Козусенок О.В., Туряниця І.І., Кутчак С.В., Пшенична О.О.

Ужгородський національний університет, Україна

РОЗРАХУНОК ПЕРЕДАВАЛЬНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА МІНІМАЛЬНОЇ ГРАНИЧНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕРМОСЕНСОРА НА ОСНОВІ СТЕКОЛ СИСТЕМИ As-Se

Незважаючи на існування значної кількості методів вимірювання температури в останній час значна увага приділяється розробці волоконно-оптичних методів вимірювання. Принцип роботи волоконно-оптичного термометра (ВОТ) полягає в реєстрації зміни пропускання термочутливого еле-мента (ТЧЕ) – сенсора викликаного зміною вимірюваної температури системи –. Перевагою такої схеми є можливість дистанційного вимірювання темпе-ратури, при цьому віддаль обмежується тільки довжиною оптичного волокна. В якості термосенсора можливе використання як кристалічних так і аморфних матеріалів. Останні завдяки високій радіаційній та хімічній стійкості, простоті одержання, можливості зміни оптичних параметрів при зміні складу та ін. забезпечують переваги над кристалічними.

Однією з основних характеристик будь-якого сенсора є його передавальна характеристика, яка встановлює зв’язок між вихідним сигналом та вимірюва-ним параметром. Для сенсора ВОТ ця характеристика може бути знайдена при відомому диференціальному коефіцієнті термочутливості сенсора.

Коефіцієнт термочутливості визначається як відносна зміна пропускання при зміні температури на один градус:

, (1)

де знак “–“ враховує зменшення пропускання при збільшенні температури.

В [1] нами показано, що для аморфних напівпровідникових матеріалів, при врахуванні Урбахівського характеру залежності коефіцієнта поглинання від енергії світлового кванта та при нехтуванні температурною залежністю показника заломлення, коефіцієнт термочутливості визначається з наступного співвідношення:

, (2)

де – товщина ТЧЕ, – коефіцієнт поглинання, – крутість краю поглинання, – ширина псевдозабороненої зони, яка визначається на рівні .

Нами проведені розрахунки коефіцієнта термочутливості зразка товщиною () для стекол системи трьох складів, які представлені на рис. 1.

Рис. 1 Температурні залежності коефіцієнта термочутливості сенсора на основі стекол системи As-Se на довжині хвилі λ=0,85 мкм: 1– As₂₈Se₇₂; 2– As₄₀Se₆₀; 3– As₅₀Se₅₀

Як видно, ці характеристики є суттєво нелінійними і можуть бути апроксимовані, в приведеному інтервалі температур, емпіричною залежністю:

, (3)

де константи –, , залежать від складу ХСН.

Передавальну характеристику одержуємо в результаті розв’язку рівняння (1), яке по суті є диференціальним рівнянням з розділюваними змінними. Якщо прийняти, що при Т=Т₀ пропускання рівне θ(Т₀) (у нашому випадку Т₀=273 К), тоді відносна зміна пропускання

(4)

або

. (5)

Вираз (5), при відомому коефіцієнті термочутливості, може бути використаний в якості алгоритму вимірювання температури.

Обчислені температурні залежності відносної зміни пропускання представлені на рис. 2. На цих залежностях можна виділити лінійні області, які залежать від складу матеріалу сенсора і в кінцевому результаті вони можуть бути використані при виборі матеріалу.

Рис. 2 Залежність відносної зміни пропускання від температури для різних складів термосенсора на основі стекол системи As-Se (довжина хвилі
λ=0,85 мкм, товщина 0,1 см); (нумерація кривих відповідно до рис. 1)

Одним з основних параметрів будь-якого сенсора є мінімальна чутливість. У нашому випадку це мінімальна зміна температури , яка може бути зафік-сована. Цей параметр суттєво залежить від точності вимірювання товщини . Визначити мінімальну граничну температуру можна, якщо допустити, що зміна пропускання, при зміні температури на величину , є рівною зміні про-пускання зумовленої зміною товщини на величину . На основі виразу (4) одержуємо, що при зміні температури на величину

, (6)

а з іншого боку

. (7)

Порівнюючи показники експонент у виразах (6) та (7) та враховуючи (2) в кін-цевому результаті одержуємо, що мінімальне порогове значення температури, яке зумовлено просторовою неоднорідністю по товщині, буде визначатись з виразу

. (8)

Одержана залежність свідчить про те, що є термозалежним параметром. Залежність порогового значення температури для різних складів матеріалу сенсора на основі ХСН As-Se та вимірюваної температури представлено на рис. 3.

Рис. 3 Залежність мінімальної граничної температури від температури для різних складів термосенсора на основі стекол системи As-Se (довжина хвилі
λ=0,85 мкм, товщина 0,1 см, відносна зміна товщини 0,1); (нумерація кривих відповідно до рис. 1)

Як видно з цих результатів, , в приведеному температурному інтер-валі, не перевищує 1 градуса при відносній зміні товщини 0,1. Враховуючи пропорційність цього параметра відношенню , для зменшення мінімальної граничної температури необхідно забезпечувати максимальну точність товщи-ни термосенсора.

Література:

1. О.В. Козусенок, І.І. Туряниця. Визначення термочутливості сенсора волоконно-оптичного термометра. Науковий Вісник Ужгородського університету. Серія фізика. 19, 2006, с. 197–201.