Двоканальна оптична система реєстрації сигналів рідкокристалічного сенсора газів
DOI:
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2026-51-1-339-346Ключові слова:
рідкий кристал; рідкокристалічний чутливий елемент; двоканальна оптична система; диференціальний метод; газ; досліджуване середовище.Анотація
Представлено принцип побудови двоканальної оптичної системи реєстрації сигналів рідкокристалічного сенсора газів із спектральним розділенням каналів. Архітектура запропонованої системи базується на просторовому та спектральному розділенні оптичного сигналу на два незалежних канали, що уможливлює одночасне отримання вимірювального та опорного сигналів від одного рідкокристалічного чутливого елемента без механічного перемикання або додаткових оптичних компонентів.
Вимірювальний канал (500–600 нм) реєструє зміни у смузі селективного відбивання рідкокристалічного чутливого елемента, спричинені взаємодією з аналізованим газовим середовищем. Зсув та зміна інтенсивності смуги відбивання є основним інформативним параметром відгуку сенсора. Опорний канал (800 нм) функціонує поза зоною селективного відбивання і забезпечує ефективну компенсацію нестабільності джерела освітлення, а також зовнішніх оптичних завад і флуктуацій фонового освітлення.
Диференціальний метод нормування сигналів застосовано для усунення мультиплікативної складової нестабільності джерела. Такий підхід підвищує відношення сигнал/шум у 7–13 разів порівняно з одноканальною схемою, що суттєво покращує загальну достовірність вимірювань, довготривалу стабільність та відтворюваність показань сенсора за змінних умов навколишнього середовища.
Розроблено математичну модель двоканальної системи з урахуванням спектральних характеристик рідкокристалічного чутливого елемента, чутливості фотоприймачів та шумових складових кожного каналу. Проведено числове моделювання для перевірки запропонованої моделі та оптимізації ключових параметрів системи. Визначено основні метрологічні характеристики: робочий діапазон 0–80 ppm, межа виявлення LOD ≈ 3,2 ppm за рівня шуму фотодіодів σₙ ≤ 0,5 %, відносна похибка вимірювання ≤ 2,5%. Отримані результати підтверджують ефективність двоканального підходу для підвищення чутливості, селективності та експлуатаційної стабільності оптичних газових сенсорів на основі рідких кристалів.
Посилання
I. Kremer, et al., "Primary converter of optical sensors for explosive hazardous substances," in Proc. SPIE — The International Society for Optical Engineering, vol. 14009, art. no. 1400918, 2025. https://doi.org/10.1117/12.3099037.
V. P. Shibaev et al., "Rebirth of Liquid Crystals for Sensoric Applications: Environmental and Gas Sensors," Advances in Condensed Matter Physics, vol. 2015, Art. 729186, 2015. https://doi.org/10.1155/2015/729186
M. Lötzsch et al., "Optical Monitoring of Gases with Cholesteric Liquid Crystals," Journal of the American Chemical Society, vol. 132, no. 16, pp. 5777–5779, 2010. https://doi.org/10.1021/ja907826z.
Y. Yang et al., "Optical fiber sensor based on a cholesteric liquid crystal film for mixed VOC sensing," Optics Express, vol. 28, no. 21, pp. 31872–31881, Oct. 2020. https://doi.org/10.1364/OE.405627.
Z. Mykytyuk, et al., "Features of the transition to the isotropic state of the liquid crystal sensitive element of the gas sensor under the action of acetone vapor," Physics and Chemistry of Solid State, vol. 23, no. 3, pp. 473–477, 2022. https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.473-477.
J. Hu et al., "Simple and stable gas–liquid two-phase optical fiber sensor for acetone based on cholesteric liquid crystal," Optics Communications, vol. 158, Art. 107151, 2022. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128890.
A. Ymeti et al., "Drift correction in a multichannel integrated optical Young interferometer," Applied Optics, vol. 44, no. 3, pp. 3409–3412, 2005. https://doi.org/10.1364/ao.44.003409.
G. Quaranta et al., "Signal drift of oxygen optical sensors. Part II: Smart drift correction algorithm and its experimental check with a light intensity detection based sensor," Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 179, pp. 166–173, 2013. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.12.045.
K. Achtenberg et al., "Two-Channel Detecting Sensor with Signal Cross-Correlation for FTIR Instruments," Sensors, vol. 22, no. 22, Art. 8919, Nov. 2022. https://doi.org/10.3390/s22228919.
M. Yue et al., "A Dual-Signal Ratiometric Optical Sensor Based on Natural Pine Wood and Platinum(II) Octaethylporphyrin with High Performance for Oxygen Detection," PMC / MDPI Sensors, vol. 25, no. 12, Art. 3945, 2024. https://doi.org/10.3390/s25133967.
K. Achtenberg et al., "Comparative Analysis of the Selected Photoreceiver Input Stages in Terms of Noise," PMC / MDPI Sensors, vol. 14, no. 5, Art. 902, 2025. https://doi.org/10.3390/s25051359.
Kukharchuk, V.V., Pavlov, S.V., Holodiuk, V.S., et al. Information conversion in measuring channels with optoelectronic sensors, Sensors , 2022, 22(1), 271
##submission.downloads##
-
PDF
Завантажень: 0
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
