ДАТЧИК НА ОСНОВЕ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

SENSOR BASED ON MECHANOLUMINESCENT SENSITIVE ELEMENT

Nikita Krylov

graduate student, department BEST, Vladimir State University,

Russia, Vladimir

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассказывается о явление люминесценции. Также описан принцип работы механолюминесцентного датчика. Представлена обобщенная структурная схема датчика и схема преобразования энергии в информационной цепи.

ABSTRACT

This article describes the phenomenon of luminescence. The principle of operation of the mechanoluminescent sensor is also described. A generalized block diagram of the sensor and an energy conversion circuit in the information circuit are presented.

Ключевые слова: люминесценция, механолюминесцентный датчик, оптоэлектронный датчик.

Keywords: luminescence, mechanoluminescent sensor, optoelectronic sensor.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к переходу от электронной элементной базы и электрических систем к фотонным. Сформировалось новое направление исследований - фотоника, достижения которой все шире используются при разработке информационно-измерительных систем нового поколения. В связи с этим возрастает интерес и к сенсорным элементам, имеющим в основе механолюминесцентные материалы.

Механолюминесцентные датчики работают по принципу прямого преобразования входного механического воздействия в выходной оптический сигнал. Такие датчики могут использоваться совместно с волоконно-оптическими каналами передачи информации, что обеспе­чивает высокую помехоустойчивость к электромагнитным помехам. Особенности конструкции делают датчики чувствительными к давлениям, распределенным по площади, поэтому они могут выполнять функцию визуализации полей импульсных давлений (тактильность).

Люминесценция как физическое явление обусловлена способностью светящихся веществ (люминофоров) трансформировать тот или иной вид энергии в видимый свет или, реже, в ультрафиолетовое или инфра­красное излучение. Одним из перспективных, в данном отношении, видов люминесценции является люминесценция с механическим возбуждением или механолюминесценция.

Люминесценцию часто называют холодным свечением, чтобы подчеркнуть ее отличие от температурного излучения нагретых тел. Как известно, во всех случаях испускание кванта света (фотона) является результатом перехода электрона с одного уровня энергии на другой, более низкий. Температурное свечение представляет собой процесс, возникающий при равновесном распределении электронов по уровням энергии. При люминесценции количество электронов на верхних уровнях увеличивается под действием, например, ультрафиолетового, катодного или рентгеновского излучения, таким образом, система переводится в неравновесное возбужденное состояние.

Вторая особенность люминесценции - признак длительности. В отличие от рассеяния света при люминесценции между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность которых больше периода световой волны.

Таким образом, можно определить механолюминесценцию как излучение (видимое или инфракрасное), возникающее под действием механических воздействий. Под механическими воздействиями понимаются статические, динамические и импульсные поля давлений или деформаций. Практически во всех исследованиях отмечается, что наиболее яркое излучение наблюдается при импульсном (ударном) приложении механических сил [1, с. 171].

Люминесценция – спонтанное излучение, представляющее собой избыток над температурным излучением и характеризующееся длитель­ностью, существенно превышающей период световых колебаний.

Обобщенная структурная схема датчика с механолюминесцентным чувствительным элементом приведена на рис. 1. Схема соответствует структуре обычной оптопары и включает механолюминесцентный чувствительный элемент (излучатель), фотоприемное устройство и оптический канал связи между ними.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема датчика с механолюминесцентным чувствительным элементом

Оптический канал связи может быть реализован либо с использо­ванием средств волоконной оптики, либо в виде открытого оптического пространства, обеспечивающего оптический контакт фотоприемника и излучателя.

В первом случае канал связи выполняется в виде волоконно-оптического жгута (ВОЖ) или волоконно-оптического кабеля (ВОК), что обеспечивает значительную конструктивную гибкость и удобство изготовления цепей датчиков.

Успехи в области производства волоконных световодов с малым затуханием и фотодиодов с высокой чувствительностью привели к появлению волоконно-оптических каналов передачи информации, которые эффективно используются как для магистральной, так и для внутриобъектовой связи. Использование внутриобъектовых волоконно-оптических каналов связано с необходимостью уменьшения размеров и массы линий связи, а также повышения плотности потока информации и помехозащищенности информационно-измерительных систем.

В процессе восприятия внешнего воздействия в оптоэлектронном датчике происходит ряд взаимосвязанных преобразований: предвари­тельное, физического эффекта (модуляционное) и фотоприёмное. Предварительное преобразование необходимо, если нельзя непосред­ственно измерить внешнее воздействие или если в наличии уже имеется датчик для измерения другого физического параметра [2, с. 54-58].

Схема, детализирующая преобразование энергии в элементах информационной цепи датчика с МЛЧЭ, показана на рис. 2. Такой датчик работает по принципу прямого преобразования энергии механического воздействия в энергию оптического излучения.

Здесь на входе датчика действует давление (механическое напря­жение), вызывающее деформацию кристаллов люминофора.

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема преобразования энергии в информационной цепи регистрирующего устройства с механолюминесцентным ЧЭ

Такой датчик работает по принципу прямого преобразования энергии механического воздействия в энергию оптического излучения. Здесь на входе датчика действует давление (механическое напряжение), вызывающее деформацию кристаллов люминофора.

Под действием деформации люминесцентный материал возбужда­ется и генерирует световой импульс. Поскольку излучающая поверхность чувствительного элемента имеет мелкозернистую структуру, а кристаллы люминофора непрозрачны, то на выходе чувствительного элемента будет действовать только часть всей выработанной энергии излучения. В зависимости от соотношения размеров светящейся области и входной апертуры оптической среды только часть излучения может быть введена в нее. Потери внутри оптической среды характеризуются коэффициентом пропускания. На выходе из нее и, соответственно, на приемной поверхности фотоприемника (ФП) будет действовать световой поток. При известной чувствительности фотоприёмника напряжение на его выходе усиливается предварительным (нормирующим) усилителем. Далее в микропроцессорном блоке сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке согласно предложенному алгоритму.

Список литературы:

1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
2. Волчихин В.И., Мурашкина Т.И. Проблемы создания волоконно-оптических датчиков // Датчики и системы. 2001. № 7. С. 54-58.
3. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т. 3. М.: РадиоСофт, 2000. 512 с.