Волоконно-оптические газоанализаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Факультет электроники

Кафедра физической и биомедицинской электроники

Реферат

на тему:

«Волоконно-оптические газоанализаторы»

Киев 2013

Оглавление

Введение

1. Оптическое волокно для датчиков

2. Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве линии передачи

3. Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве чувствительного элемента

Заключение

Список литературы

Введение

Важность анализа газового состава сегодня не вызывает сомнений, поскольку она напрямую связана с основными проблемами современной цивилизации: экономией энергии, сырья, контролем качества, оптимизацией промышленных процессов, охраной окружающей среды, совершенствованием медико-биологических методов и так далее. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второй половине 1970-х годов их число значительно увеличилось. Однако в публикациях 1970-х годов термин «волоконно-оптический датчик» еще не был общепринятым. В японской технической литературе этого периода чаще всего использовался термин «измеритель на основе оптических волокон», а в статьях на английском языке--«оптический датчик на волокне». Лишь в 1981 г. термин волоконно-оптический датчик» признан всеми и окончательно утвердился после состоявшейся в 1982 г. в Лондоне первой международной конференции по волоконно-оптическим датчикам.

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.

1. Оптическое волокно для датчиков

Для анализа и проектирования волоконно-оптических датчиков в первую очередь необходимы знания о самом оптическом волокне. Оптическое волокно, как показано на рис. 1, состоит из сердечника, по которому распространяется свет, и оболочки. Последняя, в свою очередь заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность и тем самым упрощает эксплуатацию. Коэффициент преломления n₁ сердечника лишь незначительно превышает коэффициент преломления n₂ оболочки, поэтому свет, введенный в сердечник с торца волокна, полностью отражается от границы сердечника и оболочки, как бы запирается в сердечнике и распространяется только в нем.

Рис. 1. Типовая структура оптического волокна и распространение света в нем

Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом и, необходимо, чтобы выполнялось условие:

Поскольку разница между коэффициентами преломления в сердечнике и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину и_max можно представить следующим образом:

Это максимальный возможный угол, под которым свет может проходить в оптическое волокно, т. е. приниматься им. Называется такой угол числовой апертурой и обозначается NA (Numerical Aperture).

При рассмотрении оптических волокон вместо разности n₁ и n₂ чаще всего используется величина, называемая относительной разностью коэффициентов преломления:

Если воспользоваться значением Д, то зависимость между NA и Д может быть представлена следующим образом:

Оптические волокна можно разделить на многомодовые, у которых нормированная частота составляет несколько десятков (х?30) и в которых распространяется множество мод, а также одномодовые оптические волокна со значением х чуть меньше 2,4, в которых распространяется только одна мода.

По характеру распределения коэффициента преломления внутри сердечника многомодовые оптические волокна делятся на волокна со ступенчатым распределением и плавным (градиентные). Оба типа волокна имеют обычно диаметр сердечника примерно 50 мкм и большую (около 1 %) относительную разность коэффициентов преломления, что обусловливает такие их преимущества, как высокая эффективность соединения с источником света и сравнительная простота соединения с такими же оптическими волокнами.

2. Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве линии передачи

Принцип действия данных датчиков основывается на измерении интенсивности света. На рис. 2 представлена структурная схема газового датчика. Свет, излучаемый лазером или светодиодом, поступает в сосуд с измеряемым газом через многомодовое оптическое волокно. Из проходящих через газ световых волн будут поглощаться только те, которые входят в спектр поглощения этого газа. Таким образом, подавая (также с помощью многомодового оптического волокна) выходящий из сосуда с газом свет на световой детектор, можно определять род газа и измерять его концентрацию. На рис. 3 показаны рабочие спектральные области светоизлучающих приборов на основе АlGаАs, InGаАsР и светоприемных приборов на основе Si, Gе, а также спектр молекулярного поглощения для основных видов газов.

Подобные газовые датчики можно использовать для дистанционного наблюдения за степенью загрязнения атмосферы (газами N₂О₂, NН₃, СН₄ и др.) и за концентрацией горючих газов (СН₄, С₃Н₈ и др.). Например, реализована система наблюдения за концентрацией газа СН₄ на расстоянии более 20 км. Для повышения точности измерений здесь также можно применять метод двух длин волн.

Рнс. 2. Газовый датчик

Другим примером газового датчика является датчик насыщенности крови кислородом. Измерение насыщенности крови кислородом необходимо при исследованиях и лечении болезней систем кровообращения и дыхания. Как следует из рис. 4, а) гемоглобин красных кровяных телец имеет различный характер изменения коэффициента отражения в зависимости от степени насыщенности кислородом для световых волн различной длины. Например, в диапазоне 620...650 нм зависимость сильная, а для волн 800...850 нм -- слабая. На рис. 4, б) приведена структурная схема датчика, работающего именно на этом принципе. Здесь используется кабель из оптических волокон, имеющий три ветви: две для двух источников света на светодиодах, различающихся длиной волны излучения, а одна -- для светоприемного рin-фотодиода. Датчик обеспечивает точное измерение насыщенности кислородом, благодаря тому, что вычисляется отношение выходных электрических сигналов, полученных на двух длинах световых волн.

Рис. 3. Спектральные области, перекрываемые различными полупроводниковыми светоизлучающими и светоприемными приборами, характеристики поглощения кварцевого оптического волокна и спектр поглощения для основных газов

волокно датчик насыщенность

Рис. 4. Принцип действия (а) и структура (б) датчика насыщенности крови кислородом

Нb -- гемоглобин

На основе этого же принципа можно измерить концентрацию кристаллического вещества, введенного в кровь (например, зеленого индоцианина), или такие параметры, как рН, р0₂, рС0₂ и т. п.

Поскольку в большинстве случаев газовые датчики данного типа включают в себя многомодовые оптические волокна, светоизлучающие диоды и элементы оптических схем, технология изготовления и эксплуатация которых уже утвердилась, то характеристики датчика определяются в основном свойствами материала и конструкцией чувствительной части. Датчики этой системы уже нашли широкое применение в силу очевидных преимуществ перед традиционными датчиками. Одна из существенных, но решаемых проблем -- уменьшение стоимости изготовления.

3. Волоконно-оптические датчики с волокном в качестве чувствительного элемента

Датчики основанные на интерферометре Маха -- Цендера.

На рис. 5 показан спектрофон, выполненный как датчик на интерферометре Маха -- Цендера. Это устройство для измерения поглощения света газообразными веществами. При воздействии на газ в ячейке (в катушке) светом, интенсивность которого модулирована с помощью прерывателя, газ вследствие поглощения света нагревается и расширяется, а значит, расширяется и ячейка. Это изменение объема ячейки измеряется с помощью высокочувствительного волоконно-оптического интерферометра.

Рис. 5. Волоконно-оптический спектрофон

На рис. 5, а) показана оптическая система, а на рис. 5, б) -- кривая частотного изменения выходного сигнала при поглощении света смесью воздуха с метаном.

Частота прерывателя 75 Гц. Длина волокна 9,2 м, диаметр катушки 2,5 см. Лазер -- гелий-неоновый. В случае применения, например, аргонового лазера с излучением мощностью 500 мВт и длиной волны 496,5 нм можно измерять поглощение света газом NO₂ концентрацией вплоть до 50 частей на миллион.

Датчики основанные на изменении потерь

Данные датчики используют в своей работе утечку волны. Если с помощью термического вытягивания оптического волокна довести диаметр какого-то участка его до нескольких микрометров, то отсюда канализируемая мода излучается наружу. Если в этой части волокна окажется вещество, поглощающее свет, то резко изменится интенсивность распространяющегося в волокне света; на основе этого и можно построить датчик.

На рис. 6, а) представлена схема измерителя концентрации метана, работающая по этому принципу. На рис. 6, б) показан характер изменения мощности распространяющегося по волокну света при различной концентрации метана. В датчике этого типа требуется специальное крепление тонкой части волокна.

Рис. 6. Измеритель концентрации метана на основе поглощения утечки световой волны

Весьма высокой чувствительностью отличаются датчики интерферометрического типа, которые исследуются наиболее активно. При создании этих датчиков необходимо предусматривать меры по стабилизации выходного сигнала. Это достигается преимущественно обработкой сигнала, но в то же время и усовершенствованием самих волокон. Внедряются, в частности, оптические волокна с сохранением поляризации, волокна, нечувствительные к колебаниям температуры, давлению и т. д. Успешно разрабатываются специальные оптические волокна, например с жидким сердечником, с двойным сердечником и др. В дальнейшем можно ожидать появления новых оптических волокон, реализующих различные идеи.

Заключение

Говоря о преимуществах волоконно-оптических датчиков, необходимо отметить, что с их появлением расширились возможности измерений, а также повысилось их качество. Также следует отметить их исключительные свойства: высокие электро- и теплоизоляционные характеристики, безынерционность, безындуктивность, бесконтактность и дистанционность измерений, гибкость, малые габариты и масса, стойкость к окружающей среде, химическая и биологическая стойкость, и высокая пространственная разрешающая способность. Эти свойства находят широкое применение во многих отраслях производства.

Список литературы

1. Аш Ж. - Датчики измерительных систем. Том 2, 1992;

2. Фрайден Дж. - Современные датчики. Справочник, 2005;

3. Окоси Т. - Волоконно-оптические датчики, 1990;

4. Тёрнер Э., Карубе И., Уилсон Дж. - Биосенсоры, основы и приложение, 1992;

5. Кулаков М. В - Технологические измерения и приборы для химических производств, 1983;

Размещено на Allbest.ru