Оптические сенсоры первого поколения

Простейший оптический сенсор представляет собой оптическую измерительную ячейку, соединенную с фотометром посредством световода - волоконно-оптического кабеля. Таким способом можно непосредственно измерять интенсивность окраски растворов или их флуоресценцию, например, для оценки загрязненности природных вод органическими веществами.

Рассмотрим сначала некоторые общие принципы, на которых основано использование волоконных кабелей в качестве световодов. Волоконно-оптический кабель изготовлен из стекла, кварца или пластмассы и имеет диаметр от 0,05 мкм до 0,6 см. Свет может передаваться как посредством одного-единственного волокна, так и по целому пучку волокон. Эти волокна могут быть расположены как случайно, так и в определенном порядке, например, при передаче цельного изображения. Передача изображений по световодам широко используется в медицине при исследовании внутренних органов.

Рис. 7.21. Отражение света от стенок световода.

Ход лучей в волоконном кабеле изображен на рис. 7.21. В зависимости от угла падения луча часть света отражается от границы раздела сердцевины и оболочки, а часть проходит. Для обеспечения полного отражения света вдоль всего световода угол падения 9 должен составлять определенную величину, называемую предельным углом и зависящую от соотношения показателей преломления сердцевины п₁ и оболочки п₂ При этом показатель преломления сердцевины должен быть больше, чем оболочки. Часто в качестве материала сердцевины и оболочки используют стекла с показателями преломления 1,6 и 1,5, соответственно. Для работы в средней ИК-области используют другие материалы, например, халько-генидные стекла (As-Se-Te) или поликристаллические галогениды серебра, прозрачные в диапазоне 2-20 мкм. Показатель преломления сердцевины оптического волокна, состоящего из 75% AgBr и 25% AgCl, составляет 2,21. Материалом оболочки служит полимер с показателем преломления 1,5.

С величиной предельного угла и показателями преломления п₁ и п₂ связана важная характеристика оптического волокна, называемая численной апертурой NA:

(7.7)

Чем больше численная апертура, тем шире может быть входной конус светового потока.

Вдоль световода луч света может распространяться по различным траекториям, называемым модами. Чаще всего используют многомодальные световоды. У таких световодов показатель преломления материала сердцевины однородный, а на границе с оболочкой он скачкообразно изменяется. Существуют и одномодалъные световоды. Они характеризуются очень тонкой сердцевиной и достаточно толстой оболочкой — толщиной по меньшей мере в 10 раз больше диаметра сердцевины. Траектория распространения луча вдоль такого световода близка к линейной. По таким световодам можно передавать только хорошо сфокусированные потоки света, например, генерируемые лазерами. В лабораторной практике одномодальные световоды используют главным образом лишь для интерферометрических измерений.

Световод для соединения с измерительным прибором — спектрометром или фотометром — имеет форму Y-образного кабеля (рис. 7.22). Свет, падающий от источника, посредством оптического кабеля достигает анализируемого раствора и при помощи отражателя (зеркала) попадает в другой кабель и поступает к фотометру. Длина оптического пути в этом случае вдвое больше, чем расстояние от конца кабеля до зеркала.

Волоконный кабель играет лишь роль передатчика света от источника излучения к приемнику. В качестве приемников могут использоваться различные устройства — например, фотодиоды или оптоэлектронные элементы индикации. Источниками света могут служить полупроводниковые светодиоды.

Рис. 7.22. Оптический сенсор первого поколения для измерения оптической плотности раствора.

Примеры применения волоконно-оптических сенсоров первого поколения приведены в табл. 7.8. В то время как, например, фотометрическое титрование с применением оптоэлектронных сенсоров достаточно легко осуществить на практике, техническая реализация непрерывного слежения за производственным процессом или состоянием природной воды требует применения достаточно сложных устройств. Непосредственный контроль органических загрязнителей природных вод можно осуществить путем измерения флуоресценции. При этом оценивается лишь суммарное качество воды без определения отдельных компонентов. Кроме того, следует иметь в виду, что далеко не все органические загрязнители способны флуоресцировать. Можно использовать и метод комбинационного рассеяния света с применением лазерных источников возбуждения. В этом случае возможно определение загрязняющих веществ при их содержаниях порядка нескольких частей на миллиард на удалении до 1000 м.

Таблица 7.8. Области применения оптических сенсоров первого поколения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: