150174 (732623), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис.1.1. Волоконний світловод і амплітудні датчики на його основі. а - пристрій світловода: 1 - серцевина, 2 - оболонка, 3 - полімерне покриття; б - поширення променів у вигнутому световоде. Видно, що на вигнутій ділянці кут падіння променів, що направляються, зменшується. Тому частина світлової потужності проникає в оболонку оптичного волокна; в - пристрій датчика на мікровигинах світловода: 1 - світловод, 2- шорсткуваті поверхні. г-датчик із брегівською решіткою: 1 -світловод, 2 - решітка. Зовнішній вплив змінює період решітки, що приводить до перенастроювання останньої на нову довжину хвилі.

Дифракційна решітка [4,5] (рис.1.1,в) може бути сформована у волокні, виготовленому з кварцу з домішкою германія. Під впливом ультрафіолетового випромінювання показник заломлення такого волокна міняється. Тому при освітленні ділянки світловода інтерференційним полем двох когерентних ультрафіолетових пучків показник заломлення буде змінюватися вздовж осі волокна по синусоїдальному закону відповідно до розподілу інтенсивності інтерференційного поля. Штрихи решітки не зосереджені на поверхні світловода, а проникають на всю його глибину разом із записуючим випромінюванням. Такі глибокі решітки і називають брегівськими. Вона дає більш високу ефективність дифракції в порівнянні зі звичайною. Кути дифракції залежать від періоду решітки.

1.6.Мікрорезонаторні волоконно-оптичні датчики

Оптичний сигнал, поширюючись по кварцовому волоконному світловоду, не підданий електромагнітним наведенням. Ця властивість була використана для створення пасивних волоконно-оптичних датчиків, коли інтенсивність світла, що поширюється по волоконному світловоду, змінюється пропорційно вимірюваній величині (температурі, тискові, і т.д.). Однак такий аналоговий оптичний сигнал піддається сильним спотворенням із-за дрейфів потужності випромінювання лазера і випадкових загасань інтенсивності світла при вигинах волокна. З цієї причини виникла ідея використовувати частоту як інформаційний параметр. У цьому випадку вимірювана величина змінює частоту модуляції світла, а не його амплітуду і, тому, такий сигнал не чуттєвий до довгострокових дрейфів і короткочасних флуктуацій інтенсивності світла у волокні.

Як перетворювач тиску, прискорення, сили і т.д у частоту модуляції світла використовують механічні мікрорезонатори. Найчастіше як мікрорезонатор використовують мікромісток, витравлений у пластині з кремнію і закріплений із двох сторін. Вимірюваний вплив змінює механічна напруга усередині мікрорезонатора і, отже, резонансну частоту його коливань.

Коливання мікрорезонатора реєструються за допомогою волоконно-оптичного інтерферометра, утвореного частково відбиваючою поверхнею мікрорезонатора і торцем волоконного світловоду. При коливаннях мікрорезонатора міняється роздільна здатність інтерферометра, і, тому, світло, відбите назад у волоконний світловод, буде промодульоване на частоті коливань мікрорезонатора. По зміні частоти модуляції світла, ми можемо судити про величину вимірюваного сигналу.

Збудження механічних коливань мікрорезонатора здійснюється пульсуючим світлом з волоконного світловоду. Мікромісток покритий шаром металу і, тому, коли його центральна частина нагрівається оптичним випромінюванням з волокна, мікромісток згинається. Коливання мікрорезонатора можуть виникнути, якщо промодулювати світло з частотою, рівною приблизно частоті власних коливань мікрорезонатора. Щоб сигнал інтерферометра не накладався на збудливий оптичний сигнал, їх розділяють по довжинах хвиль випромінювання.

РОЗДІЛ 2. ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНІ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ДАТЧИКИ

Явище інтерференції світла лежить в основі багатьох високоточних вимірювальних систем і датчиків переміщення. Використання оптичних волокон дозволяє зробити такі пристрої надзвичайно компактними й економічними. Відомі дві основні схеми волоконно-оптических інтерферометрів: Маха-Цендера і Фабрі-Перо. У волоконно-оптичному інтерферометрі Фабрі-Перо інтерференція відбувається на частково відбиваючому відколі волокна і зовнішньому відбивачі.

2.1. Торцевий волоконно-оптичний інтерферометр Фабрі-Перо

Розглянемо принцип дії торцевого волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі-Перо, блок-схема якого зображена на рис.2.1.

Рис.2.1. Блок-схема торцевого волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі-Перо.

Випромінювання лазерного діода 1 вводиться у волоконний світловод 2 і через розвітлювач 3 передається на волокно 4. При цьому частина випромінювання відбивається від торця волоконного світловода 4, а інша його частина висвічується в повітря, відбивається від дзеркала 5 і повертається назад у волоконний світловод 4. Промінь, відбитий від торця волоконного світловода, інтерферує із променем, відбитим від дзеркала, і на фотоприймачі 5 реєструється інтенсивність випромінювання, що змінюється періодично в залежності від відстані x₀ між торцем світловода і дзеркалом:

При цьому зсув дзеркала на половину довжини хвилі світла змінює різницю фаз інтерферуючих променів на 2π, що відповідає одному періодові варіації інтенсивності випромінювання на фотоприймачі.

З іншої сторони ніяке реальне джерело оптичного випромінювання не є ідеально монохроматичним, а отже він має обмежену довжину когерентності. У випромінюванні лазерного діода звичайно присутні кілька мод, а сумарна ширина спектральної лінії дорівнює приблизно 3-5 нм. Довжина когерентності l_с зв'язана із шириною спектра Dl у такий спосіб:

l_с= l²/Dl.

Із шириною спектра випромінювання (і довжиною когерентності l_с) зв'язана видність (контрастність) інтерференційної картини. При збільшенні різниці ходу інтерферуючих променів видність інтерференційної картини зменшується. При досягненні різниці ходу, рівній довжині когерентності, видність перетворюється в 0.

На рис.2.2 показана залежність інтенсивності інтерференції двох інтерферуючих від їхньої різниці ходу l.

Рис.2.2. Залежність інтенсивності інтерференції двох інтерферуючих від їхньої різниці ходу l.

Ця залежність описується формулою:

де І₀ – інтенсивність кожного з інтерферуючих променів, l - довжина хвилі світла.

Приведена вище формула описує повну інтерференцію двох променів однакової інтенсивності. У загальному випадку їх інтенсивності можуть бути істотно різними (наприклад, у волоконно-оптичному інтерферометрі, де промінь, відбитий від торця, виявляється на порядок більш слабким, чим промінь, відбитий від дзеркала і потрапив назад у волокно. У цьому випадку 100-процентна видність інтерференції не досягається навіть при нульовій різниці ходу інтерферуючих променів.

де φ - різниця фаз інтерферуючих променів, І₁ і І₂ - їх інтенсивності, g - ступінь когерентності.

У випадку волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі-Перо І₁ = R₁І₀ - інтенсивність світла, відбитого від відколу волокна; І₂ = (1-R₂)²RІ₀ - інтенсивність світла відбитого від дзеркала і повернутого у волокно (R₁ і R - коефіцієнти відображення торця волокна і дзеркала відповідно). У випадку кварцового волокна R₁=0,04 - френелівський коефіцієнт відображення границі розділу кварц-повітря. Таким чином, інтенсивність світла, що ергіструється фотоприймачем, дорівнює:

У загальному випадку відсоток випромінювання, відбитого від дзеркала і повернутого у волокно, залежить від відстані між відбивачами. Це зв'язано з тим, що світло, що виходить з волокна, розходиться під деяким кутом і лише частина його, будучи відбитою від дзеркала, попадає назад у волокно і бере участь в інтерференції. Типова залежність оптичної потужності, що регіструється фотоприймачем, від відстані між відбивачами інтерферометра приведена на рис.2.3.

Далі розглянемо сигнал інтерферометра, що виникає в результаті відображення світла від вібруючої поверхні (резонатора). У результаті коливання резонатора, різниця фаз інтерферуючих променів змінюється в такий спосіб:

де l - довжина хвилі світла, x₀ - амплітуда коливань резонатора. Це приводить до слідуючого виразу для інтенсивності світла, відбитого резонатором і торцем волокна:

де φ₀ - різниця фаз інтерферуючих променів, коли резонатор знаходиться в незбуреному стані.

Рис.2.3. Залежність оптичної потужності, що регіструється фотоприймачем, від відстані між відбивачами інтерферометра.

Розкладаючи І(t) у ряд Фур'є ми знаходимо відповідні члени модуляції світла:

де J_і(φ_ω) - функції Бесселя. Коли φ_ω<<1 і φ₀ = π/2+πk (k - ціле число), J_і(φ_ω) дорівнює приблизно φ_ω/2 і, тому, змінна компонент І(t) буде пропорційна зсувові резонатора з положення рівноваги: І_ω~sіn(ωt).

Розглянемо ще випадок збудження резонатора зовнішньою силою (подібно випадку порушення коливань диффузатора динаміка під дією змінного струму, що протікає по його котушці). У цьому випадку коливання резонатора будуть залежати від частоти прикладеного впливу в такий спосіб:

де Q - добротність резонатора, ε₀ - амплітуда резонансних коливань, η - залежний від частоти зсув фаз між прикладеним збудливим впливом і коливаннями резонатора ( η змінюється від 0 до π, коли ω змінюється від 0 до нескінченності). З цього рівняння видно, що амплітуда резонансних коливань у Q раз більше, ніж амплітуда коливань на низьких частотах (або при квазістатичному зсуві резонатора тією же силою).

2.2. Інтерферометр Маха-Цендера і багатомодовий інтеферометр

Інтерферометр Маха-Цендера (рис.2.4,а) містить два світловодних плеча. Одне з них є опорним (4), його прагнуть ізолювати від зовнішніх впливів; друге - сигнальним (5), тобто призначеним для цілей прийому. Когерентне випромінювання обох плечей зводиться в одному прийомному світловоді (6), у якому формується інтерференційний сигнал. Інтенсивність цього сигналу описується виразом

де φ₁ і φ₂ - фази світлових пучків, що пройшли опорне і сигнальне плечі, І₁ і І₂ - інтенсивності цих пучків. Як видно, збільшення фази випромінювання в сигнальному плечі перетвориться в зміну інтенсивності сигналу інтерференції, що може бути легко зареєстровано звичайним фотоприймачем.

В даний час конструкція фазових датчиків на основі схеми інтерферометра Маха-Цендера найбільш відпрацьована.

Рис. 2.4. Типи волоконних інтерферометрів: а - інтерферометр Маха-Цендера: 1 - лазер; 2 і 7- підвідний і приймаючий випромінювання світловоди; 3 і 6 - Y-развітлювачі; 4 і 5 - опорний і сигнальний світловоди, 8 - фотоприйомний пристрій; б - інтерферометр Фабрі-Перо: 1 - лазер; 2 і 5 - підвідні і приймаючі випромінювання світловоди; 3 -напівпрозорі дзеркала; 4 - волоконний резонатор, 6- фотоприйомний пристрій; в - багатомодовий інтерферометр: 1 - лазер; 2 - багатомодовый світловод, 3 - фотоприйомний пристрій.

Ще один одноволоконний інтерферометр, що в даний час досить добре розроблений, - багатомодовий показаний на рис.2.4,в. Він представляє світловод, у якому збуджують два або кілька типів направляючих променів (мод), що різняться фазовими швидкостями поширення. На виході зі світловода між цими променями виникає різниця фаз. Вона дорівнює

де Δn_эф - різниця ефективних показників заломлення мод. Як видно, різниця фаз між модами змінюється при зміні довжини волокна. Тому змінюється і картина інтерференції мод (див рис.2.4, в, внизу), що і використовується для реєстрації.

Варто сказати, що в стандартних світловодах різниця між фазовими швидкостями мод мала ( Δn_эф << n_эф). Тому різниця фаз між ними в багатомодовому інтерферометрі росте повільно. Як наслідок - датчики на основі такого пристрою менш чуттєві до зовнішніх впливів, чим приймачі на основі інтерферометричних схем Маха-Цендера і Фабрі- Перо. Їхні переваги в простоті оптичної схеми, можливості використання недорогих низькокогерентних джерел, тобто, в низькій вартості.

РОЗДІЛ 3. ХІМІЧНІ СЕНСОРИ

3.1. Загальні відомості про хімічні сенсори

Протягом всієї історії аналітичної хімії одна з найважливіших її задач складалася і полягає в тому, щоб установлювати зв'язок між складом і якою-небудь легко вимірюваною властивістю і використовувати виявлені закономірності, тобто ці зв'язки, для розробки способів визначення концентрації і відповідних пристроїв. До цих пристроїв відносяться і датчики, або хімічні сенсори, що подають пряму інформацію про хімічний склад середовища (розчину), у яку занурений датчик, без добору аналізованої проби і її спеціальної підготовки. Термін "хімічний сенсор" з'явився порівняно недавно. Успіхи в суміжних областях (фізика твердого тіла, мікроелектроніка, мікропроцесорна техніка, матеріалознавство) привели до появи нового напрямку в аналітичній хімії - хімічних сенсорів (ХС). Сенсорні аналізатори можуть працювати автономно, без втручання оператора, причому передбачається, що вони зв'язані із системами нагромадження й автоматизованої обробки інформації. Значення ХС і створених на їхній основі аналізаторів у контролі стану середовища існування й охороні здоров'я людини важко переоцінити.

3.2.Принципи роботи і пристрій хімічних сенсорів

ХС складається з хімічного селективного шару датчика, що дає відгук на присутність обумовленого компонента і зміна його змісту, і фізичного перетворювача (трансдьюсера) [6]. Останній перетворить енергію, що виникає в ході реакції селективного шару з обумовленим компонентом, в електричний або світловий сигнал, що потім вимірюється за допомогою світлочутливого і/або електронного пристрою. Цей сигнал і є аналітичним, оскільки подає пряму інформацію про склад середовища (розчину). ХС можуть працювати на принципах хімічних реакцій, коли аналітичний сигнал виникає внаслідок хімічної взаємодії обумовленого компонента з чуттєвим шаром, або на фізичних принципах, коли виміряється фізичний параметр (поглинання або відображення світла, маса, провідність). У першому випадку чуттєвий шар виконує функцію хімічного перетворювача. Загальна схема функціонування ХС зображена на рис. 3.1.

Р ис.3.1. Схема роботи хімічного сенсора: P - хімічно чуттєвий шар, П - перетворювач сигналу, Е - електронний блок.

Для підвищення вибірковості на вхідному пристрої ХС (перед хімічно чуттєвим шаром) можуть розміщатися мембрани, що селективно пропускають частки обумовленого компонента (іонообмінні, діалізні, гідрофобні й інші плівки). У цьому випадку обумовлена речовина дифундує через напівпроникну мембрану до тонкого шару хімічного перетворювача, у якому формується аналітичний сигнал на компонент. На основі ХС конструюють сенсорні аналізатори - прилади, призначені для визначення якої-небудь речовини в заданому діапазоні його концентрацій. Ці аналізатори можуть мати малі габарити (іноді наближаються до розмірів калькулятора або авторучки). Оскільки в їхній конструкції відсутні деталі, що перетерплюють механічний знос, пристрої характеризуются досить тривалим терміном експлуатації (до року і більш). Об'єднані в батарею і підключені до комп'ютера, ХС здатні забезпечити аналіз складних сумішей і дати диференційовану інформацію про зміст кожного компонента. У сенсорних аналізаторах вбудовані мікросхеми дозволяють вводити виправлення на зміну температури, вологості, враховувати вплив інших компонентів середовища, проводити градуюровку і настроювання нульового значення на шкалі показів.

Оптичні ХС працюють на принципах поглинання світла, або відображення первинного світлового потоку, або виникаючої люмінесценції. Ці сенсори нечуттєві до електромагнітних і радіаційних полів і здатні передавати аналітичний сигнал без спотворення на великі відстані. Крім того, вони мають невисоку вартість у порівнянні з електрохімічними сенсорами (ЕХС) і можуть конкурувати з останніми, особливо у випадках, коли застосування ЕХС неефективне. З оптичних ХС перспективні сенсори на основі волоконної оптики.

У волоконно-оптичнихх сенсорах (ВОС) на торці світловода закріплюється реагентвміщуюча фаза (РВФ). При описі таких пристроїв іноді використовують термін "оптрод", що є комбінацією слів "оптика" і "електрод". Цим підкреслюється, що ВОС по своєму призначенню близький до електродів, у тому числі і до тих, на основі яких функціонують ЕХС. Однак по природі сигналу і механізмові відгуку вони зовсім відмінні. Характеристика матеріалу світловода визначає оптичний діапазон і відповідно аналітичні можливості всього пристрою. Якщо оптичне волокно виготовлене з кварцу, то такий оптрод працює в широкій області спектра, включаючи ультрафіолетову його частину. Для скловолокна область довжин хвиль охоплює лише видиму область спектра. Якщо оптоволокно виготовлено з полімерного матеріалу (такі пристрої мають невисоку вартість), то діапазон довжин хвиль, у якій працює ВОС, перебуває за межами >450 нм.

Оптосенсори можуть бути оборотними і необоротними [6]. Сенсор оборотний, якщо РВФ не руйнується при її взаємодії з обумовленою речовиною. Якщо частина реагенту споживається в ході визначення, сенсор працює необратимо. На рис.3.2 приведена схема формування відгуку оборотного ВОС для визначення pН середовища, заснованого на поглинанні світла. Пристрій такого сенсора є досить простим: два пластикових волокна вмонтовані в целюлозну трубочку, що містить барвник фіолетовий червоний, іммобілізований за допомогою ковалентного зв'язування на поліакриламідних мікрокульках. Крім цих мікрокульок усередину трубочки поміщені такого ж розміру кульки з полістиролу для кращого розсіювання світла. Через одне волокно світло від вольфрамового джерела випромінювання входить, а через інше виходить. Інтенсивність вихідного потоку світла вимірюється детектором, настроєним на відповідну область довжин хвиль. Пробка на торці трубочки утримує РВФ механічно і перешкоджає її взаємодії з обумовленим компонентом у торцевій частині. Подібний оптрод може бути використаний і для визначення концентрації O₂. У цьому випадку сигнал зв'язаний з гасінням флуоресценції реагенту при взаємодії з киснем. Такого типу оптроди можуть бути використані і для визначення pН у живому організмі.

Необоротні оптроди через витрату РВФ мають обмежений термін служби. Однак його можна продовжити заміною РСФ на нову фазу. Стабільний сигнал від цих ВОС може бути отриманий лише в умовах стаціонарного масопереноса визначаємого компонента в зону його взаємодії з РВФ. Будь-яка перешкода, що порушує масоперенос, дає помилку в показаннях ВОС. На рис.3.3 показана схема роботи необоротного оптрода на кисень.

Рис.3.3. Схема роботи необоротного волоконно-оптичного сенсора на кисень.

Обумовлений компонент дифундує через селективну мембрану з відповідним розміром пор у порожнину, що містить іммобілізований флуоресціюючий барвник. Його світіння гаситься в присутності O₂ пропорційно парціальному тискові кисню. Ступінь гасіння фіксується відповідним пристроєм. Якщо резервуар із РВФ досить великий, то споживання реагенту незначно і сенсорний пристрій може служити довго.

3.3.Волоконно-оптичний сенсор для контролю аміаку в повітрі

Характеристики

Список файлов реферата