Волоконно-оптичні сенсори контролю шкідливих хімічних компонентів

Реферат на тему:

ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ СЕНСОРИ КОНТРОЛЮ ШКІДЛИВИХ ХІМІЧНИХ КОМПОНЕНТІВ

УЖГОРОД -2007

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ОСОБЛИВОСТІ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ ДАТЧИКІВ

1.1. Історія розвитку волоконно-оптичних датчиків і актуальність їх використання

1.2. Характеристики оптичного волокна як структурного елемента

 Датчика

1.3.Одно- і багатомодові оптичні волокна

1.4.Класифікація волоконно-оптичних датчиків і приклади їхнього застосування

1.5.Волоконні світловоди і вимірювальні пристрої на їхній основі

1.6.Мікрорезонаторні волоконно-оптичні датчики

РОЗДІЛ 2.ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНІ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ДАТЧИКИ

2.1.Торцевий волоконно-оптичний інтерферометр Фабрі-Перо

2.2. Інтерферометр Маха-Цендера і багатомодовий інтеферометр

РОЗДІЛ 3. ХІМІЧНІ СЕНСОРИ

3.1. Загальні відомості про хімічні сенсори

3.2.Принципи роботи і пристрій хімічних сенсорів

3.3.Волоконно-оптичний сенсор для контролю аміаку в повітрі

3.4.Волоконно-оптичний датчик іонізуючого випромінювання

3.5. Датчик концентрації газу

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Метою даної курсової роботи є огляд основної літератури на тему “Волоконно-оптичні сенсори контролю шкідливих хімічних компонентів”.

Сенсорізация виробничої діяльності, тобто заміна органів чуття людини на датчики, повинна розглядатися як третя промислова революція вслід за першими двома - машинно-енергетичної і інформаційно-комп'ютерної. Потреба в датчиках стрімко росте у зв'язку з швидким розвитком автоматизованих систем контролю і управління, упровадженням нових технологічних процесів, переходом до гнучких автоматизованих виробництв. Крім високих метрологічних характеристик датчики повинні володіти високою надійністю, довговічністю, стабільністю, малими габаритами, масою і енергоспоживанням, сумісністю з мікроелектронними пристроями обробки інформації при низькій трудомісткості виготовлення і невеликій вартості. Цим вимогам в максимальному ступені задовольняють волоконно-оптичні датчики.

РОЗДІЛ 1. ОСОБЛИВОСТІ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ ДАТЧИКІВ

 

1.1. Історія розвитку волоконно-оптичних датчиків

і актуальність їх використання

Оптоелектроніка - це досить нова область науки і техніки, що з'явилася на стику оптики й електроніки. Варто помітити, що в розвитку радіотехніки із самого початку ХХ століття постійно простежувалася тенденція освоєння електромагнітних хвиль усе більш високої частоти. Важливим моментом у розвитку оптоелектроніки є створення оптичних волокон. Особливо інтенсивними дослідження стали наприкінці 1960-x років, а розробка в 1970 р. американською фірмою "Корнінг" кварцового волокна з малим загасанням (20 дБ/км) з'явилася епохальною подією і послужила стимулом для збільшення темпів досліджень і розробок на всі 1970-і роки.

Публікації про більш-менш прийнятні розробки й експериментальні зразки подібних датчиків з'явилися в другій половині 1970-х років. Однак вважається, що цей тип датчиків сформувався як один з напрямків техніки тільки на початку 1980-х років. Тоді ж з'явився і термін "волоконно-оптичні датчики" (optіcal fіber sensors). Таким чином, волоконно-оптичні датчики - дуже молода область техніки.

Розробці волоконно-оптических датчиків сприяли і сприяють насамперед досягнення у виготовленні скляних волокон і їхніх системних компонентів (розвітвлень, джерел світла, детекторів і т.п. ). Світловий пучок, що попадає у волоконно-оптический детектор, від джерела світла під дією вимірюваного параметра (наприклад, тиску, температури, рівня, зміни концентрації речовини і т.п. ) терпить в детекторі зміну по інтенсивності, поляризації, фазі або кольору і тим самим забезпечує одержання інформації. Поширення світлових хвиль всередині датчика здійснюється по скляних волокнах. Актуальність викристання волоконно-оптичних датчиків полягає в тому, що ці датчики нових типів знаходять застосування насамперед в умовах, характеризуємих наявністю агресивних випаровувань або вибухонебезпечних газових сумішей, у зонах підвищеної радіоактивності і сильних електромагнітних полів.

 1.2. Характеристики оптичного волокна як структурного елемента датчика

Перш ніж оцінювати значимість цих характеристик в даній області застосування, відзначимо загальні переваги оптичних волокон [1]:

 - широкосмужність (передбачається до декількох десятків терагерц);

- малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);

- малий (близько 125 мкм) діаметр;

- мала (приблизно 30 г/км) маса;

- еластичність (мінімальний радіус вигину 2 мм);

- механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7кг);

- відсутність взаємної інтерференції;

- безіндукційність (практично відсутній вплив електромагнітної індукції, а отже, і негативні явища, зв'язані з грозовими розрядами, близькістю

до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовій мережі);

- взривобезопасність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);

- висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно довжиною 20 см витримує напруга до 10000 B);

- висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників, олії, води.

 У практиці використання волоконно-оптических датчиків мають найбільше значення останні чотири властивості. Досить корисні і такі властивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкосмужність же і малі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеко не завжди ці переваги усвідомлюються розроблювачами датчиків. Однак, із сучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостей волоконно-оптичних датчиків у найближчому майбутньому ця ситуація потроху виправиться.

 Як буде показано нижче, у волоконно-оптичних датчиках оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чуттєвого елемента датчика. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного поля (ефект Керра), магнітного полю (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформаціям (наприклад, до вигину). Багато з цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, у датчиках же їхня поява вважається скоріше перевагою, яку варто розвивати.

1.3.Одно- і багатомодові оптичні волокна

Оптичне волокно буває одного з двох типів [1]: одномодове, у якому поширюється тільки одна мода (тип розподілу переданого електромагнітного поля), і багатомодовое - з передачею безлічі (біля сотні) мод. Конструктивно ці типи волокон розрізняються тільки діаметром сердечника - світловодної частини, усередині якої коефіцієнт заломлення ледве вище, ніж у периферійній частині - оболонці.

У техніці використовуються як багатомодові, так і одномодові оптичні волокна. Багатомодові волокна мають великий (приблизно 50 мкм) діаметр сердечника, що полегшує їхнє з'єднання один з одним. Але оскільки групова швидкість світла для кожної моди різна, то при передачі вузького світлового імпульсу відбувається його розширення (збільшення дисперсії). У порівнянні з багатомодовими в одномодових волокон переваги і недоліки міняються місцями: дисперсія зменшується, але малий (5...10 мкм) діаметр сердечника значно ускладнює з'єднання волокон цього типу і введення в них світлового променя лазера.

Внаслідок цього одномодові оптичні волокна знайшли переважне застосування в лініях зв'язку, що вимагають високої швидкості передачі інформації (лінії верхнього рангу в ієрархічній структурі ліній зв'язку), а багатомодові найчастіше використовуються в лініях зв'язку з порівняно невисокою швидкістю передачі інформації. Це так названі когерентні волоконно-оптичні лінії зв'язку, де придатні тільки одномодові волокна.

У многомодовому оптичному волокні когерентність прийнятих світлових хвиль падає, тому його використання в когерентних лініях зв'язку непрактично, що і визначило застосування в подібних лініях тільки одномодових оптичних волокон.

Навпроти, хоча при використанні оптичних волокон для датчиків вищевказані фактори теж мають місце, але в багатьох випадках їхня роль вже інша. Зокрема , при використанні оптичних волокон для когерентних вимірів, коли з цих волокон формується інтерферометр, важливою перевагою одномодових волокон є можливість передачі інформації про фазу оптичної хвилі, що нездійсненно за допомогою багатомодових волокон.

Отже, у даному випадку необхідно тільки одномодовое оптичне волокно, як і в когерентних лініях зв'язку. Проте, на практиці застосування одномодового оптичного волокна при вимірюванні нетипово через невелику його дисперсію. Тобто у сенсорній оптоелектроніці, за винятком датчиків-інтерферометрів, використовуються багатомодові оптичні волокна. Ця обставина характеризується ще і тим, що в датчиках довжина використовуваних оптичних волокон значно менше, ніж у системах оптичного зв'язку.

 1.4.Класифікація волоконно-оптичних датчиків і приклади їхнього застосування

Сучасні волоконно-оптичні датчики дозволяють вимірювати майже усе. Наприклад, тиск, температуру, відстань, положення в просторі, швидкість обертання, швидкість лінійного переміщення, прискорення, коливання, масу, звукові хвилі, рівень рідини, деформацію, коефіцієнт заломлення, електричне поле, електричний струм, магнітне поле, концентрацію газу, дозу радіаційного випромінювання і т.д.

Якщо класифікувати волоконно-оптичні датчики з точки зору застосування в них оптичного волокна, то, як уже було відзначено вище, їх

можна грубо розділити на датчики, у яких оптичне волокно використовується як лінія передачі, і датчики, у яких воно використовується як чуттєвий елемент. У датчиках типу "лінії передачі" використовуються в основному багатомодові оптичні волокна, а в датчиках сенсорного типу найчастіше - одномодові.

За допомогою волоконно-оптических датчиків з оптоволокном як лінією передачі можна вимірювати наступні фізичні величини:

 1) датчиком прохідного типу: температуру (на основі вимірювання зміни постійної люмінесценції в багатомодових волокнах, у діапазоні 0...70 ⁰С с точністю 0,04 ⁰С;

 2) датчиком відбивного типу: концентрацію кисню в крові (відбувається зміна спектральної характеристики, детектується інтенсивність відбитого світла, оптоволокно - пучкове, з доступом через катетер).

Якщо ж оптичне волокно в датчику використовувати як чуттєвий елемент, то можливі наступні застосування:

1) інтерферометр Майкельсона дозволяє вимірювати пульс, швидкість кровотока: використовуючи ефект Доплера можемо детектувати частоту пульсації - використовуються як одномодові, так і багатомодові волокна; діапазон вимірів: 10-4...108 м/с.

 2) на основі неінтерферометричної структури можливо побудувати датчик, що дозволяє визначати дозу іонізуючого випромінювання, використовуване фізичне явища - формування центра фарбування, детектируемая величина - інтенсивність світла, що пропускається.

1.5.Волоконні світловоди і вимірювальні пристрої на їхній основі

 

Волоконний світловод (рис.1.1, а) складається із серцевини й оболонки, що виконуються зі спеціального кварцового скла [2]. Показник заломлення оболонки вибирається трохи більш низьким, ніж у серцевини. Тому світлові промені, що падають під досить великими кутами із серцевини на границю з оболонкою, будуть зазнавати повного внутрішнього відбиванняння.

У результаті ці промені,що називаються направляючими, будуть поширюватися по світловоду по зиґзаґоподібній траєкторії так, як це показано на рис.1.1, а. Сучасна технологія побудови оптичних волокон настільки досконала, що промені, що направляючі промені можуть поширюватися по світловодам на десятки кілометрів без істотних втрат енергії. В даний час волоконні світловоди широко застосовують для оптичного зв'язку (телеграф, телефон і т.п.). Іншим, більш важливим напрямком є використання оптичних волокон як чуттєві елементи приймачів фізичних величин. Розглянемо фізичні основи роботи таких приймачів.

Відомо, що звичайні фотоелектронні прилади реєструють електричний компонент світлової хвилі. Тому нас буде цікавити напруженість саме електричного поля. Для пройденого через світловод випромінювання вона може бути записана як [3]

де φ – фаза хвилі на виході із волокна рівна:

λ - довжина хвилі, n_эф - ефективний показник заломлення для напрямляючого світла, L - довжина світловода, Е₀ - амплітуда вектора напруженості, ω - частота електромагнітних коливань, t - час. Кожний зі згаданих параметрів хвилі може змінюватися при зовнішніх впливах на світловод, що можна використовувати для цілей реєстрації. У залежності від того, який параметр перетвориться, волоконні приймачі поділяють на амплітудні (зі зміною абсолютної величини вектора Е₀ або, що еквівалентно інтенсивності хвилі, пропорційної \Ео\² ), поляризаційні (зі зміною напрямку коливань вектора Е₀), спектральні (зі зміною частотного спектра) і фазові (зі зміною φ).

Найпростішим амплітудним датчиком є відрізок світловода, що згинається під дією тиску, зусилля, переміщення або інших деформаційних величин. Вигин волокна веде до зменшення кута падіння наравляючих променів, на границю розділу серцевина-оболонка (рис.1.1, б), що приводить до порушення умов повного внутрішнього відбивання. У результаті частина направлячого випромінювання потрапляє в оболонку, де гаситься. Тому інтенсивність світла на виході зі світловода зменшується, що можна зарегіструвати звичайним фотодіодом.

 

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.