SE435761B - Fiberoptiskt luminiscensmetdon - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 830-1629-5 Mätdonet enligt uppfinningen kännetecknas därav, att givaren består av minst tvâ fotoluminiscerande element, av vilka minst ett första är place- rat i ljusets strâlgång från fibern, helt eller delvis bakom ett andra element, att nämnda fysikaliska storhet är anordnad att påverka ljustrans- missionen mellan nämnda element samt att elektronikdelen innehåller minst två ljuskällor med skilda emissionsspektra, där emissionsspektra valts så relativt absorptions- och transmissionsspektra hos nämnda element, att nämnda ena ljuskälla i huvudsak endast exciterar ett av nämnda fotolumi- nisoerande element medan nämnda andra övriga ljuskällor åtminstone i huvudsak endast exciterar nämnda andra element. Detta mätdon innebär såle- des en lösning av ovan nämnda problem och ger möjlighet till nya sensor- principer.

Uppfinningen är närmare exemplifierad i bifogade figurer 1-15, där fig 1 visar hela mätsystemet, fig 2 dess spektrala samband, som gäller för opto- komponenterna i fig 1, fig 3-5 sensorer för förskjutningsmätning, fig 6 en sensor för vinkel- och varvtalsmätning, fig 7 en sensor för magnetfältsmät- ning, fig 8-9 sensorer för nivåmätning. Fig 10 visar spektra från lysdioder och sensorer för šensorerna enligt fig 8 och 9. Fig 11 visar en sensordel och fig 12 en givardel. Fig 13 visar en annan utformning av mätdonet och fig 1N och 15 en sensor med tillhörande spektrala samband.

I figur 1 visas hur ljuskällorna 3 och 7 belyser de luminiscerande sensor- elementen 30 och 31 via de optiska filtren 4 respektive B, de optiska för- greningarna 9 och 10, strâldelaren 11 och den optiska fibern 29. Luminiscens- ljus ledes tillbaka i den optiska fibern 29 och når_via förgreningarna 11 och 18 fotodetektorerna 20 och 24, försedda med de optiska filtren 19 respek- tive 23, Ljuskällorna frekvensmoduleras med hjälp av oscillatorerna 1 och 5 och detektorsignalerna frekvensdemoduleras av 22 och 26. För att ÄC-ljuset från ljuskällorna skall hållas lika i fiberna 29 kopplas en del ljus av organet 11 ut till detektorn 12, vars utsignal frekvensdemultiplexas av organen 1Ä och 15 för styrning av den varierbara förstärkaren 2 med hjälp av regulatorn 17 och skillnadsbildaren 16. Mätsignalen till instrumentet 28 erhålles genom kvot- bildning vid 27 av de demodulerade detektorsignalerna. Emissionsspektra hos ljuskällorna 3 och 7 är så valda relativt absorptionsspektra hos sensorele- menten 30 och 31, att elementet 30 exciteras av endast en av ljuskällorna och elementet 31 endast av de andra av ljuskällorna (eller i huvudsak av dessa). bärigenom kommer kvotbildningen att ge en mätsignal, som endast är beroende av transmissionen hos sensormaterialet. Elementen 30 och 31 ut- göres III-Y, II-VI, ternära eller kvartenära halvledare. 10 15 20 25 30 35 1, aso1s29-s Funktionen hos systemet i figur 1 framgår klarare vid betraktande av de speksralå sa-banden eniigt figur 2. när utgav 33 och 3u ljuskailornas 3 och 1 'I emissionsspektra, 36 och 39 transmissionsspektra för filtren 4 och 8, 31 och' 40 absorptionsspektra för sensorelementen 30 och 31, 35 och 42 lunini- scensspektra för sensorelementen 30 och 31 salt 38 ochy41 translissionsspektra för filtren 19 och 23. Då transmissionen hos sensormterialet 32 minskar, komer såväl excitationsljuset till såsom luminiscensljuset från elenentet 31 att .dämpas i högre utsträckning, med följden att kvoten mellan luminiscens- ljusstyrkorna från 31 och 30 minskar- Kvotbildningen garanterar oberoende av varierande dämpning i den optiska fibern och vâglängdskoncentrationen i giva- ren i kombination med de optiska filtren 19 och 23 oberoende av reflexeri det fiberoptiska systemet.

Ljustransmissionen mellan sensorelementen 30 och 31 kan moduleras av olika mätstorheter på ett stort antal sätt, vilket exemplifieras av figur 3-10.

Med givara-rrangemnget enligt figur 3 påverkas ljustrarzsmissionen mellan sensorelenenten 30 och 31 genom att en skärm 32 av mätstorheten fås att röra sig enligt pilen a ellan 30 och 31, eller att sensorelementet 31 rör sig enligt någon av pilarna b och c relativt den optiska fibern 29. De luninisce- rande elementen 30 och 31 är härf uppbyggda av epitaktiska halvledarlager 44, 45, 46 och 49, 48, 47, odlade på substrat i elementen 30 respektive, 31. 45 och 48 utgör de 'luminiscerande skikten, och i elementet 30 har substratet etsats bort för att detta ej skall blockera excitstionsljuset.

För att erhålla en mer kontrollerad och eventuellt parallell strâlgâng mellan elementen 30 och 31 kan ett linssystem introduceras enligt figur 4. Hed för- del kan s k selfoclinser 51 och 52 användas. I figur 5 visas ett alternativt linssystem där excitationsljuset från den optiska fibern 29 reflekteras av en dichroisk spegel 53 mot elementet 31. Spegeln 53, som kan vara ett inter- ferensfilter, transmitterar luminiscensljuset, varigenom dettanljus "måste reflekteras mot spegeln 54 för att koma in' i fibern 29. Genom detta arrange- mang komer således en horisontalförflyttning av spegeln 54 att kunna lodulera ljuset' vid 31's-luminiscensvåglângd. Naturligtvis år inte spegeln 53 Ilödvänd- dig, men då komer både excitations- och luminiscensljus hos 31 att moduleras av 54. ' x Om linserna 51 och 52 enligt figur 4 förses med raster 55 och 56 enligt figur 6 erhålles en vinkel- och/eller varvtalsgivare. Mellan 51 och 56 kan ett paral- lellt strålknippe erhållas, vilket ger möjlighet till hög rastertäthet, trots _ _, ?ÛUJw@““ 1% 10 15 20 25 30 35 8301629-5 ett relativt stort avstånd mellan linserna.

Sensorkonfigurationen enligt figur H kan enligt figur 7 även användas för magnetfältsmätning, varvid mellan linserna 51 och 52 placerats en polarisa- tor 57, ett magnetooptiskt material 59 (såsom en tunnfilm) och en analysa- tor 58. Det magnetooptiska materialet är företrädesvis av domäntyp, vilket har indikerats med nâgra utritade domäner 61 i figur 7.

En viktig tillämpning av den här beskrivna tekniken utgör fiberoptisk nivå- mätning.

Figur 8 visar ett exempel på ett sådant mätsystem. Lysdioderna 71 och 72 sänder ljus in i fibersystemet 73. Genom verkan av de optiska filtren TU och 75 filtreras oönskade våglängder bort ur lysdiodernas spektra. I sensorn 76 omvandlas det utsända ljuset till ljus av annan våglängd genom fotolumi- niscenseffekter. Figur 9 visar sensordelen mera i detalj. Ljuset infaller genom fibern 9D mot en sensordel 91, som har låg absorption för ljus av den våglängd, som lysdiod 72 emitterar, men hög absorption för ljus av den våg- -längd, som lysdiod 71 emitterar. Ett ljusledande organ i form av våglängds- - strukturen 93 förbinder sensordelen 91 och sensordelen 92. Sensordelen 92 har hög absorption för det ljus, som emitteras i lysdiod 72. Spektra från de bägge lysdioderna 71 och 72 och från de bägge luminiscerande sensordelarna 91 och 92 visas i figur 10, i vilken även transmissionskurvan T1 för sensor- delen 91 visas. Det ljus som emitteras från de bägge sensordelarna ledes ge- nom fibersystemet tillbaka till mätelektroniken och detekteras i detektor- delen 77. (Se figur 8.) Denna är uppbyggd av fiberförgreningen778, tvâ foto- dioder 79 och 80, eventuellt anordnade med optiska filter 81 och 82. Trans- missionskurvor T11 och T12 för dessa filter visas i figur 10. Lysdioderna 71 och 72 amplitudmoduleras med frekvenser f1 resp f2. I.figur 10 betyder Ä våglängd och I intensitet. Förstärkarna 83 och BÄ (se figur 8) arbetar fast- låsta till dessa frekvenser. Således genereras en elektrisk signal S1, vil- ken beror av luminiscensintensitet från sensordelen 91, och en signal S2, vilken på motsvarande sätt består av luminiscensintensiteten från sensordelen 92. När nivån kring sensorn har läge A enligt figur 9 antar kvoten S1/S2 ett visst givet värde. Detta värde-bestäms av egenskaperna hos de i systemet in- igående komponenterna men bibehålles konstant även vid varierande dämpning i systemet genom kvotbildningen av signalerna S1 och S2. Kvotens värde kan även anordnas oberoende av temperaturen genom lämplig matchning hos materialegen- skaperna hos sensordelarna 91 och 92. När nivån antar läget B enligt figur 9 10 15 20 25 30 35 530162945 ändras vågledaregenskaperna hos ett ljusledande organ i form av sensordelen 93 genom att brytningsindex för medierna över och under ytan ej sammanfaller.

Således ändras värdet av kvoten S1/S2. Denna kvot utgör således ett mått på om nivån överstiger nivån C enligt figur 9 eller ej.

För system baserade på optiska fibrer av multimodtyp är ovannämnda princip huvudsakligenlämpad för nivågivare av till/från-typ. Om fibrer eller vågledar- strukturer av monomodstyp i stället används kan kopplingen av ljus ut från sensordelen 93 noggrant styras. Således kan därvid mätsystemet avge en signal som kontinuerligt anger nivåns läge. Figur 11 visar sensordelen i ett sådant nivådon. Sensordelen 93 är här således en vågledarstruktur av monomodstyp.

Figur 12 visar givardelen i ett monostabilt utförande. Givaren består av ett GaAs-substrat 95, ett epitaktiskt lager 96 av AlX9Ga1_X9As, ett epitaktiskt lager 93 av A1x3Ga1_x3As, ett epitaktiskt lager 91 av AlX1Ga1_x1As samt ytter- ligare ett epitaktiskt lager 92 av A1x2Ga1_x2As. Dopningarna och Al-halterna i de ingående lagren väljes så att X9 antar det största värdet, vilket ger en vâgledareffekt vid vågledarens "inre" begränsningsyta. X3 väljes så att absorptionen av de i systemet transmitterade våglängderna är liten. Man väl- jer alltså X9 > X3 > X1 > X2. Sensordelarna 91 och 92 ges en dopning så att luminiscens alstras med god effektivitet i dessa delar. De härvid emitterade spektra kan ha utseende enligt figur 10.

Ett problem som kan uppkomma då ett mätdon enligt ovan beskrivet slag utnytt- jas för nivåmätning, exempelvis i olika vätskor, är att dessas hydrauliska och dielektriska egenskaper inverkar på mätdonets funktion och på dess kalib- rering. Det kan därför vara lämpligt att ge mätdonet en utformning enligt den princip som visas i figur 13. Gränsytan 100 anger här den nivå, som skall mätas. Sensordelarna 91, 92 och 93 med egenskaper som ovan beskrivits är inneslutna i en innerbehållare 101, i vilken synes en vätska 102. Denna vätskas egenskaper kan sålunda i denna utformning fritt väljas med lämpliga egenskaper. Ett membran 103 bestämmer genom sin utböjning volymen av behålla- ren 101. Membranets utböjning bestämmes av tryckdifferensen på dess bägge sidor, dvs av nivån 100. Genom tillämplig utformning av innerbehållarens 101 volym, membranets tjocklek och area, kan givaren ges lämpliga karakteristika för olika tillämpningar. * »4 Fig 14 och 15 visar en sensor med tillhörande spektrala samband för mätning av elektriska fält och spänningar. På samma sätt som i figur 3 består givaren G av de två luminiscenselementen 30 och 31, med de på substraten H3 och 50 på- ,,,,, . w.

Claims (13)

15 81301629-5 lagda epitaktiska skikten UU-46 resp U7-H9. Emellertid har elementet 30 ett 1 lagren ÄN-H6 uppetsat hål 113, genom vilket ljus utan att påverkas av 30 kan passera till elementet 31, som är identiskt med motsvarande element i figur 3. I stället för ett genomgående hål kan skikten UH och 45 etsas bort, medan skiktet H6 behålles. Mellan elementen 30 och 31 har en elektrooptisk modulator placerats, vilken utgöres av en polarisator 104, en glasskiva 105, en transparent elektrod 106, ett flytande kristallskikt 107, en transparent elektrod 108, en glasskiva 109 och en polarisator 110. Med hjälp av kontak- terna 111 och 112 kan spänningen U appliceras på elektroderna 105 och 103 för modulering av den flytande kristallens optiska egenskaper. 6 I figur 15 visas emissionsspektra 33 och 34 hos de båda ljuskällorna 3 och 7. I figur 15 betyder u ljusabsorption, L ljusemission och T ljustransmission medan A är våglängd. Ovanstående visade utföringsformer kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATENTKRAV . -;

1. Fiberoptískt mätdon för mätning av fysikaliska storheter, vilket inne- håller en givardel (G) och en elektronikenhet (E), förbundna medelst minst en optisk fiber (29), k'ä n n e t e c k n a t därav, att givaren (G) be- står av minst två fotoluminiscerande element (30, 31), av vilka minst ett första (31) är placerat i ljusets strålgång från fibern (29), helt eller delvis bakom ett andra element (30), att nämnda fysikaliska storhet är anord- nad att påverka ljustransmissionen mellan nämnda element (30, 31) samt att elektronikdelen (E) innehåller minst två ljuskällor (3, 7) med skilda emis- sionsspektra (33, 3ü), där emissionsspektra (33,-34) valts så relativt ab- sorptions- och transmissionsspektra (37, 40) hos nämnda element (30, 31), att nämnda ena ljuskälla (7) i huvudsak endast exciterar ett av nämnda foto- luminíscerande element (31), medan nämnda andra övriga ljuskällor (3) åt- minstone i huvudsak endast exciterar nämnda andra element (30). «- - ..,nnusnyiu~rmnn-~n-- samsas-s

2. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, klä n n e t e c k n a t. därav, att nämnda element (30, 31) utgöres av III¿V, II-VI, ternära eller kvartenära halvledare och att nämnda element är anordnade att ha skilda _transmissions- ochleller absorptionsspektra genom att minst ett av dessa förses med interferens- och/absorptionsfilter och/eller genom_att nämnda element i minst en del av strålgången utgöres av halvledarmaterial med olika bandgap.

3. :Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t _ därav, att nämnda element (30, 31) i strålgången har skilda bandgap och att dessa väljes så, att det element (30), som befinner sig närmast den optiska fiberns (29) ände, har ett större.bandgap än det element (31), som befinner sig näst närmast den optiska fiberns (29) ände, vilket i sin tur har större handgap än nästa element etc, vilket t ex kan åstadkommas i ett Ga*A11_xAs- system genom att ha högre Al-halt ju närmare elementen befinner sig i den -øptiska flberns ände (29). _ i

4. }f Eiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä'n n e t e-c k n a t därav, att excitationsljus från nämnda ljuskällor (3, H) är anordnat att _ avkânnas av en fotodetektor (12), kopplad till en regulator (17) för styr- ning av ljuskällorna (3, 7), så att förhållandet mellan dessas ljusinten- sitet kan styras, samt att signalerna från detektorn (detektorerna) (20, 2ß) härrörande från fotoluminiscensen i givaren vid olika excitationsljusl(33, , 34), påföres ett beräkningsorgan för t ex kvotbildning (27) eller en regu- flator för styrning av ljuskällorna eller i elektronikenheten (E) ingående'_ förstärkare (21, 25) för dennas detektorer.

5. I Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav Å, k ä n n e t e c k n a t 'därav, att ljuskällorna (3, 7) utgöres av lys- och/eller laserdioder, och _ att dessa tids- och/eller frekvensmultiplexas (1, 5). att ljuskällorna (3, 7) förses med optiska filter av interferenstyp för att blockera ljus i det våglängdsomrâde, som fotoluminiscens förekommer i, samt att detektorn (detek- torerna) (20, 2Å) förses med optiska filter för att blockera ljus i det våg-_ längdsområde där exöitationsljuset förekommer. "" v"

6. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e e k n a t därav, att nämnda sensorelement (30, 31) består av epitaktiska skikt (Åh, 45, H6, 47, NB, 49),.od1ade på substrat (30, 50), och att de fotolminisce- rande skikten (H5, 48) ómges av skikt (Åh, Ä6 resp Å7, 49) med gitteranpass- ning och större bandgap. &301629-5" ' '

7. 7. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att sensorelementet (30) närmast fiberns (29) ände till åtmistone en del (113) ej befinner sig i strâlgången utan släpper förbi ljus till bakomliggande element (31).

8. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 6 och 7, k ä n n e t e c k-n a t därav, att nämnda del (113) erhålles genom bortetsning av substratet (H3) och minst två av de epitaktiska skikten (ÅR, 45), där det ena utgör filter- Skikb (44) och det andra det luminiscerande skiktet (H5).

9. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett linssystem (51, 52) är anordnat att införas mellan nämnda element (30, 31) för att i minst en del av strålgången mellan elementen erhålla större parallellitet hos ljuset än vad som råder vid ljusutträdet ur fibern (29).

10. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 9, k ä n n e t e ork n a t därav, att nämnda fysikaliska storheter är anordnade att påverka ljuatrans- missionen i den del av strålgången, där mer eller mindre parallellitet hos ljuset föreligger.

11. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett interferensfilter (53) är placerat i den del av strâlgången, där mer eller mindre parallellt ljus föreligger.

12. Fiberoptiskt mätdon enligt något av patentkraven 9-11, k ä n n e - t e c k n a t därav, att nämnda linssystem utgöres av en eller flera s k SELFOC-linser.

13. Fiberoptiskt mätdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e Q k n a t därav, att nämnda ljustransmission mellan nämnda element (30, 31) är anord- nad att påverkas av nämnda fysikaliska storhet, genom att nämnda fysikaliska storhet är anordnad att modulera en skärms (32) läge (figur 3) eller två rasters relativa läge mellan elementen (30, 31) eller avståndet, vinkein; det mot strålgångens vinkelräta relativa läget och/eller den relativa vrid- ningsvinkeln (figur 6) mellan,elementen (30, 31) och/eller avståndet mellan elementen (30, 31) eller en spegel (SN, figur 5). 6111111529-5 111./ Iiberoptfekt eltden enligt petentkrev 1, k I n n e t e c k n e t dlrev, ett nlende ljuetreneeieeim :ellen nlmde element-BO) lr enordneó _ ettfeoduleree ev en eegnetoeptiek (59) eller elektrooptiekt (107) låfllßdlf- letor (figur 7, 111), 15,, 'nnei-nptmt netann annu pennan-ev 111, u e n n. e t en' en n t dlrev, ett nlende eoduletor lr pelerieetionevridende och lr töreedd ned i- etrllglngen plecerede ljuepolerieeterer (51. 58 re!!! IN. 110) Pi 5190 , - eidorpe eJllve eeduletorn (S9 reep 107). __ 15,» rlunnnptinut netann enligt petnntm-ev 15, 1: e n n: e 1-.1 (n une t ' *aan-nv, ett nunnan nnaumnrer utnønn ev enn-tm; tunnfnn (se) :en unne- ziiiin annener (61) ene»- nv en flytnnan kram: 1101).' '17 . I 'fiberøptiekt eltden enligt petentkrev 1, 'k I n n e- t e e* I: n e t nepiy, ett namn nunnan rntnlueinmennan elennnt (so, 311 plenum ett låüeledende ereen (93), vere ljuetreneeleeien lr enerdned' ettïeeduleree» ev nunnan ryumanu nam-nns. i ' 118,' rlnnrnptmc namn ennnt nnteneum 11. k e n n'e 't e en e t ' dllrev", ett nlende neduletion lr enerdned ett erhlllee einen defernerin; ev nllende lJueledere. ' I - “ _19, rlnmptinut eetann enligt netentsn-nv 11. 1: e n nn e n Ju n n t ' dlrev, ett nlende eedulerin; lr enerdned ett erhlllee eenee ett- Iediu- eed ett. ler eller eindre-vlldefinieret brytningelnde: bringee i lçentekt_ ned ~ nllnde lJueledere för utkopplin; ev lJue frin denne. ' aoj. Jzbnrnpunut elunn enligt nntnnturnv 19, u e n n e 11:16' 'enn n) t n dltïev, ett nllnde lJueledere (93) uteür en nivldektektor, varvid» det eediue, hoe vrflilket nivln ekell eltee, direkt envlnde för utkepplin; ev' lige frin lJuelederen eller vervid dette eediu vie ett eeebren (103) får plferke 'ett inneelutet eediue (102) led uppgift ett Qenoe kontekt led ljuelederen (93) keeple ut lJue ur denne. i - i ' I i ' 21.' rlunrnptanut neunn nnuit petnntmv 19, 'u I n n e t ._ n' nine 11-.) dlreü, ett låuelederen utpßree ev en vlgledere integrered pl eflepterhet een nlende fetelminiecerende' eleeent (figur 12). n v _ J ._ I .. . m......... , «