6.5. Оптические датчики

В зависимости от эффекта, положенного в основу принципа действия, оптические датчики делятся на пять типов:

– фотоэлектронная эмиссия (или внешний фотоэффект) – это испускание электронов при падении света на анализируемое веще-ство;

– эффект фотопроводимости (или внутренний фотоэффект) – изменение электрического сопротивления измеряемого продукта при облучении его светом. Этим эффектом обладают, например, такие материалы, как ZnS, CdS, Ga, As, Ge, PbS и др.;

– фотогальванический эффект – он заключается в возникновении ЭДС на выводах р–n-перехода в облучаемом светом полупроводнике;

– пироэлектрический эффект – явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменения поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Из датчиков этого типа широко используются ИК-датчики;

– волоконно-оптические измерительные преобразователи (ВОИП).

В оптоэлектронных преобразователях измеряемая величина воздействует на оптический канал, изменяя параметр излучаемого потока при его распространении от источника к приемнику. Наиболее просты по конструкции оптоэлектронные преобразователи, в которых под воздействием физической величины изменяется интенсивность потока некогерентного излучения.

К достоинствам ВОИП можно отнести следующие:

– отсутствие влияния электромагнитных наводок и помех на результаты измерений;

– возможность измерений при высокой степени электроизоляции в условиях полной взрывобезопасности;

– возможность измерений при отсутствии источников питания;

– волоконно-оптические элементы не являются источниками электромагнитных помех.

Все эти факторы в значительной мере способствовали использованию ВОИП в измерительной технике.

К достоинствам оптических датчиков относятся:

– возможность бесконтактного измерения, высокая скорость отклика;

– применение интегральной технологии обусловило уменьшение размеров датчиков и увеличение срока службы.

Недостатками являются чувствительность к загрязнению, влияние на результат измерения колебаний температуры.

Дальнейшее развитие оптических методов связано прежде всего с применением достижений волоконной оптики, причем не только для передачи направленных потоков оптического излучения на значительные расстояния, но и собственно для преобразования измерительной информации. Другим направлением развития оптических ме-тодов является применение лазеров в качестве источника излучения, что позволяет повысить стабильность, точность и чувствительность измерений.

В настоящее время значительные достижения имеются в области создания волоконно-оптических датчиков физических величин. На основе исследований появились предпосылки создания экспресс-анализаторов качества продукции в потоке с помощью оптического метода зондирования. Сущность названного метода заключается в из-мерении диффузного отражения от поверхности продукта; для передачи информации о качестве объекта используется волоконно-оптическая система, что существенно расширяет возможности этого метода. С его помощью были проведены спектрофотометрические исследования образцов (сушеных яблок, сливы, винограда). Результаты позволяют рекомендовать оптический метод зондирования для широкого использования. Существует два метода оптического зондирования:

– основанный на пропускании света через локальный объем анализируемого продукта и регистрации изменения его оптической проводимости.

– основанный на отражении света от конца световода, помещенного в контролируемую среду.

Оптические методы зондирования дают возможность исследовать качество продукции непосредственно в потоке.

Применение лазера расширяет возможности оптических методов.

Проведенные экспериментальные исследования показали высокую эффективность лазерно-оптических методов при контроле состава молока. Возможность применения этого метода основана на том, что характеристики рассеяния света зависят от оптических свойств молока и содержат информацию о концентрации и дисперсном составе его компонентов. Известно, что основной вклад в рассеяние света вносят частицы жира и белка.

Развитие рефрактометрии идет по двум направлениям:

1) использование оптических волокон; измеряется ослабление света в оптическом волокне, погребенном в исследуемую жидкость;

2) применение лазера; контролируется угол дифракции света, проходящего через дифракционную решетку, задняя сторона которой находится в контакте с исследуемой жидкостью.

Достоинствами лазерных рефрактометров являются их простота, возможность дистанционных измерений и использования на технологических линиях.

На основе применения лазеров создан датчик определения загрязнения жидкостей, позволяющий обнаруживать частицы, размер которых не превышает 0,2 мкм. Используемый в этом датчике гелиево-неоновый лазер однородно освещает всю кювету, через которую проходит объем жидкости с расходом 20 мл/мин, обеспечивая обнаружение всех частиц независимо от их положения в кювете. Датчик может использоваться для всех агрессивных и неагрессивных технологических жидкостей.