Новости науки13.06.01. Оптоволоконный детектор алкоголя.

Этанол и метанол - вещества, как известно, токсичные и взрывоопасные - широко используются в промышленности, поэтому нужду в датчиках, чувствительных к присутствию в воздухе этих веществ, испытывают не только сотрудники ГИБДД. Японские исследователи из университета Яманаши предложили простой и надежный метод обнаружения паров алкоголя с помощью оптоволоконного датчика.

Рис.1. Схема эксперимента.

Некоторые полимеры, например, Новолак, разбухают при выдержке в парах спирта. Разбухание сопровождается изменением (уменьшением) показателя преломления. Этим свойством решили воспользоваться японские исследователи [1]. Из другого полимера с показателем преломления n₁ был изготовлен сердечник волновода, покрытый тонким слоем Новолака (либо комплексов на его основе), имеющих показатель преломления n₂ > n₁ в отсутствии паров спирта. Этот чувствительный элемент длиной несколько сантиметров с обоих концов подсоединяется к обычному оптоволокну с тем же сердечником. Через подобный комбинированный световод пропускается излучение светодиода, которое на выходе регистрируется с помощью фоточувствительного элемента (рис.1). В отсутствии паров алкоголя чувствительный элемент функционирует как световод с утечкой - свет выходит через боковую поверхность (из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду - рис.2a). Однако в присутствии этанола или метанола оболочка оптоволокна разбухает и показатель преломления уменьшается, так что после выдержки в парах спирта n₂ становится меньше n₁. В результате световод начинает работать в нормальном волноводном режиме (рис.2b). При этом сигнал на выходе увеличивается примерно на порядок. Для того, чтобы обеспечить быстродействие, разница в показателях преломления сердечника и оболочки была сделана малой - примерно 0.05, - а толщина слоя из комплекса на основе Новолака не превышала полутора микрон. В результате оболочка быстро напитывается спиртом и резкое увеличение сигнала на выходе происходит менее чем за минуту.

Рис.2. a - в отсутствие паров спирта n₂ > n₁ и чувствительный элемент работает как световод с утечкой, b - в присутствии паров полимерная оболочка разбухает, n₂ становится меньше n₁ и чувствительный элемент начинает работать в нормальном волноводном режиме.

Достоинства предложеного устройства в его простоте, надежности, легкости подключения к сигнальной аппаратуре, неприхотливости и невысокой стоимости. В силу того, что детектор не очень чувствителен к малым концентрацием алкоголя и, к тому же, относительно инерционен с точки зрения экспресс-диагностики, в настоящем виде он вряд ли будет применяться дорожной полицией. Однако у него большие перспективы применения в промышленности (датчик утечек), в частности, при использовании метанола в качестве экологически чистого топлива.

1. Masayuki Morisawa, Yumiko Amemiya, Hidenori Kozhu et al. Meas. Sci. Technol. v.12, 877 (2001).

перейти к началу страницы