och kan formas och bearbetas enligt gängse metoder inom glastekniken.

En annan klass av material är halvledare med luminiscens härstammande från band-till-band rekombination av laddningsbärare eller från generations- och rekombinationsförlopp via störcentra, t.ex härrörande från dopämnen. Ett exempel på sådana material är is med Ge som dopämne, vilket med dopkoncentra- tioner från 1016 till 1018atome= per cm3 kan ge en modulation av luminiscensens tidskonstant från 1 /us till ca 10 /us. Längre tidskonstanter kan uppnås 1 halvledarmaterial med indirekt bandgap, med all luminiscens härstammande från störcentra.

Det är givetvis även möjligt att kombinera material från ovannämnda båda klasser på en mångfald sätt.

Uppfinningen är närmare exemplifierad i bifogade figurer, av vilka fig 1 visar ett utförandeexempel på ett luminiscensmätsystem enligt uppfinningen, fig 2 de utnyttjade temporala förhållandena i systemet, fig 3 ett utförande- exempel där sensormaterialen anordnats för att registrera lägesförändringar, fig'4 är ett utförandeexempel för mätning av magnetfält, och fig 5 ytter- ligare en utförandeform för lägesgivare- Mätsystemets funktion framgår bäst av fig 1 och 2. Lysdioden 1 skickar in ljus i fibern 2 via en förgrening 3. Ljuset har givits pulsform genom en klockgenerator H och en pulsformare 5. I fiberns 2 ände finns en sensordel 6, innehållande luminiscerande material med minst två optiska tidskonstanter 11 och 12. I utförandeexemplet är materialen med respektive tidskonstant fysiskt åtskilda. Materialdelen 7 med tidskonstanten 11 är fast förbunden med fiberänden, medan materialdelen 8 med tidskonstanten 12 är rörlig med ett läge, som bestäms av den variabel som skall mätas. Denna variabel kan vara en annan kropps läge, en kraft, acceleration, ett hydrostatiskt tryck, en vätskenivå eller flöde etc. Genom lägesförändringar mellan kropparna 7 och 8 varierar det till kroppen 8 infallande excitationsljuset, vilket i sin tur ger en variation i intensiteten hos luminiscens med tidskonstanten T2. 15 20 25 30 8202093- 4 I fotodioden 9 och detektorförstärkaren 10 omvandlas den optiska signalen till en elektrisk spänning. Förstärkaren 10 kan vid behov blockeras under excítationspulsens varaktighet genom en styrsignal från pulsformaren 5. Alter- nativt blockeras reflexer bort genom ett optiskt filter framför detektorn 9.

Optiska interferensfilter av bandpasstyp för Nd-jonens luminiscensvåglängd ,(1,06/um) finns kommersiellt tillgängliga.

Signalen från detektorförstärkaren 10 tidsuppdelas i ett antal sample and hold-kretsar 11, 12, 13, synkront styrda från klockpulsgeneratorn H via för- dröjningselement 14, 15, 16. Den tidsuppdelade signalen påförs en beräknings- enhet 17, ur vilken en signal, representerande ingångsvariabeln, extraheras och presenteras i en registreringsenaet 18.

Fig 2 visar tidsdiagram_för regi* reringsförloppet. Klockpulsgeneratorns U utsignal 20 styr tidsförloppet, pxlsformarens 5 utsignal kan antingen ha en fast pulslängd Te eller styras av beräkningsenheten 17 för att ge opti- mal excitation. Kurvorna 22 och 23 visar avklingningen av luminiscens med respektive I . Pulserna 2H, 25, 26 visar tre tidsfönster 1 2 för inmatning av signalen på sample-and-hold-kretsarna 11, 12, 13. Genom tidskonstanterna I pulsen ZH, inställd på kortaste fördröjningstid d1 efter excitationspulsens 21 slut, detekteras väsentligen den totala luminiscensintensiteten oberoende av tidskonstantvärdena, dvs _Q I(d1) 3 I(0) 3 I1e 11 +I2e 2 = I1 + I2 Om 11 >> 12 kan nästa detektíonstillfälle, representerat av puls 26, väljas vid en tidpunkt de >> 12 så att detekterad intensitet då väsentligen är obero- ende av 12: _ Éa I(d2) = I1e 1 On 11 och d2 är kända, kan II beräknas och därigenom den informationsbärande kvoten I1/I2.

I det beskrivna fallet med två enkla, väl åtskilda tidskonstanter 11 och 12 blir således beräkningsenheten relativt enkel och kan till och med utföras med analoga kretsar. I mer komplicerade fall, då hänsyn måste tas till ett multiexponentiellt förlopp enligt ekvation (2), måste flera mätpunkter i tidsdiagrammet tillfogas (puls 25 vid tidpunkten di). Beräkningsenheten 17 måste i detta mer generella fall låsa ett ekvationssystem med ett större 15 20 25 30 35 82020934: antal obekanta som bestäms av antalet överlagrade exponentialförlopp, vilket givetvis också avgör antalet erforderliga mätpunkt-r i tidsdiagrammet. Om antalet mätpunkter i avklingningsförloppet överstiger antalet tidskonstanter blir ekvationssystemet överbestämt. Detta kan utnyttjas för att tillföra annan information, t.ex om tidskonstanten är temperaturberoende kan beräkning av dess värde ge en samtidig temperaturmätning.

Fig 2b visar ett tidsdiagram över en sensorkonfiguration, där den stationära luminiscensintensiteten I2 (28) är beroende av materialdelen 8 med tids- konstanten 12 som är väsentligt kortare än 11, medan luminiscensen från materialdelen 7 med tidskc~stant 1 1 är mycket svagare (II, kurva 29).

Genom excitation med en lang nuls 27 och defektion dels under den stationära fasen 30 dels under selektivt in..ytande av luminiscens av den längre tids- konstanten 11, kan de båda kompo1^nterna särskiljas.

En alternativ utformning av detektorsystemet är att utföra analysen i frek- vensplanet, t ex enalogt med anordningen, beskriven i svensk patentansökan 8102889-6.

Fig 3 visar en utförandeform av en lägesgivare, där de luminiscerande materia- len 7 och 8 är inlagda utmed ljusets utbredningsriktning (fiberns huvudrikt- ning). Materialet 8 med optisk tidskonstant rz är utformat som en vågledare med totalreflekterande mellanytor H3. Materialets 8 absorption av infallande ljus är vald så, att excitation fås även av materialet 7 med tidskonstant r 1.

Modulering av excitation och luminiscens till och från material 7 sker i detta fall med hjälp av en rörlig skärm 36, vars rörelse är ett mått på den storhet som skall mätas. Materialet 7 kan även det med fördel utformas som en vågledare med totalreflekterande mellanytor 37. Skärmen 36 kan även utgöras av ett selektivt absorberande material eller en på lämpligt sätt placerad spegel.

Fig 4 visar en sensor för magnetfältmätning helt utan rörliga delar. Förutom de luminiscerande materialen 7 och 8 innehåller sensordelen två polariserande plattor 38, 39, ställda med 900 vinkel mellan de båda plattornas polarisa- tionsvinkel. Däremellan är inlagt ett material H0, vars polarisationsvridande egenskaper påverkas av magnetfält. Materialet kan vara av domäntyp, t ex yttrium-järn-granat. För elektrisk fälmätning eller mekanisk deformations- mätning kan materialet H0 ersättas av elektrooptiskt eller elastooptiskt känsliga material. Då dessa materials magnetooptiska, elektrooptiska och elastooptiska effekter ofta är temperaturberoende önskar man ibland även mäta givarens temperatur. 10 8202093 - lr Detta kan enkelt göras genom att välja ett luminiscerande material med tempera- turberoende tidskonstant och mäta denna.

Fig 5 visar en lägesgivare, där de luminiscerande materialen 7 och 8 samman- smälts till en enkel balkstruktur som är rörlig i fiberns tvärsriktning genom elastisk böjning vid applicering av en kraft Ä1. I detta fall moduleras båda intensiteterna från materialdelarna 7 och 8 med optiska tidskonstanterna 11 respektive 12. I snittbilderna A-A i fig 5 illustreras detta, vid nedböjning av halkan ökar den gemensamma arean mellan material 7 och fiberänden, medan dess gemensamma area med material 8 minskar. Därigenom fås en ändring av in- tensitetskvoten mellan de båda luminiscensbidragen.

Systemet enligt ovan kan vari;r«s på mângahanda sätt inom ramen för nedan- stående patentkrav.

Claims (17)

820209341 PATENTKRAV

1. Fiberoptiskt luminiscensmätdon för mätning av Pysikaliska storheter, såsom kraft, tryck, nivå, läge, flöde, acceleration, deformation, magnetisk och elektrisk fältstyrka, temperatur etc, bestående av en sändarlmottagar- enhet (19) och en sensordel (6), sammankopplade med minst en optisk fiber (2), där-sensordelen (6) är anordnad att avge luminiscens med minst två emis- sionsspektra, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensordelen (6) är an- ordnad att avge luminiscens med ;'nst två skilda tidskonstanter (11 och T2), och där kvoten mellan de avgivna luminiscensintensiteterna (I1 och I2), svarande mot luminiscen: id de skilda tidskonstanterna (m1 och 12), är ett mått på den storhet, sor skall mätas.

2. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att luminiscensen är anordnad att härröra från minst en fast kropp (7, 8)-

3. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att den fasta kroppen (7, 8) innehåller metalljoner. ll.

4. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att metalljonerna ingår som en fast lösning i ett amorft eller kristal- lint bärarmaterial.

5. l Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att metalljonerna utgöres av sällsynta jordartsmetaller, t ex neodymjoner.

6. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att den fasta kroppen (7, 8) innehåller minst ett luminiscerande halvledarmaterial, t ex galliumarsenid.

7. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att halvledarmaterialet innehåller minst ett dopämne, t ex germanium.

8. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav U, k ä n n e t e c k n a t därav, att bärarmaterialet väsentligen är ljustransparent, t ex glas. 3202093-4

9. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att de minst två tidskonstanterna härrör från val av olika metalljoner för luminiscens.

10. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 3, k ä n n e t 8 0 k H a t därav, att de minst två tidskonstanterna härrör från val av bärarmaterial.

11. - Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att en ljuskälla med elektroniskt drivsteg är anordnad att avge tids- varierande optisk energi.

12. Fibepopbiskg mätdon e.'igt patentkrav 10, k ä n n e t e e k n a t därav, att den från ljuskällah utgående optiska energin är pulsformad eller i form av minst en sinusfrekvens.

13. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n'n e t e c k n a t därav, att luminiscens med minst en optisk tidskonstant är anordnad att genom avskärmning, reflexion, polarisation eller interferens moduleras av den fysi- kaliska storhet som skall mätas. 1Ä.

14. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att den luminiscerande kroppen har formen av en plan eller cylindrísk optisk vâgledare.

15. - FíbeP°PÜiSkt mätdon enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k n a t därav, att från givaren avgiven luminíscens (I1 - e _ É1 + I2 - e' %è) uppmâtes vid olika tidpunkter räknat från det att excitationsljuset avstängts.

16. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda luminiscens uppmätes vid tvâ skilda tidpunkter, varvid detektorsignalerna Sd (tï) och Sd (tg) erhålles och att nämnda kvot _ Sd (ta) ' C beräknas ur ett uttryck aV f0Pm91fl , där C är en konstant, Sd(t,) - Sd(t2) ' C

17. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k n a t -||rf fl därav, att från givaren avgiven luminiscens ( 2 Ii e ) uppmätes vid i=1 1 ett antal tidpunkter som överskrider antalet tidskonstanter (n).