Thiết bị đo nhiệt độ (và nhiều hơn nữa) với ánh sáng
Trong gần một thế kỷ, công cụ lựa chọn cho phép đo nhiệt độ chính xác trong phạm vi liên quan đến sản xuất và các ứng dụng y sinh (-190 ° C đến 962 ° C) là nhiệt kế kháng bạch kim tiêu chuẩn (SPRT). Thật vậy, trong Quy mô Nhiệt độ Quốc tế năm 1990, Văn phòng Trọng lượng và Đo lường Quốc tế quy định một SPRT là thiết bị có thẩm quyền cho các phép đo trong phạm vi đó.
Nhưng nếu một dự án tập trung vào Nhóm đo nhiệt động lực học của PML thành công, NIST sẽ có thể cung cấp hỗ trợ đo lường cho một thế hệ cảm biến nhiệt độ quang tử mới mang lại nhiều lợi ích tiềm năng cho SPRT đáng kính, bao gồm chi phí thấp hơn, chế tạo dễ dàng hơn. yêu cầu, xây dựng gồ ghề và khoan dung đối với điều kiện khắc nghiệt, kích thước nhỏ, khả năng chống nhiễu điện từ (EM) và từ xa từ xa. Ngoài ra, các cảm biến quang tử dễ dàng thích ứng với các phép đo áp suất và độ ẩm.
Gần đây, dự án đã tạo ra một mẫu thử nghiệm nguyên mẫu đầu tiên của một nhiệt kế cộng hưởng vòng (xem bên dưới) với độ chính xác tương đương với một SPRT. Nghiên cứu tiếp theo, nhóm hy vọng, sẽ dẫn đến một trật tự cải thiện độ lớn khác, và quan trọng hơn là thiết lập các thiết bị cảm biến quang học như là một kế thừa khả thi cho các tiêu chuẩn hiện hành.
"Đó là một sự khởi đầu triệt để từ công nghệ được thành lập", trưởng nhóm Greg Strouse nói. "Trong tương lai gần, chúng tôi muốn chuyển từ nhiệt kế dựa trên điện áp sang quang phổ. Nhưng mục tiêu dài hạn là đo lường nhiệt động lực học trên một con chip."
SPRT hoạt động vì mối quan hệ tốt giữa nhiệt độ và điện trở trong dây dẫn bạch kim. Tuy nhiên, các thiết bị này rất mỏng manh và yêu cầu các kết nối điện - các đặc tính khiến chúng không phù hợp với nhiều mục đích chính. "Các ngành công nghiệp dầu khí không muốn đặt một SPRT 5.000 đô la xuống giếng, và họ không muốn một tia lửa điện", thành viên dự án Zeeshan Ahmed thuộc Ban Khoa học Cảm biến cho biết. "Và có rất nhiều ứng dụng trong giám sát cơ sở hạ tầng dân sự, hàng không vũ trụ, viễn thông và sản xuất mà đo lường dựa trên điện áp không thực sự phù hợp."
góc nhìn mở rộng của đầu dò
Close-up của lời khuyên thăm dò cho thí nghiệm cộng hưởng vòng.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các thành viên của Viện Lượng tử Chung tại Đại học Maryland, đang tiến hành các giai đoạn đồng thời trên hai loại thiết bị quang tử khác nhau. Người đầu tiên sử dụng các chất xơ Bragg (FBGs), các cấu trúc nhỏ xíu tạo ra trục bên trong sợi quang bằng cách thay đổi cục bộ cấu trúc sợi như tạo các lớp vật liệu xen kẽ với chỉ số khúc xạ khác nhau. FBG phản ánh bước sóng nhất định trong khi cho phép tất cả những người khác vượt qua.
Khi nhiệt độ xung quanh một thay đổi FBG, nó ảnh hưởng đến tính chất quang của thiết bị, do đó thay đổi bước sóng nó phản ánh. Tương tự, thay đổi áp suất gây ra thay đổi kích thước trong lưới, làm thay đổi các đặc tính quang học của nó. Do đó FBG có thể được sử dụng như các máy dò nhạy cảm về nhiệt độ và áp suất.
"Sợi xơ Bragg chúng tôi có không chính xác như nhiệt kế cộng hưởng vòng," Ahmed nói, "nhưng nó nhẹ, không nhiễu EM, về cơ bản thụ động, và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt nơi công nghệ hiện tại sẽ không tồn tại. tạo ra một nền tảng chung cho các thiết bị và phát triển một tiêu chuẩn hiệu chuẩn, tất cả những gì bạn cần làm là thay đổi đầu cảm biến để đo áp suất và nhiệt độ. "
"Có lẽ," Strouse nói, "nó có thể được tích hợp vào sản xuất các thành phần khung máy bay như cánh để họ có thể đo các loại thông số chính tốt hơn. Hoặc có thể được sử dụng trong giám sát cơ sở hạ tầng ứng suất, hoặc thay đổi nhiệt độ trong quá trình đóng rắn Ngoài độ chính xác cao hơn so với các thiết bị hiện tại, có những ưu điểm khác - chẳng hạn như khả năng tín hiệu ghép kênh, không dễ thực hiện với các phép đo điện. "
Loại cảm biến thứ hai được khảo sát trong dự án dựa trên một bộ cộng hưởng vòng: một vòng khép kín của ống dẫn sóng phản xạ toàn bộ, khoảng bán kính 10 micromet, được đặt cạnh - nhưng cách xa 100 nanomet đến 200 nm - quang chính chất xơ. Bộ cộng hưởng sẽ thu nhận hoặc "hấp thụ" các bước sóng truyền sợi quang từ nguồn laser nếu các bước sóng cộng hưởng với các đặc tính quang học và kích thước của vòng lặp. Do nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính và kích thước đó, thiết bị có thể hoạt động như một cảm biến nhiệt độ.
\\ elwood
Thiết bị thí nghiệm cho thí nghiệm cộng hưởng vòng.
"Đó là phép đo nhiệt độ nguyên tắc đầu tiên", Strouse nói, "đo lường cách chuyển động của Brown thay đổi và điều chỉnh các bước sóng đi qua." Hiệu quả đã được quan sát bởi một vài nhóm nghiên cứu khác. Nhưng đánh giá sự phù hợp của nó như là cả một nhiệt kế công nghiệp và tham khảo là một quá trình lâu dài và siêng năng. Dự án PML sẽ phải xác định cấu hình tối ưu và
Nhưng nếu một dự án tập trung vào Nhóm đo nhiệt động lực học của PML thành công, NIST sẽ có thể cung cấp hỗ trợ đo lường cho một thế hệ cảm biến nhiệt độ quang tử mới mang lại nhiều lợi ích tiềm năng cho SPRT đáng kính, bao gồm chi phí thấp hơn, chế tạo dễ dàng hơn. yêu cầu, xây dựng gồ ghề và khoan dung đối với điều kiện khắc nghiệt, kích thước nhỏ, khả năng chống nhiễu điện từ (EM) và từ xa từ xa. Ngoài ra, các cảm biến quang tử dễ dàng thích ứng với các phép đo áp suất và độ ẩm.
Gần đây, dự án đã tạo ra một mẫu thử nghiệm nguyên mẫu đầu tiên của một nhiệt kế cộng hưởng vòng (xem bên dưới) với độ chính xác tương đương với một SPRT. Nghiên cứu tiếp theo, nhóm hy vọng, sẽ dẫn đến một trật tự cải thiện độ lớn khác, và quan trọng hơn là thiết lập các thiết bị cảm biến quang học như là một kế thừa khả thi cho các tiêu chuẩn hiện hành.
"Đó là một sự khởi đầu triệt để từ công nghệ được thành lập", trưởng nhóm Greg Strouse nói. "Trong tương lai gần, chúng tôi muốn chuyển từ nhiệt kế dựa trên điện áp sang quang phổ. Nhưng mục tiêu dài hạn là đo lường nhiệt động lực học trên một con chip."
SPRT hoạt động vì mối quan hệ tốt giữa nhiệt độ và điện trở trong dây dẫn bạch kim. Tuy nhiên, các thiết bị này rất mỏng manh và yêu cầu các kết nối điện - các đặc tính khiến chúng không phù hợp với nhiều mục đích chính. "Các ngành công nghiệp dầu khí không muốn đặt một SPRT 5.000 đô la xuống giếng, và họ không muốn một tia lửa điện", thành viên dự án Zeeshan Ahmed thuộc Ban Khoa học Cảm biến cho biết. "Và có rất nhiều ứng dụng trong giám sát cơ sở hạ tầng dân sự, hàng không vũ trụ, viễn thông và sản xuất mà đo lường dựa trên điện áp không thực sự phù hợp."
góc nhìn mở rộng của đầu dò
Close-up của lời khuyên thăm dò cho thí nghiệm cộng hưởng vòng.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm các thành viên của Viện Lượng tử Chung tại Đại học Maryland, đang tiến hành các giai đoạn đồng thời trên hai loại thiết bị quang tử khác nhau. Người đầu tiên sử dụng các chất xơ Bragg (FBGs), các cấu trúc nhỏ xíu tạo ra trục bên trong sợi quang bằng cách thay đổi cục bộ cấu trúc sợi như tạo các lớp vật liệu xen kẽ với chỉ số khúc xạ khác nhau. FBG phản ánh bước sóng nhất định trong khi cho phép tất cả những người khác vượt qua.
Khi nhiệt độ xung quanh một thay đổi FBG, nó ảnh hưởng đến tính chất quang của thiết bị, do đó thay đổi bước sóng nó phản ánh. Tương tự, thay đổi áp suất gây ra thay đổi kích thước trong lưới, làm thay đổi các đặc tính quang học của nó. Do đó FBG có thể được sử dụng như các máy dò nhạy cảm về nhiệt độ và áp suất.
"Sợi xơ Bragg chúng tôi có không chính xác như nhiệt kế cộng hưởng vòng," Ahmed nói, "nhưng nó nhẹ, không nhiễu EM, về cơ bản thụ động, và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt nơi công nghệ hiện tại sẽ không tồn tại. tạo ra một nền tảng chung cho các thiết bị và phát triển một tiêu chuẩn hiệu chuẩn, tất cả những gì bạn cần làm là thay đổi đầu cảm biến để đo áp suất và nhiệt độ. "
"Có lẽ," Strouse nói, "nó có thể được tích hợp vào sản xuất các thành phần khung máy bay như cánh để họ có thể đo các loại thông số chính tốt hơn. Hoặc có thể được sử dụng trong giám sát cơ sở hạ tầng ứng suất, hoặc thay đổi nhiệt độ trong quá trình đóng rắn Ngoài độ chính xác cao hơn so với các thiết bị hiện tại, có những ưu điểm khác - chẳng hạn như khả năng tín hiệu ghép kênh, không dễ thực hiện với các phép đo điện. "
Loại cảm biến thứ hai được khảo sát trong dự án dựa trên một bộ cộng hưởng vòng: một vòng khép kín của ống dẫn sóng phản xạ toàn bộ, khoảng bán kính 10 micromet, được đặt cạnh - nhưng cách xa 100 nanomet đến 200 nm - quang chính chất xơ. Bộ cộng hưởng sẽ thu nhận hoặc "hấp thụ" các bước sóng truyền sợi quang từ nguồn laser nếu các bước sóng cộng hưởng với các đặc tính quang học và kích thước của vòng lặp. Do nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính và kích thước đó, thiết bị có thể hoạt động như một cảm biến nhiệt độ.
\\ elwood
Thiết bị thí nghiệm cho thí nghiệm cộng hưởng vòng.
"Đó là phép đo nhiệt độ nguyên tắc đầu tiên", Strouse nói, "đo lường cách chuyển động của Brown thay đổi và điều chỉnh các bước sóng đi qua." Hiệu quả đã được quan sát bởi một vài nhóm nghiên cứu khác. Nhưng đánh giá sự phù hợp của nó như là cả một nhiệt kế công nghiệp và tham khảo là một quá trình lâu dài và siêng năng. Dự án PML sẽ phải xác định cấu hình tối ưu và
Nhận xét
Đăng nhận xét