ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к сенсорным устройствам для анализа состояния и качества состава жидкостей на основе фотонно-кристаллических волокон и может быть использована для контроля окружающей среды, различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Принцип работы сенсора основан на регистрации относительного изменения показателя преломления анализируемой среды и воздуха.
Уровень техники
Рефрактометрические методы относятся к числу наиболее распространенных оптических методов исследования физико-химических характеристик вещества благодаря высокой точности, скорости и простоте проведения исследования. Благодаря появлению фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) [J. С.Knight, T.A.Birks, P.S.J.Russell, and D. M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt. Lett. 21, 1547-1549 (1996)] рефрактометрические методы получили дальнейшее развитие в плане повышения достоверности, точности и экспрессности получения информации. ФКВ представляет собой протяженную диэлектрическую структуру с полой или сплошной сердцевиной, окруженную оболочкой с множеством протяженных пустых каналов, которые параллельны продольной оси. Известно, что если периодичность показателя преломления оболочки (воздух-диэлектрик) соизмерима с длиной волны сфокусированного в сердцевину излучения, то некоторые длины волн могут распространяться по сердцевине с минимальным затуханием за счет антирезонансного режима взаимодействия мод сердцевины и оболочечных мод, возникновения фотонных запрещенных зон по аналогии с энергетическими зонами электронов в полупроводниках. При этом спектральное положение соответствующих пиков пропускания зависит от показателя преломления среды заполнения полой сердцевины и каналов микроструктурированной оболочки ФКВ. Данная закономерность лежит в возможности использования ФКВ в качестве сенсорных устройств жидкостей и газов.
Известно сенсорное устройство [CN 1900696 В], которое содержит ФКВ, обладающее относительно низкими потерями для света, распространяющегося вдоль полой сердцевины. Также имеется другое плечо интерферометра, содержащее кювету с эталонным газом, вдоль которого распространяется опорный пучок света. Система регистрации измеряет и сравнивает опорный и исследуемые пучки по изменению интерференционной картины. При заполнении полой сердцевины ФКВ исследуемым аналитом или изменении его концентрации меняются условия прохождения света в сердцевине полого волокна, что фиксируется системой регистрации.
Существует сенсорное устройство [RU №2432568С1] на основе ФКВ с полой сердцевиной для регистрации тонких слоев молекул, иммобилизуемых на поверхности оболочки, а также для регистрации малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры. Физический принцип отклика данной системы на среду заполнения полой сердцевины аналогичен предыдущему устройству. Различие состоит в том, что устройство содержит антирезонансную интерферометрическую систему, непосредственно интегрированную в оболочку волокна. Это существенно упрощает сенсорное устройство за счет того, что не нужен внешний интерферометр. Антирезонансная интерферометрическая система формирует узкие линии в спектре пропускания световода за счет многолучевой интерференции между волноводными модами полой сердцевины и стеклянной оболочки. Положение линии в спектре пропускания световода зависит от наличия аналита в полом световоде. Узкие линии в спектре пропускания позволяют повысить чувствительность регистрации малых изменений показателя преломления аналита.
Основные недостатки, которые ограничивают промышленное внедрение существующих устройств: достаточно большие массогабариты и дороговизна измерительного оборудования. Не маловажной проблемой является сложность реализации условий экспрессного и качественного заполнения микроканалов волокна аналитом, которая сопряжена с необходимостью тонкой юстировки оптических узлов при каждом новом измерении.
В качестве решения указанных проблем по заполнению полой сердцевины ФКВ аналитом, во внешней оболочке волокна проделываются дополнительные отверстия поперек оси для ввода и вывода аналита внутрь световода [Adriaan van Brakel, Christos Grivas, Marco N. Petrovich, and David J. Richardson. Micro-channels machined in microstructured optical fibers by femtosecond laser// OPTICS EXPRESS (2007). Vol. 15, No. 14. pp.8731-8736] [Wei Jin, Shujing Liu, Long Jin, Yuek Lai Hoo, and Hoi Lut Ho. In-line, microstructured optical-fiber devices for sensing applications//SPIE (2010). 10.1117/2.1201005.002969]. Данная процедура довольно трудоемка, если учесть, что внешний диаметр самого ФКВ (обычно из стекла) порядка 1 мм и нарушение целостности конструкции может привести к разрушению волокна.
Существуют способы реализации сенсорных устройств [Ana М. Cubillas, Jose М. Lazaro, Olga М. Conde, Marco N. Petrovich and Jose M. Lopez-Higuera// Sensors 2009, 9, 6261-6272; doi:10.3390/s9080626] с применением дополнительных насосов при заполнении внутренней полости ФКВ исследуемым материалом.
Наиболее близким по технической сути (аналогом) предлагаемой полезной модели является сенсор на основе ФКВ, содержащее широкополосный источник света, стандартное оптическое волокно для доставки излучения от источника на входной торец ФКВ, ФКВ с полой сердцевиной для детектирования относительного смещения показателя преломления жидкой среды заполнения, первый и второй концы которого монтированы в специальные камеры с насосами, обеспечивающие заполнение/удаление полости волокна жидкостью и тонкую юстировку входного торца волокна для эффективного попадания излучения от источника в волноводную сердцевину волокна, а также выхода аналитического сигнала с выходного торца ФКВ на вход другого стандартного оптического волокна в составе измерительной системы. Принцип работы сенсора состоит в измерении положения реперных точек на трансмиссионных спектрах волокна с воздушным и жидкостным заполнением и расчет коэффициента преломления исследуемой жидкости по величине сдвига максимумов пропускания с использованием определенной математической формулы [G. Antonopoulos, F. Benabid, Т.A. Birks, D.М. Bird, J.С.Knight and P. St. J. Russell G. Antonopoulos, F. Benabid, T.A. Birks, D.M. Bird, J.C. Knight, P. St. J. Russell, "Experimental demonstration of the frequency shift of bandgaps in photonic crystal fibers due to refractive index scaling," Opt. Express 14, 3000-3006 (2006)].
К недостаткам прототипа можно отнести то, что он реализован в лабораторных условиях и состоит из отдельных конструктивных узлов, таких как, источник широкополосного излучения, ФКВ, специальные камеры с насосами для заполнения/удаления полой сердцевины жидкостью, а также оптики для ввода - вывода излучения из ФКВ, которые прецизионно юстируются друг относительно друга. Указанные особенности создают сложности по измерению аналитического сигнала, которые в конечном итоге приводят к неэффективности промышленного применения данного технического решения.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание простого в исполнении портативного устройства для эффективного контроля состояния и качества состава жидких сред.
Технический результат заявляемого сенсора достигается тем, что используется цельная конструкция, позволяющая исключить громоздкие узлы камер с насосами для заполнения/удаления полой сердцевины жидкостью, а также сложную систему юстировки торцов волокон.
Принцип работы заявляемой полезной модели основан на регистрации малых изменений показателя преломления исследуемой среды с использованием ФКВ с полой сердцевиной (Фиг. 1), которая является ключевым элементом сенсора.
Особенность таких ФКВ состоит в том, что из широкого сплошного спектра оптического излучения, подаваемого на его входной торец, определенные части спектра способны распространяться вдоль сердцевины практически без потерь, в то время как другие участки этого же спектра вовсе и затухают [A.M. Желтиков. Оптика микроструктурированных волокон (Москва, Наука, 2004)]. В итоге характерные спектры пропускания (зависимость интенсивности излучения на выходе ФКВ от длины волны) имеют ярко выраженные максимумы и минимумы (Фиг. 2). Количество пиков на спектре в заданном диапазоне длин волн и их положения однозначным образом определяются геометрическими размерами волновода в поперечном сечении, такими как, диаметр полой сердцевины, диаметр и толщина стенок капилляров вокруг полой сердцевины. При заполнении полых каналов ФКВ исследуемым аналитом, в зависимости от состава происходит изменение условий распространения излучения вдоль волноводной сердцевины, что выражается в сдвиге положения пиков и минимумов на трансмиссионном спектре (Фиг. 3). Имея предварительно установленные зависимости смещения реперных точек от состава жидкости (градуировочная линия) можно проводить контроль состояния и качества исследуемого аналита (Фиг. 4).
Возможность промышленного применения этого принципа зависит от решения ряда технических задач, которые были подробно описаны в прототипе.
По аналогии с прототипом заявляемая полезная модель состоит из следующих функциональных блоков:
1. Источник широкополосного зондирующего излучения;
2. Система заполнения/удаления ФКВ жидким аналитом;
3. Система позиционирования зондирующего излучения на волноводную сердцевину волокна и выходного аналитического сигнала на окно измерительной системы.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется прилагаемыми чертежами.
Сенсор можно условно разделить на 4 конструктивных элемента, в целом напоминающий медицинский инъекционный шприц, изготовленных из пластика или металла, которые во взаимосвязи осуществляют функциональность. Так в элементе №1 компактно размещены источник широкополосного излучения, коллимирующая линза, элементы питания источника излучения и конструктивно выполнено так, что обеспечивается плотное скольжение внутри элемента №2, выполненного в виде полого цилиндра, которая в комбинации с элементом №1 заполняется исследуемым аналитом в процессе измерения и на одном конце которого расположен штуцер, служащий для плотного соединения элемента №3, представляющего собой ФКВ в защитной оболочке (капсуле). Таким образом, элементы №1, №2, №3 во взаимосвязи обеспечивают заполнение/удаление полых каналов ФКВ анализируемым материалом и эффективность ввода излучения в волноводную сердцевину ФКВ без дополнительной ручной юстировки. В дальнейшем, для прецизионного ввода аналитического сигнала в измерительную систему сборная конструкция элементов №1, №2, №3 вставляется в элемент №4, конструктивно выполненный в виде полого цилиндра, внутри которого на определенном расстоянии от выходного конца установлена коллимирующая линза, а выходной конец элемента снабжен штуцером с резьбой для соединения с оптоволокном измерительной системы.
В итоге данная конструкция полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи по упрощению конструкции и соответствия уровню промышленной применимости.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено микроскопическое изображение торца ФКВ с полой сердцевиной.
На фиг. 2 изображен нормированный спектр пропускания ФКВ, заполненного воздухом.
1
2
На фиг. 3 представлены нормированные спектры пропускания ФКВ с заполнением дистиллированной водой (линия 1) и 50%-м раствором этилового спирта (линия 2), λ и λ - положения минимумов пропускания (реперных точек) сенсорного волокна, заполненного дистиллированной водой.
На фиг. 4 изображен график зависимости смещения положения реперов (А) от концентрации раствора этилового спирта.
На фиг. 5 схематично изображен внешний вид элемента №1, представляющий собой цилиндрической формы контейнер (1), в передней части которого закреплены малогабаритный источник зондирующего широкополосного излучения (2), коллимирующая линза (3) и резиновый уплотнитель (4), в задней части колпак (5) и кнопка включения/отключения питания (6) источника излучения, причем колпак выполнен так, чтобы соединительной резьбой прикручивается к основной части контейнера, внутри которого размещены элементы питания для источника зондирующего излучения (7).
На фиг. 6 схематично изображен внешний вид элемента №2, представляющий собой полый цилиндр (8), внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру уплотнительной резины (4) элемента №1, при этом, выходной конец снабжен штуцером (9), а на некотором расстоянии от выходного конца по внешнему периметру цилиндра крепится ограничительное кольцо (10).
На фиг. 7 схематично изображена внешний вид элемента №3, представляющий собой закрепленное внутри защитной оболочки (капсулы) (11) ФКВ (12), открытое с обеих торцов, причем один конец капсулы выполнен так, что ее внутренний диаметр позволяет плотное соединение со штуцером (9) элемента №2.
На фиг. 8 схематично изображен внешний вид элемента №4, который выполнен в виде полого цилиндра (13), внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру элемента №2, при этом один цилиндра конец снабжен штуцером (14) с резьбой для соединения с оптоволоконным входом измерительной системы, а на некотором расстоянии от штуцера внутри цилиндра (13) установлена коллимирующая линза (15), обеспечивающая попадание на окно измерительную системы излучения с полой сердцевины ФКВ (12).
На фиг. 9 изображен внешний вид сенсора в рабочем состоянии, заполненное исследуемым аналитом (16) и подключенное к измерительной системе.
Осуществление изобретения.
Сенсор представляет собой систему, состоящую из четырех элементов. Для удобства описания в дальнейшем каждому элементу даны условные номера от №1 - №4:
Элемент №1 представляет собой цилиндрической формы контейнер (1) из пластика или металла (Фиг. 5), в передней части которого закреплены малогабаритный источник зондирующего широкополосного некогерентного излучения (2), коллимирующая линза (3) и резиновый уплотнитель (4), в задней части колпак (5) и кнопка включения/отключения питания (6) источника излучения, причем колпак выполнен так, что соединительной резьбой прикручивается к основной части контейнера, внутри которого размещены элементы питания для источника зондирующего излучения (7). В рабочем состоянии при нажатии на кнопку питания на входном конце появляется колллимированный световой пучок.
Элемент №2 представляет собой полый цилиндр (8), внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру резинового уплотнителя (4) элемента №1 (Фиг. 6), при этом, выходной конец снабжен штуцером (9), а на некотором расстоянии от выходного конца по внешнему периметру цилиндра крепится ограничительное кольцо (10).
Элемент №3 представляет собой капсулу (11) внутри которой закреплено полое волокно (12) так чтобы ее полая часть с обоих концов были открыты, а капсула при этом служит в качестве защитной оболочки, причем один конец капсулы выполнен так, что ее внутренний диаметр позволяет ее соединять плотно со штуцером (9) элемента №2 (Фиг. 7).
Элемент №4 также представляет собой полый цилиндр (13) внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру элемента №2, при этом выходной конец снабжен штуцером (14) с резьбой для соединения с оптоволоконным входом измерительной системы (на фигуре не указана), а на некотором расстоянии от штуцера внутри цилиндра (13) установлена коллимирующая линза (15) обеспечивающая попадание на окно штуцера, а далее в систему регистрации излучение только с полой сердцевины (Фиг. 8).
Сенсор работает следующим образом. Для забора исследуемой жидкости элемент №1 вставляется внутрь элемента №2 до упора, конец штуцера опускается в анализируемую жидкость, после чего элемент №1 медленно вытягивается назад, при этом жидкость втягивается внутрь элемента №2, после того как набран необходимый объем жидкости на штуцер (9) элемента №2 надевается до упора элемент №3, затем медленным нажатием на колпак (5) элемента №1 вперед осуществляется заполнение полых каналов волокна (12) внутри капсулы жидкостью (19) (принцип медицинского шприца), далее сборная конструкция элементов №1, №2,№3, в собранном виде вставляется внутрь элемента №4 до упора, а именно до ограничительного кольца (10) на элементе №2 (Фиг. 9), после чего при помощи резьбового соединения штуцера (14) осуществляется подключение сенсора к измерительной системе (на фиг.9 не указана), далее нажатием кнопки (6) включается источник излучения и производится измерение величины сдвига реперных точек на трансмиссионном спектре, по которому в дальнейшем определяется концентрация аналита путем сравнения с раннее полученной градуировочной линией (зависимость смещения реперной точки от показателя преломления).
Частный случай 1. Для повышения надежности при длительной эксплуатации сенсора дополнительно в колпаке (5) элемента №1 крепится разъем для подачи напряжения питания на источник (2) от внешнего блока питания (на фиг. 5 не указан).
Частный случай 2. Для удобства монтажа и технического обслуживания, часть элемента №4, в которой размещены коллимирующая линза и штуцер выполнена на резьбовом соединении с основной частью элемента.