- •Оптоэлектронные первичные преобразователи на базе световодной техники введение
- •1. Краткий исторический обзор
- •2. Физические основы оптоэлектронных преобразователей
- •2.1. Термины и определения
- •2.2. Поглощение оптического излучения
- •2.3. Принцип действия оптоэлектронных преобразователей
- •2.4. Преобразования входной физической величины в оэп
- •2.5. Параметры оэп
- •3. Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств
- •3.1. Световоды
- •3.2. Оптоэлектронные источники излучения
- •3.2.1. Излучающие диоды
- •3.2.2. Лазеры
- •3.2.3. Другие источники свечения.
- •3.3. Оптоэлектронные приемники излучения
- •3.4. Типовые оптоэлектронные приборы
- •4. Виды оптоэлектронных преобразователей
- •4.1. Оптоэлектронные преобразователи с амплитудной модуляцией
- •4.2. Преобразования входной физической величины
- •4.3. Амплитудные преобразователи физических величин на основе нерегулярных световодов
- •4.3.1. Принципы построения амплитудных световодных оэп
- •4.3.2. Нерегулярности в волоконных световодах и конструкции оэп на их основе
- •4.4. Оэп на основе нарушения полного внутреннего отражения
- •4.4.1. Физические основы метода спектроскопии на основе нпво
- •4.4.2. Особенности метода спектроскопии на основе нпво
- •4.4.3. Сравнение метода спектроскопии нпво с классическими методами отражения и поглощения
- •4.4.4. Датчики на основе нарушения полного внутреннего отражения (пво)
- •4.5. Фазовые оэп
- •4.6. Поляризационные оэп
- •5. Использование плоских световодов при построении оэп
- •5.1. Требования к методической базе для исследования многокомпонентных гетерогенных непрозрачных объектов
- •5.2. Аппаратура для исследования многокомпонентных гетерогенных объектов
- •5.2.1. Устройство для получения характеристик образцов без их разрушения
- •5.2.2. Универсальная приставка мнпво
- •5.2.3. Компенсация изменения глубины проникновения светового потока
- •5.3. Особенности неинвазивного количественного анализа сложных объектов
- •5.4. Методы получения и обработки информации
- •5.4.1. Обработка спектральной информации
- •5.4.2. Фазовый способ анализа
- •5.4.3. Поляризационный анализ
- •5.5. Определение дихроизма полос поглощения
- •5.5.1. Особенности использования линейно поляризованного света, при азимуте поляризации 0º или 90º.
- •5.5.2. Особенности использования линейно поляризованного света, при азимуте поляризации отличного от 0º или 90º.
- •5.6. Регистрация циркулярного дихроизма
- •5.7. Регистрация дисперсии оптического вращения
- •5.8. Определение оптических постоянных
- •5.9. Исследование объектов в сложных средах
- •5.9.1. Особенности получения информации из образцов
- •5.9.2. Особенности исследования объектов в присутствии фона
- •5.9.3. Особенности исследования водных сред в ик диапазоне
- •6. Измерение технологических параметров на базе оэп
- •6.1. Измерение влажности текстильных материалов
- •6.1.1. Метод инфракрасной спектрометрии
- •6.1.2. Измерение влажности текстильных материалов, основанное на методе ик-спектрометрии
- •6.1.3. Источники излучения для ик-влагомеров
- •6.1.4. Классификация ик-влагомеров
- •6.1.5. Обобщенная структурная схема ик-влагомеров
- •Функциональная схема двухволнового однолучевого ик-влагомера
- •6.2. Измеритель влажности волокна в кипах.
- •6.3. Ик оэп расхода волокна в пневмопроводах.
- •6.4. Ик оэп длины ленты в накопителе
- •6.5. Ик оэп линейной плотности ленты
- •6.6. Ик оэп обнаружения швов на движущейся ткани.
- •6.7. Ик оэп переноса уточных нитей в тканях.
- •6.8. Измерение и контроль концентрации и уровня красителей и рабочих растворов
- •6.8.1. Особенности производственного контроля концетрации и уровня красителей и рабочих растворов
- •6.8.2. Методы контроля концентрации рабочих растворов
- •6.8.3. Измерительные устройства для лабораторного и производственного контроля концентрации красителей и рабочих растворов
- •6.8.4. Методы контроля уровня жидких сред
- •6.8.5. Оптоэлектронные пуж без сканирования
- •6.8.6. Методика расчета компенсатора
- •6.9. Исследование и разработка волоконно-оптического датчика температуры с ик-световодом.
- •6.9.1.Функциональная схема датчика температуры с поликристаллическим ик-световодом
- •6.9.2. Расчет параметров волоконно-оптической системы датчика
- •6.9.3. Ввод теплового излучения в волокно при использовании линзы
- •6.9.4. Мощность излучения, вводимого в волокно при произвольном диаметре линзы и волокна
- •6.9.5. Прием излучения от ограниченной площадки через линзу
- •6.9.6. Конструкции стенда для исследования одноканального датчика температуры с поликристаллическим ик-световодом и стенда для испытаний
- •6.9.7. Результаты испытаний одноканального датчика с ик-световодом
- •6.10. Автоматический контроль параметров смешивания натуральных и химических волокон.
- •6.10.1. Анализ известных методов и устройств для контроля параметров смешивания натуральных и химических волокон
- •6.10.2. Оэп для контроля параметров смешивания
- •Литература
- •Заключение
6.1.2. Измерение влажности текстильных материалов, основанное на методе ик-спектрометрии
Спектральные
характеристики текстильных материалов
абсолютно сухой массы
снятые как для прошедшего Ф, так и для
отраженного I потока
излучения в ближней инфракрасной
области, не имеют характерных полос
поглощения, перекрывающихся со
спектральными полосами поглощения
воды. Были проведены исследования
ИК-спектров следующих воздушно-сухих
текстильных материалов (рис. 6.3):
чистошерстяной ткани арт. 1113 (кривая
4); шелковой ткани арт. 32380 (кривая
2); льняного полотна арт. 05228 (кривая
1); хлопчатобумажной ткани арт. 15
(кривая 3); капроновой ленты арт.
МО-07-991 (кривая 5). Полосы резонансного
поглощения текстильными материалами
ИК-излучения назовем характеристическими
с максимумом поглощения на длине волны
.
Характеристические полосы текстильных
материалов несколько смещены в
длинноволновую часть спектра по отношению
к спектральным полосам поглощения воды
и соответствуют, например, для
хлопчатобумажных, льняных и шелковых
тканей длине волны
= 2,1 мкм; для шерстяных и тканей из
синтетических волокон
= 2,03 мкм. Поэтому применение аналитических
полос поглощения воды в ближней ИК-области
возможно для измерения влажности
текстильных материалов.
Рис. 6.3. ИК-спектры воздушно-сухих текстильных материалов.
При контроле
оптической плотности веществ, состоящих
из нескольких компонентов, например,
текстильный материал и вода, коэффициенты
рассеивания и поглощения этих веществ
(S и )
зависят от коэффициентов поглощения и
рассеяния их компонентов (для нашего
случая
,
и
,
).
Применяя выражение (6.8), можно представить
интенсивность прошедшего потока Ф через
исследуемый материал с толщиной
,
содержащий влагу с эффективной толщиной
в следующем виде:
. (6.10)
Определив значение
массы вещества
и подставив в выражение (6.10), можно
получить выражение для влагосодержания
материала применительно к одноволновому
ИК-методу, использующему только одну
аналитическую длину волны
:
, (6.11)
где
,
– спектральные коэффициенты соответственно
ИМ и воды;
,
– объемная плотность соответственно
ИМ и влаги;
– площадь
контролируемой поверхности ИМ.
Для частичного
устранения влияния спектральных свойств
материала и его массы, а также изменения
интенсивности падающего потока на
определение количества влаги в ИМ
используют двухволновой метод. Он
основан на сравнении оптической плотности
ИМ на аналитической длине волны
и опорной длине волны
.
Для этого в спектре поглощения (или
отражения) ИМ выделяется полоса с опорной
длиной волны
,
слабо поглощаемая водой. При этом опорная
длина волны
выбирается таким образом, чтобы значения
функции рассеивания и поглощения от
свойств текстильного материала на обеих
длинах волн были равны или находились
в постоянном отношении. При соблюдении
этого условия
,
где
– коэффициент пропускания абсолютно
сухого материала на длине волны
.
Аналогично можно написать равенство
и для коэффициентов отражения
.
Обычно опорную длину волны
выбирают рядом с полосой поглощения
аналитической длины волны
.
Для текстильных материалов
лежит в диапазоне 1,7
1,85 мкм.
Получаем выражения для значения массы влаги и материала для двухволнового ИК-метода:
; (6.12)
.
Учитывая спектральные
свойства воды, что
,
определим значение влагосодержания ИМ
двухволновым методом:
. (6.13)
При
имеем:
,
где
,
– оптические плотности ИМ на длинах
волн
и
.
Двухволновой метод
возник как метод компенсации неселективного
фона рассеивания. При этом предполагалось,
что зависимость рассеивания от длины
волны постоянна. Однако вариации состава
ИМ могут привести к изменению величины
оптической плотности
=
≠
(рис. 6.3). При этом
≠
и
≠
Эффект изменения
наклона кривой спектра пропускания или
отражения ИМ при изменении длины волны
можно исключить за счет непрерывного
измерения наклона спектральной
характеристики, используя вторую опорную
длину волны
.
Для этого измерение оптических
характеристик ИМ осуществляется на
двух опорных длинах волн
=
и
≠
,
лежащих по обе стороны от аналитической
длины волны
и не совпадающих с полосой поглощения
текстильных материалов. При этом
коэффициент пропускания абсолютно
сухого исследуемого материала
на аналитической длине волны
определяется по формуле
,
где
и
– безразмерные коэффициенты. При таком
методе измерения значения коэффициента
пропускания
(или отражения
)
зависят от содержания количества
влаги в ИМ и не зависят от наклона
спектральной характеристики материала.
Для частичной компенсации объемной и поверхностной плотности, толщины, структуры ИМ можно применить третью полосу ИК-излучения с длиной волны, не перекрывающуюся с аналитической и опорной длинами волн и лежащую в области полосы поглощения ИК-излучения текстильным материалом . Аналогично формуле (6.12) получаем выражение для массы ИМ, используя ИК-излучение на двух длинах волн и :
. (6.14)
Выражение для
влагосодержания
≥
,
определенное при трехволновом методе
с учетом спектральных свойств ИМ, будет
иметь вид
(6.15)
При использовании
длины волны
,
значительно отличающейся от опорной
длины волны
,
применяют опорную длину волны
,
такую, чтобы функции рассеивания от
свойств ИМ на длинах волн
и
были равны или находились в постоянном
отношении. Применение спектрального
интервала
позволяет получать информацию о массе
материала аналогично выражению (6.4):
Введение третьей спектральной полосы повышает точность измерения влагосодержания текстильного материала по отношению к двухволновому методу.
Применение двух- и трехволновых методов ИК-спектрометрии позволяет частично устранить влияние основных физико-механических параметров текстильного материала (масса, плотность, переплетение и др.) на точность определения влажности. Однако влияние спектральных коэффициентов воды, текстильного материала, текстильных вспомогательных веществ не устраняется. Причем в трехволновом методе существенную роль играет точность выбора , что затрудняет его применение. Необходимостью компенсации влияния основных параметров ИМ на точность измерения влажности или получение информации о значениях этих параметров обусловлено применение четырех и более спектральных интервалов в методе ИК-спектрометрии.
