4.5 Оптичні датчики
Оптичні датчики засновані на взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, що призводить до зміни (модуляції) деяких властивостей випромінювання. Приклади такої модуляції - відмінності в інтенсивності, поляризації і швидкості світла в середовищі. Присутність різних аналізованих хімічних речовин, призводить до модуляції довжини хвилі світла. Оптична модуляція вивчається спектроскопією, яка надає різну інформацію про мікроскопічні структури від атомів до динаміки процесів в полімерах. У загальному випадку, монохроматичне випромінювання проходить через зразок (який може бути газом, рідиною або твердою речовиною), і на виході вивчаються його властивості. Крім того, зразок може реагувати з вторинним випромінюванням (індукованою люмінесценцією), яке також вимірюється.
4.5.1 Датчики інфрачервоного виявлення
Більшість хімічних речовин можуть поглинати інфрачервоне випромінювання на характерних довжинах хвиль аналізованих компонентів. Для цих газоподібних хімічних речовин може бути використаний закон Ламберта-Бера, оскільки оптична щільність газу пропорційна концентрації. Невеликі портативні системи, в яких застосовується ця технологія, використовують недисперсійне інфрачервоне випромінювання (NDIR). У NDIR використовується поліхроматичне джерело світла, як правило, лампа або світлодіод, для передачі електромагнітної енергії через зразок газу (Рис. 21a). Гази відбираються з навколишнього середовища за допомогою вентилятора або насоса, або просто мають можливість дифундувати через фільтр в оптично прозору кювету, як це зазвичай робиться в датчику CO2. Оптичний фільтр встановлюється перед світловим детектором, щоб виділити з падаючого світлового потоку тільки задані довжини хвиль, пов'язані
Рис . 21 . Недисперсійний ІЧ детектор (запозичено з [70]) (а) і приклад спектрів поглинання (б)
з аналізованою компонентою (рис. 21b). Ослаблення світлового потоку поглинанням на характерній для даної речовини довжині хвилі, вказує на її наявність і концентрацію.
Спектроскопічні системи для вимірювання оптичного поглинання в діапазоні УФ та ІЧ довжин хвиль можуть бути використані для виявлення багатьох хімічних речовин, використовуючі характерні особливості спектрів поглинання. В лабораторних ІЧ приладах зазвичай застосовуються дисперсійні ІЧ методи. У цих приладах використовуються гратки або призми для вибору певної довжини хвилі з широкого світового діапазону і подальшого його проходження через аналізований зразок. У всіх цих методах довжина хвилі джерела світла, як правило, узгоджена з реактивною енергією оптичного приймача для досягнення найкращої величини електронного сигналу.
4.5.2 Волоконно-оптичні перетворювачі
Волоконно-оптичні хімічні датчики (рис. 22) використовують хімічні реагенти або фази сорбента для зміни кількості світла або його довжини хвилі, відбитого, поглиненого або переданого через волоконний світловод (див. також рис. 17A). Волоконно-оптичні датчики зазвичай складаються з трьох частин: джерело падаючого (контрольного) світла, оптрод, перетворювач (детектор), для перетворення зміни світлового сигналу в електричний сигнал. Оптрод містить мембранний фазовий реагент або індикатор, оптичні властивості якого залежать від аналізованої речовини [71].
Розташування реагенту і конкретна, залежна від реагенту, оптична характеристика, змінюються від одного типу оптичного датчика до іншого. Він являє собою просте волокно з полімерним покриттям, полірований кінець якого герметизується лінзою зі скловолокна з реагентом, який поглинає падаюче світло.
Стан оболонки волокна (її полірованої поверхні) впливає на відбиття і заломлення світла. Це може викликати затухання зондуючої хвилі. Беручи до уваги, що скло оптичного волокна є міцним і в багатьох випадках хімічно стійким, а покриття (індикатор) - ні, це є вразливою частиною системи [72].
Часто використовуються диференційна схема датчика (щоб виключити всі фактори, крім корисного сигналу) шляхом поділу світла, що входить до волокна і його пропускання, в першому випадку через реагентну зону, а в другому - минаючи її. Для отримання різниці в сигналах, два оптичних променя, що використовуються для зондування, або почергово направляються на один детектор (перетворювач) або подаються на різні детектори.
Рис. 22. Волоконно-оптичний датчик газу
Один з варіантів волоконно-оптичних датчиків є використання покриття кульок, які приєднані або вбудовані в кінці або на поверхні оптичного волокна [73]. Ці кульки з покриттям можуть змінювати свої властивості або мати хімічну або біологічну чутливість.