- •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
5.9.3. Особенности исследования водных сред в ик диапазоне
Нет необходимости подробно освещать вопросы, связанные со сложностью получения спектральных характеристик в инфракрасном диапазоне объектов, находящихся в водной среде. Специфика исследования биологических объектов довольно часто вынуждает прибегать либо к их взвесям в воде, либо к их водным растворам. Поэтому для получения спектральных характеристик в ИК диапазоне биологических объектов используют различные приемы. В одном случае это очень тонкие слои водных растворов биологических объектов, в других случаях подбираются растворители, имеющие высокую степень прозрачности в ИК диапазоне именно в тех областях, где ожидается получение необходимых спектров исследуемого биологических объектов, в третьем случае используется замена Н2О на Д2O.
Методы спектроскопии НПВО создают хорошие предпосылки для исследования биологических объектов в водных средах. Но количество работ, в которых были бы детально проанализированы возможности этих методов и их особенностей при анализе водных сред, крайне мало. Поэтому в настоящем разделе предлагаем решение ряда конкретных задач, связанных с анализом объектов, находящихся в водных средах.
При использовании спектроскопии пропускания для анализа водных сред, особенно в случае применения дифференциального метода, необходимо точно задавать и определять толщину кюветы, которая при исследовании водных растворов не превышает 0,02 мм из-за сильного поглощения воды в области валентных и деформационных колебаний группы ОН.
Точный контроль и приготовление таких малых толщин затруднителен, к тому же исследование систем в таких слоях осложнено за счет возможности возникновения различных поверхностных явлений, которые могут привести к нарушению структуры раствора. Спектроскопия НПВО позволяет обойти некоторые трудности, которые возникают при получении спектров пропускания этих растворов.
Если анализируемый объект, находящийся в растворе, обладает достаточной поглощающей способностью в такой толщине слоя, которая соответствует эффективной толщине dэф, то можно легко получить спектр МНПВО этого объекта. Для водных растворов полученный спектр МНПВО будет в той мере отражать спектр воды, в какой степени излучение проникает в жидкую среду. Поэтому спектры МНПВО объектов, растворенных в воде, нами были получены дифференциальным методом, который позволяет в определенной мере компенсировать полосы той воды, структура которой остается неизменной при растворении в ней интересующих нас объектов. Однако при использовании одинаковых ИЭ МНПВО за счет замещения части молекул воды в растворе растворенным объектом происходит перекомпенсация воды при использовании дифференциального метода, что выражается в появлении минимума поглощения (максимума отражения). Отмеченный эффект приводит обычно к искажению контура близлежащих полос поглощения (в случае их плохого разрешения), принадлежащих исследуемому объекту.
В спектроскопии МНПВО изотропных объектов имеется возможность осуществления компенсационных измерений при сохранении N и θ. Этот метод основан на плавном изменении величины (в пределах dэф2 ÷ dэф1) путем поворота поляризатора в интервале 0 ÷ 90º. Этот принцип плавного изменения dэф, а следовательно и измеряемого на опыте коэффициента отражения R, позволяет преобразовать приставку МНПВО в кювету переменной толщины. С помощью такой кюветы и набора элементов МНПВО можно перекрыть большой диапазон от 0,1 до 200 мкм. Таким образом можно устранить влияние мешающего эффекта замещения части молекул воды растворенным в ней объектом.
Расчеты, приведенные в работе, показывают, что, с одной стороны, в спектре МНПВО изотропного объекта форма контура полос практически не зависит от угла поворота поляризатора. С другой стороны, вариация угла поворота поляризатора будет менять контраст полос в спектре МНПВО. Эти два обстоятельства обеспечивают удобный способ компенсационных измерений. Следует только помнить, что такой способ компенсационных измерений приводит к некоторым энергетическим потерям вследствие введения в измерительную схему поляризатора.
Описанную выше методику можно продемонстрировать, например, при измерении концентрации аммонийного азота и углеводов, растворенных в культуральной жидкости, при производстве антибиотиков.
При использовании дифференциального метода в спектроскопии МНПВО в области поглощения аммонийным азотом (1360 ÷ 1450 см-1) и углеводами (980 ÷ 1170 см-1) вода не оказывает мешающего действия на регистрацию этих полос поглощения. Следовательно, возможно измерение этих компонентов среды непосредственно в водных растворах.
На основании экспериментов было установлено также, что мешающие компоненты сред в имеющихся концентрациях, которые используются для биосинтеза тетрациклина и пенициллина, не оказывают существенного влияния на регистрацию полос поглощения аммонийным азотом и углеводами.
Следует только указать, что при измерении в среде аммонийного азота в качестве источника азота использовалась соль (NH4)2SO4, а при измерении растворенных углеводов соль (NH4)2SO4 заменялась на NH4NO3.
Благодаря специфичности методов спектроскопии внутреннего отражения стало возможным теоретически прорабатывать вопросы и вести экспериментальные работы по анализу многокомпонентных гетерогенных сред. Это означает, что имеется возможность вести серьезные экспериментальные работы по рассмотренным во введении проблемам. Для этого нужна была методическая база, которая бы теоретически и практически обеспечила экспериментаторам фронт работ.