Оптоволоконный сенсор на структурированных пучках оптических волокон
FIBER OPTIC SENSOR BASED ON STRUCTURED BUNDLES OF OPTICAL FIBERS

Изобретение относится к области датчиков/приборов/устройств для определения концентрации веществ в водных растворах и биологических суспензиях, методом погружения в объем измеряемых растворов или биологических суспензий.
На сегодняшний день существует проблема использования для анализа параметров веществ и соединений веществ, обладающих способностью/свойством изменять свои оптические свойства (оптическую плотность, флуоресценцию или фосфоресценцию) в зависимости от содержания/концентрации определенного вещества в газовой фазе или водных растворах. Измеряемыми параметрами, в зависимости от выбора индикатора, могут быть концентрация кислорода, диоксида углерода, кислотность среды и концентрации других физиологически и технически важных веществ.
Известные сегодня варианты выполнения оптических измерений указанных параметров:
- в измерительной кювете/ячейке, размещаемой в анализаторе (фотометре/спектрофотометре/флюориметре) (RU, патент 198125, опубл. 19.06.2020).Способ малопригоден для полевых измерений в силу малой транспортабельности оборудования;
- с использованием погружного оптического датчика (RU. патент 2544457, опубл. 20.03.2015). Хорошее решение для крупномасштабных производств и оперативного контроля на месте, но не годится для анализа образцов малого объема в силу значительных габаритов самого датчика;
- с использованием оптоволоконных зондов. Они имеют малый размер, годятся для измерений, как на больших производствах, так и в микрообъеме, но дороги и сложны в изготовлении. Предлагаемое решение направлено на снижение стоимости и трудоемкости изготовления датчиков (сенсоров) такого типа.
В частности, известен (US, патент 5708735, опубл. 13.01.1998) волоконно-оптический датчик концентрации газов, содержащий источник излучения, приемники излучения и световод, торец которого выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, на который нанесена многослойная оптическая структура. Одним из слоев многослойной структуры является сорбент, обладающий повышенной поглощающей способностью к исследуемому компоненту среды по отношению к прочим компонентам. Под действием поглощенного газа изменяются оптические характеристики сорбента, в частности коэффициент отражения. Измерение осуществляется за счет сравнения интенсивностей части излучения, отраженной от торца световода, и части, отраженной от поглощающего материала.
Недостатком этого датчика является ограниченная область использования, связанная с низкой селективностью к заданным типам газов, а также сложность изготовления.
Известен также (RU, патент 2265826, опубл. 10.12.2005) волоконно-оптический датчик концентрации газов, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, при этом он дополнительно содержит преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения.
Недостатком известного датчика следует признать отсутствие возможности измерения в режиме отражения (с применением в качестве помещаемого в анализируемую среду зонда), т.е. известное решение не позволяет проводить измерение в оптически непрозрачных и рассеивающих средах.
Известен также (RU, патент 2510720, опубл. 10.04.2014) волоконно-оптический зонд для внутрисосудистых измерений, содержащий оптоволоконную жилу, сформированную из одного или более оптического волокна, для пропускания электромагнитного излучения от проксимального конца указанного зонда к дистальному концу указанного зонда и оболочку, выполненную из синтетического материала оболочки и расположенную вокруг указанной оптоволоконной жилы, указанный волоконно-оптический зонд содержит, по меньшей мере, одно упрочняющее волокно, изготовленное из материала, отличного от материала, из которого изготовлена оптоволоконная жила, при этом указанное упрочняющее волокно размещено, по существу, параллельно указанной оптоволоконной жиле или намотано вокруг жилы по спирали.
Недостатком известного технического решения следует признать его сложность.
Данный источник информации принят в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая посредством реализации разработанного технического решения, состоит в использовании имеющегося/разработанного соединения, обладающего способностью/свойством изменять свои оптические свойства (оптическую плотность, флуоресценцию или фосфоресценцию) в зависимости от содержания/концентрации определенного вещества в газовой фазе или водных растворах. Измеряемыми параметрами, в зависимости от выбора индикатора, могут быть концентрация кислорода, диоксида углерода, кислотность среды и концентрации других физиологически и технически важных веществ.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в исключении из регистрации света окружающей среды, который лежит вне телесного угла (объема), определяемого апертурой волокна, при этом сенсор обладает повышенными быстродействием, чувствительностью и помехоустойчивостью.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать оптоволоконный сенсор на структурированных пучках оптических волокон разработанной конструкции. Оптоволоконный сенсор разработанной конструкции представляет собой сборку, содержащую, по меньшей мере, один Y-образный оптоволоконный жгут с составным сердечником, составленный из двух физически перемешанных пучков волокон, предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала, причем против торца первого пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены излучатель возбуждающего излучения и светофильтр, а против торца второго пучка волокон Y-образного оптоволоконного жгута последовательно размещены светофильтр и фотоприемник, а напротив общего торца оптоволоконного жгута, выполненного плоским, расположено приспособление для размещения чувствительного материала/пленки с индикатором. При добавлении индикатора к анализируемому образцу общий торец контактирует непосредственно с раствором.
При изготовлении сенсора разработанной конструкции могут быть использованы оптические волокна диаметром от 50 мкм до 2 мм.
Пучки могут быть перемешаны стохастически или в виде организованной сборки вокруг центральной возбуждающей жилы.
В некоторых вариантах реализации сборка может содержать более двух пучков.
Основная задача при создании оптоволоконных сенсоров и зондов, решаемая конструкторами - заведение возбуждающего излучения в волокно и отделение от него получаемого отраженного полезного сигнала. Из современного уровня техники известны два основных типа конструкции, которые могут отличаться в реализации производителями:
- оптическая схема с полупрозрачным дихроическим зеркалом, которое позволяет отсечь/отразить возбуждающее излучение от аналитического сигнала;
- Y-образный оптоволоконный жгут со сплавным сердечником.
Ключевые элементы обоих известных вариантов дороги и трудоемки в изготовлении. Для создания дихроического зеркала требуется установка многослойного вакуумного напыления и сверхчистые реактивы. Для сплавления сердечников оптоволокна также требуется специальное оборудование и чистое помещение с высокими требованиями по наличию частиц в воздухе.
Разработанное техническое решение реализует оптическую схему с Y-образным оптоволоконным жгутом. Ключевым отличием является отказ от операции получения сплавного сердечника. Вместо этого предложено собирать Y-образный волоконный жгут, составленный из, по меньшей мере, двух физически перемешанных пучков волокон небольшого сечения (фиг.1), предназначенных для разделения оптических путей возбуждения и регистрации оптического сигнала. Каждый пучок волокон имеет свое назначение:
1. Первый пучок волокон предназначен для передачи света возбуждения на общий торец комбинированного жгута к нанесенной на конце оптического зонда чувствительной пленке или раствору с индикатором.
2. Второй пучок-плечо Y-образного жгута предназначен для сбора света (флуоресценции/фосфоресценции), индуцированного на общем торце волоконного жгута в толще чувствительной пленки или раствора, и передачи света к регистрирующему приемнику света.
Оптические волокна в пучке (сборки) могут быть расположены стохастически (фиг.2) с использованием перемешанных волокон равного или разного диаметра, или (фиг.3 с использованием волокон равного или разного диаметра, собранные в организованную сборку с центральной возбуждающей жилой, окруженной принимающими каналами. При этом использованы следующие обозначения волокна, подающие возбуждающее излучение 1, волокна, собирающие свет 2 от чувствительной пленки или раствора. В случае организованной сборки возможно инвертированное назначение волокон, т.е. с центральной принимающей жилой, окруженной возбуждающими каналами.
Организованные сборки могут в дальнейшем также объединяться в более крупные структуры для увеличения интенсивности полезного сигнала.
На фиг.4 приведено схематичное изображение разработанного устройства, при этом использованы следующие обозначения: излучатель 1 возбуждающего излучения, светофильтр 2, Y-образный составной оптоволоконный жгут 3, светофильтр4, фотоприемник 5, плоский торец 6 жгута, приспособление для размещения чувствительного материала/пленки с индикатором 7. При добавлении индикатора к анализируемому образцу общий торец контактирует непосредственно с раствором.
50
47
2
3
25
16
7
3
10
3
Разработанный сенсор работает следующим образом. Для определения концентрации конкретного вещества подбирают индикатор, и, исходя из его спектральных характеристик, выбирают длины волн возбуждающего излучения и светофильтры. Например, для определения кислорода может быть использован металлокомплекс порфирина (или его производного). В этом случае в качестве источника возбуждающего излучения используют светодиод с максимумом испускания 405 нм со светофильтром шириной 30 нм. Для регистрации излучения можно использовать кремниевый фотодиод широкого спектра поглощения с широкополосным светофильтром, отсекающим в регистрируемом излучении длины волн менее 630 нм. Для измерения концентрации ионов кальция может быть использован индикатор Fluo-5N (брутто-формула CHFNO). Для измерения диоксида углерода или кислотности среды может быть использован индикатор HPTS (брутто-формула CHNaOS).Для их возбуждения применяют светодиод с максимумом 470 нм и светофильтром шириной 25 нм. Для регистрации излучения можно использовать кремниевый фотодиод широкого спектра поглощения с узкополосным светофильтром 515 нм и шириной 25 нм.
Индикатор иммобилизуют в газопроницаемой матрице (пленке), размещаемой вблизи общего торца волоконного жгута, или непосредственно добавляют к анализируемому раствору. Общий торец Y-образного жгута погружают в анализируемый раствор. Для измерения концентрации вещества индикатор в пленке или в растворе облучают возбуждающим излучением и регистрируют порождаемую флуоресценцию/фосфоресценцию/ Интенсивность регистрируемого сигнала, пересчитывают в концентрацию измеряемого вещества по методу градуировочного графика. Вместо интенсивности в качестве аналитического сигнала могут использовать время жизни возбужденного состояния индикаторного красителя. При этом техническое исполнение оптической схемы идентично, меняется только алгоритм работы электронной схемы возбуждения и обработки регистрируемого сигнала..
Преимуществами разработанного устройства являются:
мах
мах
Использование волоконной оптики позволяет исключить из регистрации свет окружающей среды, который лежит вне телесного угла (объема), определяемого апертурой волокна. Любой свет/луч света, попадающий на плоский приемный торец волокна под углом, который больше угла полного внутреннего отражения (Θ), будет рассеян/потерян при прохождении света по волокну и не попадет на регистрирующее устройство. Таким образом, особенность оптического волокна проводить свет, лежащий исключительно внутри угла полного внутреннего отражения (Θ) позволит отфильтровать «паразитный» свет, и работать в освещенном помещении.
Предлагаемое решение обладает отсутствием реакции на внешние электрические помехи или шумы, вследствие исключения электрохимических реакций, вовлеченных в процесс измерения.
Предлагаемый сенсор может иметь любые геометрические размеры. При том, что диаметр общего торца может быть от 1 мм и выше без потери быстродействия и чувствительности.
Принцип изготовления предлагаемого устройства позволяет изготовление/создание любой механической конструкции, размера и геометрии, необходимой для монтажа в соответствии с требованиями приемного устройства, с сохранением чувствительности.