SE426345B - Fiberoptiskt metdon for metning av fysikaliska och/eller kemiska storheter, baserat pa sensormaterial med en olinjer ljus in/ljus ut karakteristik - Google Patents

Description

15 20 25 BO 8103100-7 Uppfinningen igår ut på en lösning av dessa och andra härmed sammanhängande problem och mätdonet enligt uppfinningen kännetecknæ därav, att nämnda I sensorelement har ett icke-linjärt samband mellan ljusintensiteten hos det det ljus, som faller in mot sensorn och ljusintensiteten hos det ljus, som utgår från sensorn. Nämnda ljuslälla/ljuskällor äranordnade att sända ljus med minst två., inbördes olika ljusnivåer, och samtidigt är nämnda detektor/ detektorer anordnade att uppmäta de" från sensorn kommande ljussignalerna. ° Man erhåller härvid ett i vad avser de spektrala egenskapen hos optoelektro- niken i huvudsak stabiliserat mätvärde. Man utnyttjar således här ett sensor- material med olinjär ljus in/ljus ut karakteristik för mätning av fysikaliska storheter. Olinjäriteten bestämmas av den yttre parameter som skall mätas och mätdonet möjliggör en generell mätmetod, som kan tillämpas på. en godtycklig optisk egenskap, t ex absorption; reflexion eller luminisoens. Ett exempel där luminiscens i Zns, Ag, Ni utnyttjas ger stora fördelar i jämförelse med tidigare kända anordningar, främst ett väsentligt enklare optiksystem.

Fig 1 visar teknikens ståndpunkt som generellt beskrivas ovan. Fig 2 visar optoelektronik med amplituduppdelning enligt uppfinningen. Den olinjära Icaralsteristiken för sensor-materialet visas i fig 3 och i fig 4 visas nödvän- diga styrhetsar för lysdiod och mätknetsar för fotodiod. I fig 5 visas en anordning med frekvensmltiplexing och i' fig 6 visas ett energinivådiagram för ett halvledarmaterial med dopämnen. Fig 7 visar schematiskt sambandet mellan luminiscensintensitet och excitationstäthet. Fig 8 visar ett exempel på olinjämitet, aa- aenna utgöres av en styckvis linjer nmktion.

Uppfinningar: innefattar som nämnts en mätapparatur för mätning av fysika- liska ooh/eller kemiska storheter. Det är känt från tidigare publikationer att bygga upp en fiberoptisk mätapparatur enligt fig 1, där mätstorheten i fråga påverkar ett sensomaterial (1), varvid en absorptionskants eller en linníniscenstopps spektrala läge och form ändras. Dessa. förändringar detekte- ras genom att ljus från en lysdiod 11 sändes via en optisk fiber 5, förgre- ningen 3 och den optiska fibern 2 till en sensor 1 inom en givare G, och genom att det från sensorn utgående ljuset ledes via fibern 2, förgreningen 3, fibern 6, färg-reningen 4 och fibrerna 7 ooh 8 till de optiska filtren 9 och 10 och fotodioderna 12 och 13 för spektralezxalys. Fotodiodströmmarna. förstärks i förstärkare 15 och 16, och efter kvotbildning i kvotbildaren 17 erhålles en mätsigml, som är kompenserad för varierande dämpning hos fibern 2. Denna kompenserade mätsigxaal påföres ett visande eller registrerande instrument 18. f 10 15 20 25 50 8103100-7 Problem hos det optoelektriska mätsystemet enligt fig 1 bl a. temperatur- beroendet hos lysdiodens, filtrens och fotodiodernae spektrala egenskaper.

I hittills kända konstruktioner måste en eller flera av dessa komponenter noga temperaturstabiliseras .

Föreliggande uppfinning anvisar en mätapparat, med vilken dessa praktiska problem undanröjes, samtidigt som ett enklare fiberoptiksystem erhålles. I apparaten enligt fig 1 kompenseras mätsignalen för varierande fiberdämpning genom att man gör en kvotbildning av signalen i två., ej identiska våglängde- områden, inom vilka. sensorn påverkas i olika hög grad av mätstorheten. I stället för denna spektraluppdelning göres i föreliggande uppfinning en amplituduppdelning, varigenom de spektrala. egenskaperna hos optoelektroniken blir av underordnad betydelse.

I fig 2 visas optoelektroniken enligt uppfinningen för ett system med ampli- tuduppdelning: En icke temperaturstabiliserad lysdiod 11 drives omväxlande med två. injek- tionsströmmar i och oéi. Motsvarande emissionsljus kopplas via fibern 5, förgreningen 3 och fibern 2 till sensorn 1. Det från sensorn kommande ljuset leds via fibern 2, förgreningen 5 och fibern 6 till fotodioden 12, som såle- des känner av ljuset från sensorn vid de två olika ljusnivåerxxa från lysdio- den 11.

I de fall, då den fysikaliska effekten som utnyttjas i sensormaterialet, är fotolunziniscens, kan det vara fördelaktigt att anordna lysdioden med ett optiskt filter, vilket blockerar eventuell ljusemission från lysdioden inden del av spektrum, där sensor-materialet luminisoerar. Även detektorn kan anord- nas med ett optiskt filter, som blockerar strålning i det våglängdsintervall, där lysdioden emitterar. Kraven på reprodueerbarhet vid tillverkningen av dessa filter, samt på deras stabilitet i vad beträffar de optiska egenska- perna, är dock mycket små. i jämförelse med tidigare känd mätapparatur där spektralanalys utnyttjas.

I det följande ges en mer detaljerad beskrivning av sensor-ne funktion och funktionen hos elektronikenheterrza 19 och 20.

För mätdonet enligt uppfinningen kan ett eensorxnaterial användas, som har en olinjär karakteristik enligt fig 5. Intensiteten hos ljuset, som kommer tillbaka från sensorn, Iu, förutsättes därvid ha formen 10 15 20 ss1os1noé7 n Iu g (Ii) där Ii är det mot sensorn infallande ljuset. Exponenten n är beroende av i mätstorheten enligt sambandet An = f(m) där An är ändringen av n, m mätstorhetens -väL-cde och f det funlctionssamband som gäller mellan m och n.

Antag att. lysdioden 11 enligt fig 2 omväxlande drivas med strömmarna. i och di, dä: oá är en konstant >O. Om lysdiodens ström/ljusintensitets-verk- ningsgrad är Il 1, inkopplingsverlcrfingsgraden mellan lysdiod och fiber ha, dämpníngen i fibern 5 är ds, i förgreningen 5 dö och i fibern 2 62, erhålles följande värden på ljusintensiteterna. Im och Iiz i fig 5: Iznsyh.ïl2.¿5.<15.¿2.i.1<1.1 Ii2=fl1°Q2 ° å; 1 (15 ~ 5.2 -OÉ- i=k1'O(-ri Om inkopplingsverhxingsgraden från sensorn till fibern 2 är Ib, dämpningen i fibern 6 är d6 och verkningsgraden ljus/ström i fotodioden är 114 erhålles följande värden på fotodiodström LE: ís1=ïl5'd2'ä3'd6"?4'Iu1'=k2'Iu1 imfiflfdz'd3"16°74'Iu2=k2'Iu2 där Iu är ljuset ut från sensorn.

Med angivna. fiznktionssamband i sensorn erhålles följande samband mellan lys- diods- och fotodiodsströmmar: . . “1 “1 .'“1 *m1 ° 2Ü°1 ' 1) “ kzaä) ' (I) 1R=n@-«-J“=¿nF-ofP<@“ 10 15 20 25 8103100-7 Genom att bilda kvoten K mellan iFz och in erhålles i n 1-12 1 x=--- (aa) 11-1 Då K mätas, oi, n och f är kända, kan m berälcnas: 1 m = f"1('<'logK - n1) Om °<= e erhålles -1 m= f (ln K - 111) Således erhålles ett uttryck för mätstorheten, som är oberoende av de insta- bila. parametrarna 121, IIZ, dä, dä, da, 113, ds och 714., Nödvändiga styr-kretsar för lysdioden och mätkretsar för fotodioden kan ut- föras på ett flertal olika. sätt, varav ett sätt visas i fig 4. En oscillator 28 kopplar med hjälp av inverteraren 27 och de analoga switcharna 24 och 25 omväxlande in referensvärdena. H2 resp H1 till lysdiodens 11 strömregulator.

Iwsdiodsströmmen mäts över motståndet R av förstärkaren 21 och jämförs i 23 med U , alternativt H1, och skillnadssigzialen från 25 styr regulatorn 22 2 som matar lysdioden 11. H2 och H1 'ges av: 'Hz-UG R 2 U =*"~"~'U 1 R1V+R2 0 Signalen från fotodioden 12 förstärks i 29>och kopplas växelvis av de arxa- loga switcharna 50 och 51 till S & H-kretsarna 33 och 34. 53 kopplas in vid + R den lägre lysdiodsströmen i och 34 vid eci. (eç: 1R 2 från 33 och 34 kvotbildas i 55 och i 56 beräknas m, avzvilket värdet på- ). Utsigxaalerna föres 18.

I stället för tidsmultiplexing av de tvâ strömmarna i och eCi genom lys- dioden 11 kan frekvensmultiplexing göras enligt fig 5. Lysdiodselektroniken är identisk med den i fig 4, så. när som på att de analoga switoharna 24 och 25 i stället styrs från var sin oscillator med centerfrekvenaerna f1 och fe.

På mottagarsidan delas detektorsigzzalen upp i de två modulationsfrekvenserna 10 15 20 8103100-7 f1 och fa, och efter likriktníng i 41 resp 42 och lågpassfiltrering i 45 resp 44 erhålles de mot i och :Li svarande detektorsigxzalerna, ”och efter kvotbildning i 55 och berälmirxg av m i 36 erhålles mätvärdet i instrumentet 18.

I de fall olinjäriteten i sensorn inte är av formen Iu = (Ii)n måste en mer sofistikerad utvärderingselektronik än kvotbildaren 55 användas och ljuskällan kan behöva köras vid mer än två. ljusintensiteter. Ett exempel på. detta visas i fig 8, där olinjäriteten ntgöres av en styckvis linjär funk- tion med tre linjära områden: I: Iu = 0,5 Ii II: Iu = 5 Ii - 4,5 Im III: Iu = 0,5» Ii - 4,5 101 + 4,51” Följande 'berälmingar visar att det är möjligt att utrxyttja en styckvis lin- jär funktion med tre områden för att eliminera de okända mätsystemsparamet- rarna 1:1 och 1:2: IF IF=k2~Iu;Iu==-É-2- StyckeI: I F --=O5k-:L 1:2 ' 1 I 2K _ l . i-l k1.1\2=2-i=2 KI->1ç1 ka där KI utgör lutningen hos IFü) Stycke II: H l=51<1.- 1-45101 2 10 8103100-7 7 I 2KI F š=5.š-'i-4I5Io1 I :NJKI-i-IF o1 4,51% Stycke III: IF 2 ïš= 4,5 I11- 4,5 I01+ 0,5 ~ q ~ i KI-i-IF 11 ” 4,5 kg I-I 01 Bilda. kvoten med uttrycket för Im: (f .i_,-1 )-k . II.. F 2 101 ' 111 a Iz: 101 ka . uoxï . in - xFII) - 1 - 1 ii _ 1 KI m Fm I ' " 1o - i - I 01 KI I: FH Im och 111 är brytpunkztema. för den heldragna lcurvan i fig 8. Om den aktuella mätstorheten ändras kommer 101 och 102 att ändras så att det lin- jära området II förskjutes parallellt i I i-led, vilket visas med den streckade kurvan. Fortfarande gäller samma ekvationer för linjesegznenten och enda skillnaden är, att Im och IH övergår till Ioz och Im. Således är kvoten I. .. I I -Lå 75 -u- och uttrycket ovan för l utgör ett av k och k oberoende Ioz Im ïox 1 2 värde på mätstorheten .

I .

Beräkningen av fläc- görs lämpligen med en mikrodator eller en skräddarsydd OX processor för ökad snabbhet. Mätproceduren blir således den följande: y1o 15 20 50 8103100-7 1. Lagra IF(i) i ett digitalt minne med för mätnoggrannhetskraven till- räcklig upplösning. Detta görs genom att t ex generera en strömramp till ljuskällan samtidigt som detektorsignalen mätes och läses in till minnet. 2. Bearbeta den lagrade informationen genom att först beräkna lutningen för IF(i)' i styckel, dvs framtagning av KI. 5. Beräkna 1 stycke II (1oxï - i - IF) = A. . 4. sexan-a. i stycke III (KI - i - IF) = B.

I 5. Beräkna-ífl-= 1 flå . 01 För att utnyttja informationen i de lagrade olinjäritetssambanden så mycket som möjligt görs medelvärdesbildningar vid beräkningen av Kï, A och IB.

Således kan man lätt visa att en styckvis linjär sensorfunktion med tre eller flera linjära stycken kan användas för kompensering av 'de okända. parametrarna 1:1 och ka. Om sensorn utformas på. ett sådant sätt att olika mätstorheter påverkar olika delar av olinjäriteten kan flera mätstorheter mätas samtidigt, vilket är viktigt då man t ex vill kompensera en givar- signal för temperaturens inverkan på givaren.

Resultatet från analysen med en styckvis linjär funktion kan generaliseras ' till andra olinjära funktioner, varför det här beskrivna mätdonet utgör en kraftfull apparatur för mätning av fysikaliska och kemiska storheter med hjälp av olinjära fysikaliska och kemiska samband.

Icke-linjära effekter, där olinjäriteten beror av någon yttre parameter, kan uppnås i t ex halvledarmaterial på ett Eflertal olika sätt. Nedan ges ett exempel på ett system där olinjäritet i fotoluminiscensexcitationskurvan utnyttjas för mätning av temperatur. I fig 6 visas ett energinivådiagram för ett halvledarrnaterial. innehållande som dominerande dopämnen två typer av störcentra, dels centra med koncentration NTZ över vilka rekombinationen sker icke-strålande, dels centra med koncentration Nm över vilka rekombina- tionen sker under utsändande av ljus. Det förutsätts att störställena m resp NTZ utgör de dominerande rekombinationsvägarna för överskottsladdnings- bärare . 10 15 8103100-7 Antag att dopämnen och dopkoncentrationer väljas så att “we = “m1 c na >> cm (infångningstvärsnitt) C =C P2 P1 Pm 2 “m2 >> ”Te “fr1f-NT1 >> Pan “m1 = P-:vz Pm = Nm ' “m1 = “m2 ' Pmz = “m2 Vid låga. excitationstätheter sker mzvudäelen :w rekombinationen över NTz och det gäller Fr-E-f-Dt C112'^n'1°¶2“1n2'%2+°p2-'%2'AP t z ena '“fr2 ena 'Pm av Cne-plrz ”Cnz-NTz _) A112 *Iidareär A+B=C P1'Pfr1*°n1'1":c1'^n”°p1'^1°'”f21 t t 6 I 6 Ip _, ópfialïlfiflLïf-l p1 "m1 P1 m Men U c: D för fallet låg excitationstäthet 'èU=cp2'nT2' AP 10 15 8103100-7 10 à U = U :eg ' Pm “pa " “Ta ”pa ' Pm °p1 ' Nm C N " 2 1 T1 =EH;---;-U <1> p e p1 Luminiscensintensiteten ges av t e C N n2 _21 T1 A = C o . An= C ø . . --- . U' m 9111 m eng-NW cpa e p1 t t -. ___fm_fr1..í'rl.°fl2_u,im.en2_u (n) i cn2G2NT2et CnZet p p1 p1 Vid låga värden på excitationstätheten ökar alltså luminiscensintensiteten linjärt med excitationsintensiteten.

Från (I) följer att pT1~ Omkring excitationstätheten Uo flyttas huvuddelen av rekcmbinationen över till nivå 1. Därefter sker rekombirlationen över 1 och ett linjärt samband (A = U) erhålles återigen mellan A och U.

Fig 7 visar schematiskt sambandet mellan luminíscensintensitet och excita- t icnstäthet .

U 0 ges ajpproximativt av (om C antas temperaturoberoende). p2

Claims (10)

8105100-7 11 Genom denna mekanism fås alltså ett icke-linjärt samband mellan luminísoens- intensitet ooh exoitationsintensitet. Detta icke-linjära beroende varierar med provets temperatur och kan alltså utnyttjas för temperaturmätning. Uppfinningen som ovan exemplifierats kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATÉIITIQX f'

1. Mätdon för mätning av fysikaliska och/eller kemiska storheter, inne- fattande en givare (G) och en utvärderíngselelztronil: (U), förbundna med minst en ljusledanríe fiber 'varvid nämnda utvärderingselektronik (lf) innehåller en eller flera ljuskällor (11) för sändning av ljus via nämnda fiber/fibrer (2) till minst ett sensorelenent (“~), 'oelPiget inämnda givare (G), och där nämnda utvärdering-selektronik (U) även innehåller en eller flera ljusdetektorer (12) för detektæ ing av ljus från nämnda sensorelement, k ä n n e t e c k n a t därav, attt nämnda senscrelement (1) har ett ich.- lixziärt saxabend mellan ljïzsintensiteten hos det lins, som faller in mot sensorn (1)- ooh ljusintensiteten ”zzos det ljus. som utgår från sensorn, samt att nâlvmda "lfiuskälla-.fljuskåâJlor (11) anordnade att síirlda ljus med minst tvi, inbördes o” ilca. ljussnivåer, och att samtidigt nämnda »íetektor/qíeteïctorer anordnade att ilpprníita de från :sensorn ( 1) kommande ljussignalerna, och ett i vad avser de spektrala egenskaperna hos optoelektroniken i huvudsak rztabiliserat nätvärde erhålles.

2. Flíitdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c 1-2 n a t därav, att riälunda olinjäritet ges smbandet Iu = (lift, där Ii är intensiteten hos det mot sensorn infallande ljuset, n är ett reellt tal, som påverkas av mätstorheten, och Iu intensisteten hos det sensorn utgående ljuset.

3. 23. Eíätdon enligt patentkrav 1, E: ä. n n e t e c k n a t därav, att ljuskälla. (11) är på i och för* sig 'särxt sätt anorlnad att exciteras med. två skilda. effekter, och att de mot dessa. effekter svar-arne sensor-- si¿«,nal<.~rr1:i :mordnade att en '. rot-hinkar: (JS) i utvärdering-a- elektroniken (U) för erhållande av :tnïtsig-nalen.

4. ï-ilitdon enligt patentkrav ö, L: ä. n n e t e c I: n a. t därav, att de två. skilda eiïfektmatningarna och motsvarande ttppxrätxlixzgar av detektor- sigrxalezna är :mordnade att på laänt sätt utföras medelst tids- eller fzrekvensmultiplexinß - ._ _ _. __... . ...___ .-.a .__....l........_.__._..~ 8103100-7 12

5. Mätdon enligt patentlcrav 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att nämnda. olinjäritet kan approximeras med en styckvis linjär funktion, vilken' besitter tre eller fler linjära delområden, där närliggande områden har olika derivata hos sina resp linjära funktionssamband. '

6. Mätdon enligt patentlaav 5, 'k ä, n n e t e c k n a t därav, att olika nätstorheter är anordnade att påverka olika delar av nämnda olinjäritetf, varigenom flera mätstorheter samtidigt kan mätas.

7. Mätdon enlig-t patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att ljus- sigxxalen från sensorn/sensorerna (1) är anordnad att uppmätas för tre eller 7 fler ljuseffekter hos ljuskällan (11), och att »utvärderingselektroniken (U) innehåller berälmingselektronik för framtagning av parametrar i detolinjära sambandet mellan ljuseffekt från ljuskällan och detektorsigrxal, och för be- räkning av mätvärden ur dessa parametrar.

8. Mätdon enligt patentlcav 5, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det olinjära sambandet mellan ljuseffekt från ljuskällan (11) och detektorsigxlal är anordnat att läsas in i ett elektroniskt minne i utvärderingselelctroniken och att jämföras med en eller flera lagrade referensolinjäriteter för beräk- ning av mätvärde (-n).

9. Mätdon enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a t där-av, att det olinjâra sambandet är anordnat att erhållas i ett halvledarmaterial med olinjär ljusabsorption eller fotoluminiscens, där olinjäriteter erhålles genom utnyttjande av indopade störcentra och/eller yteffekter.

10. Mätdon enligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a t därav, att det olinjära sambandet anordnat att erhållas* i en elektrisk krets, kopplad mellan en fotodiod och en lysdiod i givaren