Новости науки13.06.01. Оптоволоконный детектор алкоголя.
Этанол и метанол - вещества, как известно, токсичные и
взрывоопасные - широко используются в промышленности, поэтому
нужду в датчиках, чувствительных к присутствию в воздухе этих
веществ, испытывают не только сотрудники ГИБДД. Японские
исследователи из университета Яманаши предложили простой и
надежный метод обнаружения паров алкоголя с помощью
оптоволоконного датчика.
Рис.1. Схема эксперимента.
Некоторые полимеры, например, Новолак, разбухают при выдержке в
парах спирта. Разбухание сопровождается изменением (уменьшением)
показателя преломления. Этим свойством решили воспользоваться
японские исследователи [1]. Из другого полимера с показателем
преломления n1 был изготовлен сердечник волновода,
покрытый тонким слоем Новолака (либо комплексов на его основе),
имеющих показатель преломления n2 > n1 в
отсутствии паров спирта. Этот чувствительный элемент длиной
несколько сантиметров с обоих концов подсоединяется к обычному
оптоволокну с тем же сердечником. Через подобный комбинированный
световод пропускается излучение светодиода, которое на выходе
регистрируется с помощью фоточувствительного элемента (рис.1). В
отсутствии паров алкоголя чувствительный элемент функционирует как
световод с утечкой - свет выходит через боковую поверхность (из
оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду -
рис.2a). Однако в присутствии этанола или метанола оболочка
оптоволокна разбухает и показатель преломления уменьшается, так
что после выдержки в парах спирта n2 становится меньше
n1. В результате световод начинает работать в
нормальном волноводном режиме (рис.2b). При этом сигнал на выходе
увеличивается примерно на порядок. Для того, чтобы обеспечить
быстродействие, разница в показателях преломления сердечника и
оболочки была сделана малой - примерно 0.05, - а толщина слоя из
комплекса на основе Новолака не превышала полутора микрон. В
результате оболочка быстро напитывается спиртом и резкое
увеличение сигнала на выходе происходит менее чем за минуту.
Рис.2. a - в отсутствие паров спирта n2 > n1
и чувствительный элемент работает как световод с утечкой, b - в
присутствии паров полимерная оболочка разбухает, n2 становится
меньше n1 и чувствительный элемент начинает работать
в нормальном волноводном режиме.
Достоинства предложеного устройства в его простоте, надежности,
легкости подключения к сигнальной аппаратуре, неприхотливости и
невысокой стоимости. В силу того, что детектор не очень
чувствителен к малым концентрацием алкоголя и, к тому же,
относительно инерционен с точки зрения экспресс-диагностики, в
настоящем виде он вряд ли будет применяться дорожной полицией.
Однако у него большие перспективы применения в промышленности
(датчик утечек), в частности, при использовании метанола в
качестве экологически чистого топлива. 1. Masayuki Morisawa, Yumiko Amemiya, Hidenori Kozhu et al. Meas.
Sci. Technol. v.12, 877 (2001).
|