Оптоволоконный датчик с улучшенными метрологическими показателями

Ю.А. Тунакова, А.Р. Шагидуллин, А.Ж. Сахабутдинов,  О.Г. Морозов,
А.А. Кузнецов, К.А. Липатников, И.Г. Григорьева, А.В. Желовицкая

Для формирования системы государственного регулирования выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов наиболее важным этапом  является внедрение автоматических средств измерений концентраций парниковых газов.

В целях развития данного направления предлагается разработка оптоволоконного датчика с улучшенными метрологическими показателями, который, в зависимости от подобранного материала чувствительного слоя, может быть выполнен для регистрации приоритетных загрязняющих веществ.

Нами спроектированы комплексированные волоконно-оптические датчики  концентрации парникового газа диоксида углерода с улучшенными метрологическими характеристиками и возможностью компенсации по параметрам окружающей среды (температура, давление, относительная влажность) с обеспечением возможности доступного адресного мультиплексирования и интеррогации для построения многосенсорных систем локального экологического мониторинга содержания парниковых газов в атмосферном воздухе.

Для этого разработана математическая модель измерительной системы, позволяющей осуществлять измерения спектра отражения и пропускания датчика концентрации газа на основе резонатора Фабри-Перо (РФП), которая позволяет численно исследовать и предсказывать результаты экспериментальных измерений, выполненных на лабораторной установке, построенной согласно требованиям математической модели.

На основе данной математической модели проведено исследование оптоволоконного датчика на основе РФП, созданного на торце оптического волокна путем нанесения на него тонкой полимерной пленки, относительная диэлектрическая проницаемость которой зависит от концентрации тестируемого газа. Выявлены основные зависимости и закономерности: исследовано влияние дрейфа относительных диэлектрических проницаемостей оптического волокна и атмосферы на результаты измерений; проанализировано влияние толщины полимерной пленки на изменение спектра отражения РФП; показано, что компенсационный контроль температуры и влажности окружающей среды следует вводить при их изменении более чем на 10%.

Раскрыта проблема неоднозначности определения величины относительной диэлектрической проницаемости полимерной пленки по измеренным значениям периода гребенки и смещения спектра отражения РФП. Разработана методика определения величины относительной диэлектрической проницаемости для узкого и широкого диапазонов измерения, основанная на определении периода гребенки и сдвига спектра отражения РФП.

Определены ограничения и методические погрешности метода. Выполнена оценка относительной погрешности измерения величины относительной диэлектрической проницаемости для рабочих диапазонов длин волн 850, 1310 и 1550 нм в зависимости от толщины полимерной пленки. Показано, что реально достижимая погрешность определения величины относительной диэлектрической проницаемости полимерной пленки может составлять не более 0,3 % от полной шкалы измерений для узкого измерительного диапазона и не более 1 % при изменении величины относительной диэлектрической проницаемости на порядок.

Все теоретические результаты для РФП подтверждены на собранной лабораторной установке. Дальнейшее развитие предложенного подхода заключается во включении в математическую модель оптоволоконного датчика температуры и разработке совмещенного чувствительного элемента, включающего в себя не только сенсор на базе РФП, но и интегрированный оптоволоконный датчик температуры и влажности с включением в модель процедуры совместной калибровки датчиков. При этом, в отличие от существующих, используется датчик температуры на адресной волоконной брэгговской структуре (АВБС), которая снимает вопросы мультиплексирования и может определять тип датчика по функции «адрес-газ».

Структурная схема адресного КВОД (АКВОД) приведена на рис. 1, а его макет на рис. 2.

АКВОД, разрабатываемый нами, можно представить в виде слоистой структуры, состоящей из трех различных участков, по которым распространяется широкополосное лазерное излучение: сердцевина волокна, структура разновидности АВБС - 2l-АВБС и РФП. На торец оптического волокна нанесена тонкая пленка прозрачного органического полимерного материала толщиной h - газочувствительный слой РФП. Показатель преломления пленки и ее толщина зависят от концентрации исследуемого газа.

Для измерения концентрации парниковых газов газочувствительный слой РФП формируется из различных полимеров: PEI/PVA – для CO₂; Сryptophane A – для СН₄; целлюлоза – для О_Х. Для измерения влажности – PVA. Толщина пленки составляет десятки микрон. 2l-АВБС записывается в диапазоне 1550 нм, что обусловлено как наличием развитой элементной базы для сенсорных и телекоммуникационных систем этого диапазона, так и наличием спектральных откликов полимеров и газов в нем.

Дальнейшее испытание различных газочувствительных материалов проводится с целью расширения количества атмосферных примесей, концентрация которых может определяться с помощью разрабатываемого датчика.

Печать Новость