ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №8
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.4
УДК: 53.083.2; 53.082.73; 534.13
РЕЗОНАНСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОРБЦИОННОГО
ОПТОВОЛОКОННОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ДАТЧИКА
А.А. Паньков, П.В. Писарев, С.Р. Баяндин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, д. 29
Статья поступила в редакцию 17 июня 2022 г.
Аннотация. Разработана математическая электро-механическая модель представительного фрагмента газоаналитического оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного датчика с наличием специального внешнего абсорбционного слоя для мониторинга протяженных областей. Информативный световой сигнал генерируется в результате механолюминесцентного эффекта, обусловленного контактным взаимодействием пьезоэлектрического и электролюминесцентного цилиндрических слоев (покрытий) оптоволокна, при вынужденных электромеханических колебаниях датчика под действием приложенного гармонического управляющего электрического напряжения. Представлен алгоритм нахождения сорбционного спектра (изменений плотности абсорбционного слоя по длине датчика) через решение интегрального уравнения Фредгольма по результатам измерения информативного светового спектра интенсивности свечения на выходе из оптоволокна датчика. Осуществлено численное решение связанной стационарной краевой задачи электроупругости для представительного фрагмента датчика. Найдены собственные частоты и формы колебаний датчика с учетом геометрической формы, взаимного расположения и анизотропии электроупругих свойств его структурных элементов, в том числе характеристик абсорбционного слоя. Выявлены закономерности влияния диагностируемого значения плотности абсорбционного слоя на информативные значения резонансных частот различных форм колебаний датчика.
Ключевые слова: пьезоэлектроупругость, механолюминесцентный эффект, оптоволокно, газоаналитический датчик, модальный анализ, численное моделирование.
Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-41-596010.
Автор для переписки: Паньков Андрей Анатольевич, a_a_pankov@mail.ru
Литература
1. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. Москва, Мир. 1980. 539 с.
2. Виглеб Г. Датчики. Москва, Мир. 1989. 196 с.
3. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. Москва, Научный мир. 2000. 144 с.
4. Белянкин С.Е. Сенсоры контроля концентрации газовых компонентов. Фундаментальные исследования. 2006. №2. С.49-51.
5. Петрухин О.М., Максименко О.О. Сенсоры в аналитической химии. Российский химический журнал. 2008. Т.52. №2. С.3-6.
6. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Попов К.А. Волноводные датчики концентраций веществ в газовых смесях и жидкостях. Приборы и техника эксперимента. 2002. Т.45. С.145-148.
7. Саввин С.Б., Кузнецов В.В., Шереметьев С.В., Михайлова А.В. Оптические химические сенсоры (микро- и наносистемы) для анализа жидкостей. Российский химический журнал. 2008. Т.52. №2. С.7-16.
8. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы. Датчики и системы. 2001. №3. С.46-50.
9. Казьмина И.Г., Рязанцева Л.Т., Федянин В.И. Химические сенсоры в системе экологического мониторинга. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. №2. С.144-146.
10. Kieu K.Q., Mansuripur M. Biconical fiber taper sensors. IEEE Photonics Technology Letters. 2006. V.18. №21. P.2239-2241.
11. Linslal C.L., Syam Mohan P.M., Halder A., Gangopadhyay T.K. Eigenvalue equation and core-mode cutoff of weakly guiding tapered fiber as three layer optical waveguide and used as biochemical sensor. Applied Optics. 2012. V.51. №16. P.3445-3452.
12. Егоров А.А. Систематика, принципы работы и области применения датчиков. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2009. №3. http://jre.cplire.ru/jre/mar09/3/text.pdf
13. Sun Y., Fan X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2011. V.399. P.205-211.
14. Yin M., Huang B., Gao S., Zhang A.P., Ye X. Optical fiber LPG biosensor integrated microfluidic chip for ultrasensitive glucose detection. Biomedical Optics Express. 2016. V.7. №5. P.2067-2077.
15. Luo B., Yan Z., Sun Z., Li J., Zhang L. Novel glucose sensor based on enzyme-immobilized 81° tilted fiber grating. Optics Express. 2014. V.22. №25. P.30571-30578.
16. Baldini F., Brenci M., Chiavaioli F., Giannetti A., Trono C. Optical fibre gratings as tools for chemical and biochemical sensing. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2012. V.402. №1. P.109-116.
17. Linslal C.L., Syam Mohan P.M., Halder A., Gangopadhyay T.K. Analysis and modeling of an optical fiber loop resonator and an evanescent field absorption sensor for the application for chemical detection. Sensors and Actuators A: Physical. 2013. V.194. P.160-168.
18. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields. Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V.288. P.171-176.
19. Паньков А.А. Электро-механическая модель индикаторного полимерного оптоволоконного PEL-покрытия механических воздействий. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.1
20. Паньков А.А., Писарев П.В. Антиобледенительное индикаторное полимерное покрытие со встроенным оптоволоконным PEL-датчиком для индикации, локации и очистки от обледенения аэродинамических поверхностей. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2021. №4. С.111-121.
Для цитирования:
Паньков А.А., Писарев П.В., Баяндин С.Р. Резонансные характеристики сорбционного оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного датчика. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.4