Систематика, принципы работы и области применения датчиков

Для примера на рис. 7 приведен один из полученных для экспериментальных условий измерения графиков зависимости коэффициента затухания волновода, обусловленный наличием газообразного аммиака .

Эта зависимость характеризует минимальную чувствительность рассматриваемого интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки L (т.е. полагается, что L равняется определенному z). Цифрой 1 на рис.7 обозначен регистрируемый коэффициент затухания волноводной моды при наличии аддитивного случайного шума (с уровнем ), который рассчитывался на компьютере по известной формуле:

. (6)

В выражении (6) - уровень сигнала, при котором отношение сигнал/шум в среднем (от реализации к реализации случайного шума) не ниже 20.

Рис. 7. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки. Цифрой 2 на рис. 7 обозначен уровень, соответствующий концентрации газообразного аммиака в воздухе 0.1 ppm.

Как видно из рис. 7 для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть не меньше 4 см.

Для дальнейшего повышения чувствительности интегрально-оптического химического датчика могут быть использованы следующие способы [6, 9-12, 14, 17, 18-19]:

- увеличение длины сенсорной ячейки (например, использование подложки в виде цилиндрического стержня, брэгговских отражателей, резонаторов и др.);

- оптимизация параметров волноводной системы;

- увеличение отношения сигнал/шум;

- интеграция элементов датчика на единой подложке, включая источник излучения, сенсорную ячейку и фотоприемник;

- и ряд других.

Для увеличения доли мощности волноводной моды в регистрируемой среде следует использовать пленки с большим значением показателя преломления или использовать тонкий слой на поверхности волновода с оптимизированными параметрами.

Отношение сигнал/шум может быть увеличено, во-первых, путем оптимизации параметров электронной схемы сравнения и, во-вторых, уменьшением потерь в волноводной системе из-за рассеяния лазерного излучения, в частности, путем использования подложки с малой шероховатостью поверхности. При достижении предельных характеристик интегрально-оптического сенсора эта проблема будет дополнительно исследована.

Компьютерное моделирование с использованием модели турбулентной диффузии газообразного аммиака в воздухе показало, что величина минимальной концентрации, которая может быть измерена с помощью датчика рассмотренного типа, составляет примерно 0.1 ppm при эффективности ввода лазерного излучения (видимого диапазона) в волноводную сенсорную ячейку около 40%, длине сенсорной ячейки не менее 4 см и величине сигнал/шум около 20.

ВЫВОДЫ

- Существует огромное разнообразие конструкций датчиков.

- Сенсорные технологии играют, и будут играть в будущем важнейшую роль в различных областях жизни.

- Датчики используются практически во всех отраслях науки и промышленности.

- Интегральные оптические датчики очень перспективны, например, для использования в инфокоммуникационных технологиях: простая конструкция, интегральность исполнения, высокая точность, малые размеры и масса, высокая устойчивость к условиям окружающей среды, длительный срок службы, возможность интеграции с существующими оптоволоконными сетями и др.

- По различным оценкам, объем продаж на мировом рынке датчиков сегодня составляет около 150 млн. евро, и годовой прирост равен приблизительно 15% [21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существующий в последние годы и все возрастающий интерес к разработке и использованию оптических химических сенсоров связан со следующими их наиболее важными преимуществами:

- высокая чувствительность;

- высокая скорость отклика;

- возможность бесконтактного обнаружения;

- высокая помехозащищенность;

- нечувствительны к электромагнитным полям (не оптической частоты);

- нечувствительны к радиационным полям;

- способность передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния (например, по оптоволокну);

- удобство мультиплексирования сигналов;

- высокая плотность передачи данных;

- стойкость к вредным воздействиям окружающей среды;

- удобство применения интегральной технологии.

Основными недостатками оптических химических сенсоров являются: достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры (в случае использования полупроводников при изготовлении сенсора).

Установлено, что при использовании высоко устойчивой миниатюрной электронной схемы сравнения на основе прецизионных операционных усилителей и компьютерной регистрации и обработке данных измерений интегрально-оптический химический сенсор демонстрирует хорошие метрологические характеристики.

Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение, например, в системах контроля качества воздуха. По нашему мнению есть хорошая перспектива использования датчиков этого типа для исследования также веществ, растворенных в жидкостях, например, в биомедицинских, физико-химических и экологических исследованиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виглеб Г. Датчики. - М.: Мир, 1989.

2. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.

3. Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. - М.: Мир, 1991.

4. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы // Датчики и системы, 2001, № 3, С. 46-50.

6. Whitenett G., Stewart G., Atherton K., Culshaw B., and Johnstone W. Optical fibre instrumentation for environmental monitoring applications // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, V. 5, pp. S140-S145.

7. Posani K.T., Tripathi V., Annamalai S., Weisse-Bernstein N.R., and Krishnaa S. Nanoscale quantum dot infrared sensors with photonic crystal cavity // Appl. Phys. Let., 2006, V. 88, pp. 151104-1-151104-3.

8. Lambeck P.V. Integrated opto-chemical sensors // Sensors and Actuators, 1992, V. 8, pp. 103-116.

9. Wiesmann R., Muller L., Klein R., Neyer A. Low cost polymer-optical ammonia sensor // ECIO'95, Proceedings of 7^th European Conference on Integrated Optics, April 3-6, 1995, Delft, The Netherlands, pp. 453-456.

10. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Попов К.А. Волноводные датчики концентраций веществ в газовых смесях и жидкостях // Приборы и техника эксперимента, 2002, Т. 45, С. 145-148.

11. Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., and Chekhlova T.K. Study of the integrated-optical concentration sensor for gaseous substances // Laser Physics, 2007, V. 17, pp. 50-53.

12. Egorov A.A., Egorov M.A., Smoliakov R.B., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Integrated-optical low-loss PbO₂ diffusion waveguide sensitive chemical sensor // Journal of Radio Electronics, 2007, No. 5.

13. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, № 5, С. 2-3.

14. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. - М.: Мир, 1985.

15. Кулябина Е.Ю., Сидоренко М.В. Лихеноиндикационный мониторинг качества воздушной среды нижегородской области // Известия Самарского научного центра РАН. Биология и Экология, 2002, 4, С. 216-222.

16. Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия: Основные принципы и техника эксперимента. - М.: Наука, 1985.

17. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Исследование компьютеризированного интегрально-оптического датчика концентрации газообразных веществ // Квантовая электроника, 2008, Т. 38, С. 787-790.

18. Egorov A.A., Egorov M.A., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Low-loss inexpensive integrated-optical waveguides as a sensitive gas sensor // ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics 2008. September 15-18, 2008. St. Petersburg. Russia. St. Petersburg: ITMO. pp. 208-211.

19. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Новый тип химических сенсоров - интегрально- оптические датчики // Экология и промышленность России. 2008. № 4 (апрель). С. 16-17.

20. Физическая энциклопедия / Гл. ред. Прохоров А.М. - М.: Большая Российская энциклопедия, Т. 3, 1992.

21. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. М.: Мир, 1992.

22. Прогноз развития датчиков. Отчет исследования ожидаемого развития датчиков до 2015 г. / Дания. Центр сенсорной технологии // Датчики и системы. 2003. № 11. С. 59-62.

[1] Аммиак - бесцветный газ с резким характерным запахом, почти в два раза легче воздуха, хорошо растворяется в воде.

[2] Как известно, понятия газа и пара почти полностью эквивалентны (см., например [20], С. 527). При исследовании, например, динамики фазовых переходов, явления критической опалесценции и др., по-видимому, потребуется уточнение состояния, в котором находится газообразный (пар, газ) аммиак. Описанный здесь эксперимент этого не требовал.

[3] 1 мкг/м3 = (1 млн-1•)•103, где - молекулярный вес газообразного вещества, коэффициент для температуры 25 0С и давления 760 мм рт.ст. равен 24.5.

[4] Данная величина превышает предельно допустимую концентрацию данного вещества (для Российской Федерации) как в воздухе населенных мест (0.2 мг/м3), так и в рабочей зоне (20 мг/м3).

Размещено на Allbest.ru