Перейти к содержимому

ПРАВИЛА ФОРУМА «ЭКОЛОГИЯ НЕПОЗНАННОГО». ЧИТАТЬ!

Приборы для аномалистов и аномальных исследований

датчики применение оборудование обзор описание изучение ая техническое

  • Авторизуйтесь для ответа в теме
Сообщений в теме: 462

#1 ТехАдмин

ТехАдмин

    Вопросы - строго по работе форума

  • Главные администраторы
  • PipPipPipPipPipPip
  • 189 сообщений

Отправлено 13 Июль 2010 - 02:49

Просим уважаемых писателей, читателей и посетителей поделиться ссылками\файлами руководств, методичек, инструкций по работе с дозиметром, магнитометром и прочими полезными в хозяйстве ***метрами. Желательно с качественными рисунками\фото и в виде комиксов.
Только по техническим вопросам.

#2 fred

fred

    Серьёзно ищущий гражданин

  • экспертная группа
  • PipPipPip
  • 138 сообщений

Отправлено 27 Июль 2010 - 20:54

Ищется методика измерений, или также инструкции к конкретным приборам?
Вот, например, такое: Методика (рус) или Страница с ссылкой, не реклама?
Каждый находит то, что ищет. Особенно то, что ищет неосознанно.

#3 ТехАдмин

ТехАдмин

    Вопросы - строго по работе форума

  • Главные администраторы
  • PipPipPipPipPipPip
  • 189 сообщений

Отправлено 28 Июль 2010 - 19:51

И методики, и инструкции, и руководства, etc. Для пополнения соотв. раздела на сайте.
Только по техническим вопросам.

#4 fred

fred

    Серьёзно ищущий гражданин

  • экспертная группа
  • PipPipPip
  • 138 сообщений

Отправлено 03 Август 2010 - 23:18

Типы магнитометров и инструкция к конкретному прибору с того же сайта.

Стандарт санэпиднадзора РФ 2003(электромагнитные измерения)

Сообщение отредактировал fred: 03 Август 2010 - 23:18

Каждый находит то, что ищет. Особенно то, что ищет неосознанно.

#5 МихаилС

МихаилС

    Экспертный совет АЭН

  • экспертная группа
  • 17 сообщений

Отправлено 18 Август 2010 - 16:58

Методические указания по организации в Военно-Морском Флоте наблюдений аномальных физических явлений и их воздействия на окружающую среду, живые организмы и технические средства   

Немного не в тему, но вдруг пригодится кому.


Сообщение отредактировал МихаилС: 18 Август 2010 - 17:01

Руководитель проекта «АЭН-медиа».

#6 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 24 Май 2011 - 17:07

ИК фильтр своими руками

Сэм Нойун придумал один очень интересный и эффективный (а самое главное, дешевый) способ изготовления ИК фильтра.

ИК фильтр своими руками.jpg

Для этого нам понадобятся указанные на фотографии материалы и инструменты: черный маркер, ножницы, засвеченная фотопленка, пластиковый рулон от старого мотка узкого скотча, кусок картона и изолента. Самое сложное - сделать адаптер для фильтра.

Берем старый пластиковый рулончик от скотча - желательно, чтобы он был по внутреннему диаметру больше внешнего диаметра объектива. Вырезаем из картона полоску, по ширине соответствующую рулончику, обматываем её на один виток вокруг рулончика и фиксируем изолентой по кругу, чтобы не разматывалась. Можно сделать пару витков картона - так будет прочнее. Дальше вырезаем кружок, по внешнему диаметру соответствующий внешнему диаметру большого кольца (из картона и изоленты), а по внутреннему - внутреннему диаметру рулончика из-под скотча. Вырезаем, приклеиваем его к картонному колечку, после чего все красим в черный цвет маркером. Рулончик очень хорошо входит во внешнее колечко и держится в нем. Вырезаем из засвеченной, черной части фотопленки два кружка диаметром равным или чуть меньшим внешнего диаметра рулончика из-под скотча, складываем их вместе, кладем внутрь внешнего колечка и фиксируем рулончиком.

Все, фильтр готов - надеваем его на фотоаппарат или видеокамеру (включив режим ночной съемки) и видим только смутные очертания объектов на черном фоне. Фантастика. Не поверите, но это именно то, к чему мы стремились. Теперь немного о том, как нужно снимать. Как вы уже поняли, пленка “гасит” практически всю видимую часть спектра, пропуская лишь ИК-лучи. От этого фотоаппарату трудно фокусироваться, так что желательно пользоваться ручным фокусом. Более того, от этого фотоаппарату и плохо видно, так что используйте штатив и самые низкие установки чувствительности (ISO 50, 64, 100 - у кого как). Кстати фотографии будут красными. Крутите баланс белого вручную или пользуйтесь raw и потом ковыряйтесь в конвертере. В любом случае, без фотошопа все равно не обойтись, так что на легкую работу не надейтесь. Ну и результат - естественно превзойдет все ожидания, так или иначе…

Источник.
Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.

#7 Станислав

Станислав

    ура! я всё же не уфолог...

  • экспертная группа
  • 5 072 сообщений

Отправлено 24 Май 2011 - 18:38

Гм... чукча думать будет...
Делай, что должен... (Марк Аврелий)
Из триад бардов: "Три вещи, которым не стоит верить: мечты старика, клятва возлюбленной и история, рассказанная незнающим"

пока ещё главный редактор «Аномалии»
Спасибо, что прочитали мой пост :)

#8 Iskatel

Iskatel

    Рискованный форумописец

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 162 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 09:54

Наткнулся в Интернете на методику  т.н. "карманной магнитометрии". Магнитометр штука дорогая, далеко не каждый может позволить себе такую "игрушку", а вот авторы одноименной методики, предлагают крайне бюджетный способ поиска и выявления магнитных аномалий.
В качестве основного рабочего инструмента предлагается использовать обычный компас, с помощью нехитрых манипуляций оператор может выявить аномальные локации  из общего фона на исследуемой территории.
Ознакомиться с методикой можно по ссылке:
http://www.tegir.ru/ml/k181.html
Вопрос: как вы считаете, целесообразно ли применять данную методику на практике...?
Свою точку зрения по данному вопросу выскажу в ходе беседы, если таковая сложится:)
руководитель РГ "Челябинск - Космопоиск"
www.uralkosmo.ru

#9 Валерас

Валерас

    Дошёл до ручки...

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 529 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 12:06

Насколько я понимаю, компас будет фиксировать отклонение направления магнитного поля, в то время, как магнитометр - изменения напряженности. Параметры разные, могут между собой не коррелировать.



#10 Iskatel

Iskatel

    Рискованный форумописец

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 162 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 12:28

А есть ли смысл вообще фиксировать отклонение направления магнитного поля, будет ли полезна данная информация при изучении определенной территории, что с того что компас покажет фактическое отклонение... вот в чем основной вопрос.
руководитель РГ "Челябинск - Космопоиск"
www.uralkosmo.ru

#11 Валерас

Валерас

    Дошёл до ручки...

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 529 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 12:43

Любая информация полезна. Вопрос в том, какие выводы из этой информации можно сделать.
Что говорит о природе аномалии факт изменения напряженности или направления магнитного поля? Вот в чем вопрос :)




#12 Iskatel

Iskatel

    Рискованный форумописец

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 162 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 12:54

Если подходить к вопросу с точки зрения самого термина, то об "аномалии" может говорить и то, и другое... главное, что бы от нормы отличалось :)
Это более глобально если подойти, а в частности - непонятно что даст данный опыт на практике. Ну есть точки в которых стрелка меняет направление... ну и что?! Ведь причин тому может быть великое множество.
Вообще, я хотел бы для себя решить есть ли смысл в данном опыте, стоит ли на него тратить силы и время в ходе полевых изысканий.
руководитель РГ "Челябинск - Космопоиск"
www.uralkosmo.ru

#13 Валерас

Валерас

    Дошёл до ручки...

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 529 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 13:09

Могу высказать свои предположения. Надеюсь, знающие люди поправят :)

1. Если аномалия проявляется в напряженности и/или направлении магнитного поля и не меняется во времени - причина в неоднородности горных пород.

2. Если аномалия проявляется в напряженности и/или направлении магнитного поля и меняется во времени - причина в:
    а) изменении направления течения грунтовых вод (изменение направления магниного поля);
    б) изменении скорости течения или физических свойств грунтовых вод (изменение напряженности магниного поля);
    в) изменении электростатических потенциалов кварцевых пород в при изменении давления в местах разломов (изменение напряженности и/или направления магнитного поля).

#14 Iskatel

Iskatel

    Рискованный форумописец

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 162 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 14:37

Это понятно все, да изменяется под воздействием некоторых внешних факторов... но вот каких именно это то как определить исходя из показаний отклонений стрелки компаса.
Например, приехали в АЗ или на культовый памятник, провели замеры в точке №18, №16, №7 отмечено отклонение стрелки компаса... и что дальше? :) КПД подобных опытов то как измерить, есть ли в них перспектива для дальнейшей работы с полученной информацией в рамках исследовательского проекта.
руководитель РГ "Челябинск - Космопоиск"
www.uralkosmo.ru

#15 Валерас

Валерас

    Дошёл до ручки...

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 529 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 14:47

Так, это вопрос методики исследований, а не специфики магнитометрии.
Какие задачи ставятся? Какие методы используются? Какие результаты ожидаются?
Отдельная большая тема.



#16 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 15:15

Просмотр сообщенияВалерас (25 Май 2011 - 13:09) писал:

Надеюсь, знающие люди поправят :)

А я надеюсь, что упомянутый в первоисточнике А. Петухов, именно тот, о ком я подумал. Если это так, то «показания» с него мы постараемся снять. :) В т. ч. и по методике и по тому, какие задачи он сотоварищи ставили, какие методы использовали, какие результаты ожидали, а какие получили. Надеюсь, что сознается.

На самом деле в описанной методике очень серьёзные вопросы возникают прежде всего по поводу погрешности компаса, как измерительного прибора, для такого рода исследований (пример крутого прибора). Зато интригует доступность и малозатратность...

Что-то меня последнее время такого рода метОты сильно-больно стали интересовать. К чему бы это?  :pleasantry:
Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.

#17 Станислав

Станислав

    ура! я всё же не уфолог...

  • экспертная группа
  • 5 072 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 15:23

(имхо) после долгих попыток в ранней молодости страдать такой фигнёй и размышлений:
ДАНИФИХАОНОНЕДАСТ, ибо источник девиаций может быть каким угодно. Ergo, возможность вытащить полезную информацию стремится к нулю. Ну ещё много гитик...

ЗЫ. Петухов Тот. И этот. И Трисмегист :)
Делай, что должен... (Марк Аврелий)
Из триад бардов: "Три вещи, которым не стоит верить: мечты старика, клятва возлюбленной и история, рассказанная незнающим"

пока ещё главный редактор «Аномалии»
Спасибо, что прочитали мой пост :)

#18 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 15:50

ПЕЧАЛЬНОАЖРУКИОПУСКАЮТСЯ!   :smellie_fire:
Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.

#19 Константин

Константин

    Тотально всеохватная особь

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 733 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 17:16

Эффективнее рамку использовать. Настроивши себя "аки компас".

#20 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 17:47

Таки, а что потом научным гражданим предъявлять?
Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.

#21 grvakh

grvakh

    Тотально всеохватная особь

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 941 сообщений

Отправлено 25 Май 2011 - 18:15

Чего зафиксируется, так это вариации магнитного поля. Корреляции с прочим, первопричина и т.п. - на совести исследователя остаются. Посмотреть, конечно, интересно. Но если нет в голове некой модели, в которой УЖЕ как-то укладывается зависимость магнитного поля с прочим, кхм, "метафизическим"  , то эмпирических обобщений может с высокой вероятностью не хватить на ВЫВОДЫ.

А что научные граждане? Они (мы) тоже не дураки, на мякине не проведешь: есть голый факт, висящий в воздухе. Который, даже будучи сам по себе загадочным ни капли не продвигает в понимании феномена.

#22 Iskatel

Iskatel

    Рискованный форумописец

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 162 сообщений

Отправлено 26 Май 2011 - 08:16

В этом то и проблема что подобные показания компаса нельзя будет назвать серьезным аргументом, ну отклонилась стрелка, ну определил точку в которой магнитное поле несколько отличается от фона, но дальше то что.
Суть проводимого замера должна отвечать лишь на вопрос о том: есть ли, нету ли вариаций магнитного поля на исследуемой территории. А вот выявление первопричины уже другой вопрос...

На счет рамки поспорю... поспорю эффективней ли.
руководитель РГ "Челябинск - Космопоиск"
www.uralkosmo.ru

#23 Валерас

Валерас

    Дошёл до ручки...

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 529 сообщений

Отправлено 26 Май 2011 - 10:56

Просмотр сообщенияIskatel (26 Май 2011 - 08:16) писал:

На счет рамки поспорю... поспорю эффективней ли.
Эффективность рамки прямо пропорциональна эффективности ее держателя. :)
Так что, существуют "экземпляры" с очень высокой эффективностью.

#24 Рамень

Рамень

    Негабаритный

  • экспертная группа
  • 1 577 сообщений

Отправлено 23 Июль 2011 - 12:22

Квантовый магнитометр (протонный).

Дата опубликования    06.10.2006

Протонный магнитометр  Часть 1.
    Ядерно-прецессионный протонный магнитометр имеет, на первый взгляд, страшное название. На самом деле физика процессов, протекающих в магнитометре, обыденно проста.
    Принцип работы магнитометра основан на явлении прецессии протона в магнитном поле. Если протон помещен во внешнее магнитное поле, из-за своего собственного магнитного момента, он испытает магнитный вращающий момент. Поскольку он также имеет угловой момент, этот магнитный вращающий момент приведет его (протон) к прецессии – она называется ‘Лармор прецессией’ и ее уровень зависит от величины внешнего магнитного поля.
Частота Лармор прецессии независима от ориентации протона и зависит только от величины внешнего поля.
Частота прецессии определяется по формуле: F = В/23.4875, где F - частота в Гц, В – величина индукции внешнего магнитного поля в nT.
Чтобы измерить величину местной магнитной индукции с точностью до одного nT, необходимо измерить частоту с точностью до 0.0426 гц.
Магнитное поле Земли имеет величину индукции примерно 50 мкТ. Наименьшее значение магнитной индукции на экваторе, наибольшее на полюсах. Кроме этого, величина магнитной индукции земного поля зависит от солнечной активности, времени суток, залежей полезных ископаемых и многих других факторов.
    В датчике ядерно-прецессионного магнитометра, протоны 'намагничивают' (то есть, выстраивают их магнитные моменты в одном направлении) с помощью внешнего магнитного поля возбуждения, формируемого, например, соленоидом, а затем максимально быстро отключают внешнее поле. Протоны перестраиваются в направлении магнитного поля Земли и при этом все синфазно «прецессируют», вызывая напряжение с частотой Лармор прецессии, которая может быть измерена и использоваться для вычисления величины окружающего магнитного поля. Тот же самый соленоид, после отключения возбуждающего поля, действует как катушка датчика и подключен к чувствительному усилителю для усиления напряжения прецессии.
Вызванное напряжение протонной прецессии имеет порядок микровольт.
Поскольку прецессия протонов будет впоследствии рандомизироваться тепловыми столкновениями протонов, то полезный сигнал уменьшается по экспоненте со временем. Время зависит от специфики используемого вещества и может изменятся от одной до нескольких секунд.
Для другого измерения процесс необходимо повторить.
    Наиболее простая конфигурация датчика – многовитковый соленоид, содержащий внутри вещество, богатое протонами – дистиллированная вода, керосин, бензин, дизельное топливо, органические спирты.
     Магнитометристы, работавшие с протонным магнитометром ММП-203, утверждают, что в датчик заливать можно все и в любых сочетаниях.
Большинство протонных магнитометров имеют соленоидальные датчики . Эта конфигурация имеет одно преимущество и несколько больших недостатков.
Преимущество – датчик легко изготовить.
Первый недостаток - датчик является чувствительным к внешним переменным магнитным полям. Поле промышленной частоты 50 гц вызовет напряжение, которое может быть намного больше, чем полезное напряжение прецессии.
Во-вторых, соленоидальный датчик чувствителен к ориентации в магнитном поле Земли. Если поле поляризации (по оси соленоида), сонаправлено с измеряемым внешним полем, то полезное напряжение будет равно нулю. Это означает, что пользователь должен всегда убедиться в правильной ориентации соленоида для корректного измерения.
Для устранения этих недостатков применяют тороидальные датчики.
Первое - тороидальная катушка – не чувствительна к внешним переменным 'шумовым' магнитным полям.
Во-вторых, тороидальная конфигурация почти не чувствительна к ориентации. Если внешнее измеряемое магнитное поле ориентируется в наименее чувствительном направлении (в плоскости тороида), вызванное полезное напряжение только в два раза меньше, чем полезное напряжение при самой чувствительной ориентации (внешнее поле направлено по оси тороида).
Сигнал никогда не уменьшается до нуля.
Единственное неудобство тороида – это трудоемкая намотка.

    Протонный магнитометр работает в двух основных режимах:

    первый из них - режим поляризации, при котором рабочее вещество подвергается воздействию сильного магнитного поля, чтобы намагнитить (то есть, выстроить в линию) протоны.
    Второй режим - фактическое измерение частоты прецессии для определения величины магнитного поля.

    В обоих режимах используется та же самую обмотка, как для поляризации электромагнита так и для датчика напряжения прецессии.
Основная величина, которая будет измерена - частота прецессии протонов. Это переменное напряжение диапазона звуковых частот на выходе датчика. Это напряжение составляет от долей до единиц микровольт и должно быть усилено. Очевидно, что усилитель должен иметь низко шумовой фактор.
    Частота прецессии должна быть измерена настолько точно - насколько возможно.
Чем точнее измерена частота прецессии, тем точнее будет определена величина магнитного поля.
    Так как сигнал распадается по экспоненте со временем - период измерения ограничен.
При уменьшении амплитуды сигнала отношение сигнал-шум ухудшается.
При постройке магнитометра необходимо учитывать все эти факторы.
В магнитометре, мы хотим измерить абсолютную величину магнитного поля.
При использовании современных микроконтроллеров преобразование частоты прецессии протонов в величину индукции магнитного поля по вышеприведенной формуле легко решается.
Блок-схему одного из возможных вариантов реализации квантового протонного магнитометра можно представить следующим образом:

Рассмотрим принцип работы данного устройства.
Цикл одного измерения магнитного поля состоит из следующих этапов:

    Поляризация.
    С Модуля микроконтроллера формируется Управляющий импульс 1 и приводит к замыканию Коммутатора К1 (далее просто К1), при этом Коммутатор К2 (далее К2) находится в разомкнутом состоянии. Через Датчик начинает протекать постоянный ток поляризации. Величина этого тока зависит от активного сопротивления датчика и составляет обычно от нескольких сот мА до нескольких А. Под воздействием созданного этим током электромагнитного поля в рабочем веществе Датчика (Подробнее строение Датчика рассмотрим позднее, а в общем он представляет собой катушку индуктивности соленоидального, тороидального или смешанного типа, в качестве "сердечника" которой выступает "рабочее вещество" - жидкость или газ, содержащее свободные протоны; часто используют дистиллированную воду, бензин, керосин или, что может быть особенно полезно в полевых условиях, спирт :) свободные протоны "выстраиваются" согласно линиям напряженности поля.
    Подавление переходного процесса.
    К1 размыкается, К2, как и ранее находится в разомкнутом состоянии. Этот этап при ряде условий можно было бы и не выделять отдельно, но индуктивность Датчика может быть достаточно высокой (от нескольких десятков до нескольких сотен мГн) и момент размыкания К1 может представлять опасность для высокочувствительного Малошумящего входного усилителя.
    Усиление сигнала с Датчика, фильтрация, преобразование в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму, измерение частоты и перевод в нанотеслы с последующим отображением на дисплее.
    К1 разомкнут, К2 замкнут. При отключении поляризационного тока свободные протоны начинают перестраиваться под воздействием магнитного поля Земли и при этом совершают колебательные движения, вызывая появление на датчике напряжения с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Коэффициент пропорциональности равен 23,4872 нТл/Гц, т.е. при возникновении на Датчике напряжения с частотой 2000 Гц напряженность магнитного поля равна 2000*23,4872=46974 нТл.

    Сложность заключается в том, что величина напряжения лежит в диапазоне 0,5-2 мкВ (при разумных размере датчика, его индуктивности, токе поляризации и объеме рабочего вещества) и стремительно падает по экспоненциальному закону до нуля за очень небольшой промежуток времени (примерно 0,7с для керосина, 2,5-3с для дисциллированной воды).
Для получения приемлемого соотношения сигнал/шум мы должны за время около 0,3-0,4с измерить частоту напряжения (грубо для наших целей лежащую в диапазоне 1000-3000Гц) с точностью до сотых долей Гц (разрешение прибора при этом составит примерно 1 нТл).
Методы расчета и построения датчика, а также возможный метод измерения частоты с заданной точностью мы рассмотрим далее. Фильтр нужен для подавления шумовых составляющих сигнала, лежащих вне рабочего диапазона, Компаратор или триггер Шмитта - для увеличения крутизны фронтов сигнала и преобразования его в "удобочитаемую" для микроконтроллера форму (можно, конечно, использовать для этих целей и встроенный компаратор микроконтроллера).
Для наглядности рассмотрим графики:

Как видим, цикл одного измерения состоит из двух взаимосвязанных импульсов:

    первого для управления поляризацией, а затем, через интервал времени t задержки , служащий для подавления переходного процесса в Датчике
    второго, подключающего схемы усиления, обработки и измерения входного сигнала.
Рассмотрим более подробно отдельные моменты проектирования устройства в целом.
Поляризация.
    Упрощенный вариант схемы поляризации может иметь следующий вид (Рис 1): В данном варианте подача напряжения поляризации и подключение датчика к усилителю происходит при помощи реле, диоды VD1 и VD2 служат для гашения импульса самоиндукции, транзистор VT для "заземления" входа высокочувствительного усилителя и запирается лишь на время, необходимое измерительной схеме для замера частоты сигнала с датчика (во многих случаях он необязателен). Конденсатор С рез здесь и в дальнейших схемах ставится лишь в случаях использования резонансного включения датчика. Применение подобного решения нежелательно ввиду низкого быстродействия релейной коммутационной схемы и подгоранию контактов.

Этих недостатков лишена схема на Рис. 2, где функции реле выполняют транзисторы VT1 и VT2, при помощи VT2 также осуществляется задержка подключения усилителя на время, необходимое для полного подавления переходного процесса в датчике. Но и эта схема неприменима из-за того, что транзисторы являются хоть и достаточно качественными ключами, но не идеальными - в закрытом состоянии через VT1 и датчик протекает ток утечки сток-исток порядка нескольких мкА, что в нашем случае достаточно много (т. к. амплитуда измеряемого нами сигнала с датчика находится в диапазоне от десятых долей мкВ до 1-2 мкВ при нерезонансном подключении датчика).

Схема на Рис. 3 представляет собой "симбиоз" первых двух и лишена присущих им недостатков. Механизм ее работы таков: до начала поляризации транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт, контакты реле находятся в показанном на схеме положении; при поляризации VT1 открывается и через датчик протекает ток; по окончании поляризации VT1 закрывается и через несколько мс (время, достаточное для завершения переходного процесса) реле подключает датчик к усилителю и запирается VT2; после проведения измерения контакты реле возвращаются в исходное положение и отпирается VT2. Подобная реализация предотвращает протекание тока утечки сток-исток VT1 через датчик в момент измерения, исключает коммутацию больших токов при помощи реле и может быть использована на практике (в качестве реле можно использовать, например, РЭС 55 или аналогичные). Для желающих избавиться в схеме от такого "узкого" места, как реле, можно рекомендовать вариант решения, предложенный J.A. Koehler-ом (именно его работы позволили заняться отработкой принципов построения протонного магнитометра, т. к. содержат большое количество необходимого теоретического материала и доступны в Inete, желающие ознакомиться с оригиналом могут скачать одну из его работ по адресу: http://www.thunting..../KoehlerMag.pdf).

На Рис. 4 показана схема, не использующая реле в качестве коммутирующего элемента. Этого удалось добиться путем добавления нескольких транзисторов и некоторым усложнением управляющей схемы (при использовании микроконтроллера управление реализуемо программно, если же микроконтроллер не используется, управляющие импульсы удобно формировать при помощи таймеров типа 555). Рассмотрим принцип работы этой схемы при помощи временных диаграмм, приведенных ниже. До начала поляризации все транзисторы, кроме VT7, закрыты. VT7 открыт - вход усилителя подключен к "земле". Для начала поляризации управляющей схемой формируются Упр. импульс 1 (примерно 0,7 с для керосина) и Вспом. импульс 1, что приводит к отпиранию VT1, VT2, VT3 и VT4, через датчик протекает ток поляризации и подключается схема подавления переходного процесса на VT4 R2. VT7, как и ранее, открыт, остальные закрыты. Как видно из графиков, Упр. импульс 1 и Вспом. импульс 1 начинают формироваться одновременно, но Вспом. импульс 1 имеет большую длительность (как правило, на 10-20 мс, в зависимости от тока поляризации и индуктивности датчика) и за это дополнительное время происходит подавление импульса самоиндукции (на R2 и защитных диодах транзисторов). Сразу же после окончания Вспом. импульс 1 формируется Вспом. импульс 2 (длительность примерно 0,2-0,5 с , к критериям выбора вернемся позднее) и отпирается VT5, VT1-VT4 и VT6 закрыты , VT7, как и ранее, открыт. Собственно, в использовании VT5 и заключается "изюминка" этой схемы. Если при поляризации "корпусным" являлся нижний по схеме вывод датчика, то в процессе измерения частоты прецессии на "корпус" подключается верхний вывод. На снимаемый с датчика сигнал это не влияет, но львиная доля тока утечки СИ VT2 (от которого, собственно, мы и стремимся избавиться) протекает по цепи +U - CИ VT2 - СИ VT5 - "корпус", минуя датчик. Через 5-10 мс после начала Вспом. импульс 2 формируется Упр. импульс 2, открывается VT6 и запирается VT7. Сигнал с датчика поступает на вход усилителя. По окончании Вспом. импульс 2 оканчивается и Упр. импульс 2 и схема возвращается в исходное состояние.

Примем схему на Рис. 4 с сопутствующими ей диаграммами за основу проекта.
Попробуем теперь сформулировать требования, предъявляемые к модулю микроконтроллера.
Начнем с варианта "Максимум".
Этот вариант преследует скромную цель создания универсального микропроцессорного ядра протонного магнитометра, пригодную для работы с датчиками различной топологии и индуктивности, разными типами рабочего вещества и любыми типами поляризации (релейной либо транзисторной), резонансным или нерезонансным включением датчика, а также реализующего ряд полезных сервисных функций, облегчающих и автоматизирующих процесс поиска. Блок-схема этого модуля может выглядеть следующим образом (Рис 1):

    Основными функциями этого модуля являются формирование управляющих и вспомогательных импульсов, обработка входного сигнала и вывод полученных результатов на дисплей.
Рассмотрим подробнее обработку входного сигнала и, в частности, измерение частоты входного напряжения исходя из озвученных выше условий.
Очевидно, что метод измерения "в лоб", т.е. подсчет количества импульсов в единицу времени, не проходит - точность будет очень далека от требуемой. Для получения нужных нам результатов можно, например, сделать следующим образом. Сформируем условный временной интервал, длительность которого будет равна, скажем, ста периодам частоты входного сигнала. Для частоты 1000 Гц длительность этого интервала будет равна (1/1000)*100 = 0,1 с (исходя из этого допущения можно сразу принять фиксированную длительность Вспомогательного импульса 2 равной, например, 0,3 с , что вполне удовлетворяет поставленным выше условиям для времени измерения входного сигнала; тогда минимальный предел измерения напряженности магнитного поля для нашего прибора будет составлять примерно ~10000 нТл с учетом всевозможных временных задержек).
    Далее, для наглядности, предположим, что на один из двух входов логического элемента "И" подается наш условный временной интервал (зависящий от частоты входного сигнала), а на другой - сигнал с высокостабильного кварцевого генератора с фиксированной частотой, скажем, F ген =1МГц. Тогда по количеству импульсов на выходе логического элемента можно судить о частоте входного сигнала: F входн =1/((Кол-во имп./F ген )/100). Чем выше частота F ген , тем выше точность измерения частоты. Для получения результата измерения в нТл необходимо значение входной частоты в Гц умножить на коэффициент 23,4872 (и коэффициент, и значение частоты, разумеется, можно округлять, но желательно, чтобы погрешность измерения не превышала 1 нТл).
    Вернемся к функциям модуля микроконтроллера и рассмотрим все предъявляемые к нему в идеале требования подробно.
Как видно из блок-схемы, управление работой и настройки осуществляются при помощи пяти кнопок. Все функции модуля микроконтроллера можно свести в два основных режима:  режим работы и режим настроек.
По нажатию кнопки "Меню" прибор переходит из рабочего режима в режим настроек, повторное нажатие возвращает его в рабочий режим.
Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется навигация по функциям в режиме настроек, а также просмотр результатов измерений в рабочем режиме (более подробно это будет рассмотрено ниже).
Кнопка "OK" служит для записи измененных настроечных параметров в EEPROM контроллера, входа в подменю и выхода из него, а также для проведения одиночного измерения магнитного поля в режиме работы (при выбранном ручном режиме (см. далее)) при ее кратковременном нажатии.
Кнопка "Фон" предназначена для записи результатов только что сделанного замера магнитного поля в специальную ячейку памяти, относительно которой могут проводиться дальнейшие измерения, подробнее об этом ниже.
Настроечное меню (вызывается нажатием кнопки "Меню" из рабочего режима) состоит из двух основных подменю:

    Рабочие настройки.
    Аппаратные настройки.

    В рабочих настройках содержатся параметры, предназначенные для изменения пользователем в процессе полевых работ, а в аппаратных настройках - параметры, установленные изготовителем прибора и зависящие от типов датчика и рабочего вещества, методов поляризации и измерения.
Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - вход в подменю, "Меню" - выход в режим работы.
Рассмотрим каждое из подменю:
А) - Рабочие настройки.  Включают в себя следующие функции:

    Метод работы.
    Метод измерений.
    Интервал.
    Диапазон.
    Звуковое оповещение.
    Контроль питания.
    Подсветка дисплея.

Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется выбор пункта, "ОК" - вход в подменю выбранного пункта, "Меню" - выход в режим настроек.
Рассмотрим каждый из пунктов:

    Метод работы подменю:
        а) Типовой (по умолчанию) (здесь и далее параметры по умолчанию заносятся в EEPROM при прошивке микроконтроллера).
        б) Относительный.

        Эти пункты задают вид экрана и некоторые специфические функции в режиме работы.

        Для типового метода экран имеет следующий вид:


        Для относительного метода:

        Крупная надпись в нижней половине экрана - величина только что сделанного измерения магнитного поля (т. е. "последнего"). В столбцах с индексами "-1", "-2" и т.д. значения предпоследнего, предпредпоследнего и т. д. измерения соответственно. Отличия этих методов заключается в том, что для типового просто делается ряд замеров и контролируется изменение поля между только что сделанным измерением и измерением в соответствующем столбце (эта разница и есть цифры в столбцах со знаками "+" и "-"). Для относительного процедура несколько иная. Оператор выходит на местность и делает ряд пробных замеров с целью определить примерный магнитный фон. Когда, по его мнению, после очередного замера показания внизу экрана наиболее соответствуют фону, он нажимает кнопку "Фон" и это показание переносится в столбец "ФОН". Далее все как в первом варианте, с тем лишь отличием, что цифры с плюсами и минусами в столбцах "-1", "-2" соответствуют разнице между фоном и сделанным предпоследним и предпредпоследним измерением соответственно, а в столбце "ФОН" показана разница между фоном и только что сделанным измерением. Для работы при относительном методе измерений необходимо выбрать его в меню "Метод работы", выйти из режима настроек в режим работы (при этом в верхней половине экрана не будет никаких данных), сделать несколько замеров магнитного поля (результат каждого сделанного замера отражается в нижней части экрана, а при проведении последующего замера стирается и заменяется на новый), при соответствии индицируемого замера средней величине магнитного поля нажать кнопку "Фон" - это значение переносится в столбец "ФОН", вид экрана меняется на показанный выше для относительного метода и прибор готов к работе. Под хранение данных измерений (примерно 50-100 значений) желательно использовать энергонезависимую память EEPROM, чем больше их туда влезет, тем, разумеется, лучше. Просмотр результатов измерений (т. е. "прокрутка" верхней половины экрана) осуществляется в режиме работы при помощи кнопок "Влево" и "Вправо", при одновременном нажатии этих кнопок в течение нескольких секунд все сохраненные данные стираются. Это дает возможность на местности делать замеры, а дома анализировать данные и составлять магнитометрические карты. Выбор типового или относительного метода осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

    Метод измерений подменю:
        а) ручной (по умолчанию).
        б) автоматический.

        При ручном методе каждое измерение в режиме работы производится только при кратковременном нажатии кнопки "ОК" (необходимо предусмотреть блокировку этой кнопки от повторного нажатия до полного окончания цикла одного измерения (см. приведенные выше графики).
        При автоматическом прибор беспрерывно делает измерения с интервалом времени между ними, задаваемым в следующем пункте меню.
        Кнопка "ОК" в режиме работы заблокирована. Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

    Интервал.

        Задает значение временного интервала между циклами измерений для автоматического метода (см. приведенные выше графики). Принимает значения от 0,5 с до 5 с с шагом 0,5 с. (по умолчанию 3 с). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

    Диапазон.

        Служит для переключения диапазонов измерения при использовании резонансного включения датчика (фактически для подключения разных значений емкостей между точкой соединения К2 с малошумящим входным усилителем и корпусом (см. общую блок-схему). Принимает значения от 1 до 5 (а по возможности до 8-9, для наиболее полного перекрывания возможных рабочих диапазонов)с шагом 1 (по умолчанию 1) и приводит к появлению активного логического уровня на соответствующем выводе микроконтроллера (см. блок-схему модуля микроконтроллера). При дефиците свободных портов можно использовать, например, десятичный счетчик - тогда потребуются всего два порта (один на сброс счетчика, а другой для загрузки в него последовательности из определенного количества импульсов). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

    Звуковое оповещение.

        Желательно для оповещения оператора об относительно большом изменении магнитного поля между только что сделанным измерением и предыдущим (или фоновым, в зависимости от метода работы). Формирует кратковременный звуковой сигнал, если модуль разницы вышеуказанных значений превышает установленный порог. Принимает значения от Выкл. (оповещение отключено) (по умолчанию) до 500 нТл (установка модуля порога) с шагом 50 нТл. Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

    Контроль питания.

        Индицирует текущее напряжение питания. "ОК" или "Меню" - выход в меню рабочих настроек.

    Подсветка.

        Включает и выключает подсветку дисплея. Принимает значения Вкл. и Выкл. (по умолчанию). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню рабочих настроек, "Меню" - выход в меню рабочих настроек без сохранения изменений.

Б) - Аппаратные настройки. Включают в себя следующие функции:

    Время поляризации.
    Время подавления переходного процесса.
    Задержка подключения усилителя.
    Входная задержка.
    Порог разряда аккумулятора.

Кнопками "Влево" и "Вправо" осуществляется выбор пункта, "ОК" - вход в подменю выбранного пункта, "Меню" - выход в режим настроек.

Рассмотрим каждый из пунктов:

    Время поляризации.

        Задает значение длительности импульса поляризации (см. приведенные выше графики). Изменение этого параметра необходимо для обеспечения работоспособности прибора с разными типами рабочего вещества в датчике (например, для керосина это значение составляет 0,6-0,7 с, а для дисциллированной воды - 2,5-2,8 с). Принимает значения от 0,2 с до 3 с с шагом 0,2 с. (по умолчанию 0,7 с). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.

    Время подавления переходного процесса.

        Задает величину временного интервала, на которую Вспомогательный импульс 1 больше Управляющего импульса 1 (см. приведенные выше графики). Служит для адаптации устройства под датчики различных топологий, индуктивностей и с различными активными сопротивлениями. Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.

    Задержка подключения усилителя.

        Задает величину, на которую Управляющий импульс 2 отстает от Вспомогательного импульса 2 (см. приведенные выше графики). Может понадобиться при использовании различных методов поляризации. Принимает значения от 3 мс до 30 мс с шагом 3 мс (по умолчанию 9 мс). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.

    Входная задержка.

        Задает величину временного интервала между началом Управляющего импульса 2 и переходом входа микроконтроллера в режим счета входных импульсов (на которую вход микроконтроллера "запаздывает", вообще же микроконтроллер выходит из режима подсчета входных импульсов одновременно с окончанием Вспомогательного импульса 2 и Управляющего импульса 2 и находится в режиме счета как минимум 0,3 с - 30 мс - 50 мс = 0,22 с, что соответствует нижнему диапазону измерения (при подсчете длительности ста входных импульсов (1/(0,22/100)) *23,4872 = ~ 10600 нТл). Может потребоваться для установления усилительно-фильтрующей схемы в линейное состояние, особенно при использовании резонансного метода включения датчика. Принимает значения от 0 мс до 50 мс с шагом 5 мс (по умолчанию 20 мс). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.

    Порог разряда аккумулятора.

        Устанавливает значение порога разряда элементов питания, по достижению которого прибор оповещает об этом оператора в произвольной форме. Принимает значения от 8 В до 18 В с шагом 0,5 В (по умолчанию 11 В). Выбор значения осуществляется кнопками "Влево" и "Вправо", "ОК" - сохранение выбранного значения в EEPROM и выход в меню аппаратных настроек, "Меню" - выход в меню аппаратных настроек без сохранения изменений.

    В режиме работы желательно предусмотреть некоторую сервисную индикацию:

    "Нет сигнала" - при отсутствии подсчитываемых импульсов на входе микроконтроллера за интервал измерения.
    "Превышение предела" - при расчетном значении напряженности более 99999 нТл.
    "Принижение предела" - при количестве счетных импульсов за интервал измерения менее 100.

    Подобный вид отображения информации и обилие настроек вызваны желанием получить не только высокофункциональное универсальное цифровое ядро протонного магнитометра, но и инструмент для проведения экспериментов с разными типами датчиков и рабочего вещества.
При возникновении трудностей с реализацией всего этого задачу можно серьезно упростить:

    Полностью исключить систему меню,
    убрать функцию хранения в памяти результатов измерений,
    использовать любой подходящий знакосинтезирующий ЖКИ с отображением единственного значения последнего сделанного измерения.

Желательно сохранить:

    возможность работы в ручном или автоматическом режимах (интервал между измерениями 2-3 с, переключение режимов при помощи тумблера).
    Временные константы - те, которые "по умолчанию", с возможностью корректировки при перешивке контроллера.

    Хотелось бы сказать несколько слов об использовании резонансного или нерезонансного метода включения датчика. И тот, и другой метод имеет свои плюсы и минусы.
При нерезонансном включении мы имеем широкую полосу пропускания (т. е. большой диапазон измеряемых значений напряженности магнитного поля), но более низкий уровень сигнала на входе усилителя).
При резонансном же включении наоборот - уровень сигнала выше, но диапазон определяется добротностью LC контура, состоящего из датчика и C рез . Практически при использовании резонансного метода датчик может иметь меньшие габариты и вес, но для обеспечения широкого рабочего диапазона потребуются несколько переключаемых резонансных емкостей.
При использовании микроконтроллера можно, например, сделать следующим образом: после поляризации и подавления переходного процесса в датчике к нему поочереди подключаются на короткое время несколько (до десятка) конденсаторов разной, заранее рассчитанной из условия перекрывания всего необходимого диапазона частот, емкости. Для каждой подключенной емкости микроконтроллер делает измерение уровня сигнала на выходе усилителя, запоминает, при подключении какой емкости это уровень был максимальным, а затем делает "основное" измерение частоты при использовании этой емкости.
Основные вопросы, работы магнитометра, рассмотрены.

Сами схемы см. на сайте:
http://detect-ufo.na.../proton_01.html
Врач, член редколлегии вестника «Аномалия», НИО «Северный ветер».
Изображение

#25 Константин

Константин

    Тотально всеохватная особь

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 733 сообщений

Отправлено 17 Сентябрь 2011 - 05:49

http://jre.cplire.ru...r09/3/text.html

"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 3, 2009 УДК 53.087;543.27.-8; 544; 621.37;681.2

СИСТЕМАТИКА, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ

А. А. Егоров
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Представлен обзор различных типов датчиков. Дана их классификация, описаны принципы работы некоторых типов датчиков и области их применения. Особое внимание уделено электрохимическим сенсорам, термисторным сенсорам, биосенсорам и оптическим химическим сенсорам. Рассмотрены фундаментальные явления, лежащие в основе работы оптических химических сенсоров. Описан принцип функционирования интегрально-оптического химического датчика абсорбционного типа. Отмечены возможности применения интегральных оптических датчиков в микроэлектронной промышленности, химической промышленности, медицине и экологии.

Ключевые слова: химический датчик (сенсор), электрохимический сенсор, термисторный сенсор, биосенсор, оптический химический сенсор, интегрально-оптический датчик, лазерное излучение, экологические приборы, обработка данных.

1. ВВЕДЕНИЕ

Датчики (сенсоры) позволяют получать, регистрировать, обрабатывать и предавать информацию о состоянии различных систем. Это может быть информация о физическом строении, химическом составе, форме, положении и динамике исследуемой системы. Существуют различные типы датчиков. Принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах. Примерами могут быть широко известные температурные датчики, радары, эхолоты, датчики уровня радиации, датчики давления, гигрометры и др. [1-18].

Успехи в таких областях как лазерная физика, физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, Интернет-технологии, материаловедение, квантовая электроника, и интегральная оптика привели к развитию нового направления в разработке датчиков – созданию химических сенсоров [4].

Одним из самых перспективных видов химических сенсоров по нашему мнению являются оптические химические сенсоры [3]. Интегрально-оптические химические датчики являются среди них очень перспективными [9-12, 17, 18]. Принцип работы интегрально-оптического химического датчика, например абсорбционного типа, основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с исследуемой газообразной (газ, пар) или жидкой средой на некоторых длинах волн, характерных для данной среды [9-12, 17, 18].

Актуальность и практическая значимость данного обзора обусловлена возможностью обнаружения целого ряда критически важных для безопасности людей газов с помощью различных химических сенсоров. Решение этой проблемы имеет приоритетное значение для электронной промышленности, химической промышленности, нефтегазовой промышленности (добыча, транспортировка, хранение), экологии, медицины, военных технологий и др.

2. СИСТЕМАТИКА ДАТЧИКОВ

При систематизации датчиков часто рассматривают принцип их действия, который может быть обусловлен физическими или химическими явлениями и свойствами. На рис. 1 приведена обобщенная функциональная схема измерения с помощью химического датчика.

Существует множество явлений, эффектов и видов преобразования энергии, которые могут быть использованы для построения датчиков [1-21]. В Таблице приведены примеры таких явлений и эффектов (см., например, [1-4]).

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_1.jpg

Рис. 1. Функциональная схема измерения с помощью химического сенсора.

Таблица.
(к сожалению, как надо не вставляется, потому буду по столбцам)


Эффект, явление, свойство (левый столбец)
  • Теплопроводность (тепловая энергия --> изменение физических свойств)
  • Тепловое излучение (тепловая энергия --> инфракрасные лучи)
  • Эффект Зеебека (температура --> электричество)
  • Пироэлектрический эффект (температура --> электричество)
  • Эффект фотопроводимости (свет --> электрическое сопротивление)
  • Эффект Фарадея (свет и магнетизм --> свет)
  • Пьезоэлектрический эффект (давление --> электричество)
  • Эффект Доплера (звук, свет --> частота)
  • Химические свойства (информация о химических связях --> сигнал)


Физическая сущность преобразования (правый столбец)
  • Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область с более низкой температурой
  • Оптическое излучение при повышении температуры физического объекта
  • Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев
  • Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры
  • Изменение электрического сопротивления полупроводника при его облучении светом
  • Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитное вещество
  • Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением
  • Изменение частоты при взаимном перемещении объектов по сравнению с частотой, когда эти объекты неподвижны
  • Биохимический преобразователь преобразует информацию о химических связя
Не претендуя на полноту охвата, дадим некоторую полезную классификацию сенсоров [1-21].

Энергетические свойства входных величин датчиков позволяют разделить их по виду входных величин на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т. д.), в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические ёмкость, сопротивление и др.).

По числу воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные датчики, оперирующие с одной величиной, и n-мерные (многомерные), воспринимающие несколько (n) входных величин. При этом многомерные сенсоры могут иметь общие элементы и поэтому быть проще совокупности одномерных датчиков, воспринимающих столько же величин.

По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункциональные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнитель­ных функций.

Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными. К таким датчикам, в принципе можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналого-цифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

К допол­нительным функциям многофунк­циональных сенсоров можно отнести следующие:
  • операции обработки данных и фильтрацию;
  • коррекцию погрешностей;
  • хранение сигналов;
  • преобразование «поля» сигналов в изображение;
  • защиту от влияния помех;
  • и др.
По числу преобразований энергии и вещества датчики можно разделить на одноступенчатые и  многоступенчатые.


По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также – электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

По взаимодействию с источни­ками информации датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).

По виду измерительных сигна­лов датчики делятся на аналоговые и  цифровые. Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.

В настоящее время существует тенденция увеличения числа и усложнения функций, выполняемых сенсорами. Особенно это характерно для интегральных датчиков, которые могут включать в свой состав дополнительные устройства. Такие датчики способны служить основой для создания измерительных систем, позволяющих осуществлять сбор, обработку, хранение и распределение информации (см., например, [2, 12]).

К современным датчикам предъявляются следующие основные требования:
  • высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум;
  • высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, безотказность в работе;
  • технологичность: малые габариты и масса, простота конструкции, интегральное исполнение, низкая себестоимость.
Основное внимание в дальнейшем уделим различным типам химических сенсоров. Внимание к химическим сенсорам продиктовано рядом причин, среди которых проблемы безопасности являются сейчас наиболее актуальными.



3. ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

3.1. Некоторые этапы развития химических датчиков

К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных химических датчиков. Началом истории химических датчиков можно считать конец XIX – начало XX века. В это время появился прообраз катарометра (1880 г.), который использовался для определения содержания водорода в водяном паре; двухэлектродная ячейка Кольрауша (1885 г.), металлические электроды Нернста (1888 г.) и стеклянный электрод Кремера (1906 г.). В конце XIX – начале XX вв. под сенсорами (слово «сенсор» от английского слова sense – чувство, ощущение) понимали портативные устройства для определения химического состава среды. Типичная конструкция сенсора включала чувствительный элемент и преобразователь [4].

В то время процедура стандартно­го химического анализа представляла собой многостадийный процесс, основанный на химических реакциях. Таким образом, химический анализ был тогда в полной мере «химическим». А уже в первых сенсорах использовались физи­ческие и физико-химические процессы.

Следующий этап в развитии химических сенсоров связан с появлением проточных методов анализа. В 50-х годах XX в. аналитическое приборостроение достигло такого уровня, что стало возможным создание проточных методов анализа. В 1952 г. Мартином и Джеймсом был предложен газовый хроматограф. Во всех случаях появилась острая необходимость в детекторах – приборах, которые позволили бы в автоматическом режиме определять концентрацию вещества в потоке газа или жидкости.

Следующим важным моментом в развитии сенсорного анализа можно считать предложение Бергфелда объединить чувствительную мембрану с затвором полевого транзистора. Это предложение привело к появлению ионоселективного полевого транзистора. Кроме того, появились перспективы того, что планарная технология, развитая в микроэлектронике, приведет к созданию и массовому производству дешевых сенсоров.

Миниатюрность и относительно небольшие размеры датчиков позволяет создавать  их наборы в небольшом объеме. Так, на одном полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов или в небольшом объеме несколько самостоятельных сенсоров. Таким образом, появилась возможность создания «лаборатории на чипе», снабженной микропроцессором для обработки результатов анализа (см., например, [4]).

3.2. Устройство и принципы работы химических сенсоров

Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.

Химический преобразователь состоит из слоя чувствительного материала, который формирует селективный отклик на определяемый компонент: он способен отражать присутствие определяемого компонента и изменение его содержания.

Физический преобразователь – трансдьюсер – преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства.

Химические сенсоры могут работать на принципах химических реакций и на физических принципах. В первом случае аналитический сигнал обусловлен химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя. Во втором случае измеряется физический параметр (коэффициент поглощения или отражения света, масса, проводимость и др.).

Для повышения избирательности на входном устройстве перед химически чувствительным слоем размещаться мембраны, которые селективно пропускают частицы определяемого компонента (ионообменные, гидрофобные и другие пленки). При этом определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую мембрану к тонкому слою селективного слоя, в котором формируется аналитический сигнал на компонент.

На основе химических сенсоров разрабатываются сенсорные анализаторы, которые представляют собой приборы для определения какого-либо вещества в заданном диапазоне его концентраций. Заметим, что к химическим сенсорам относятся также биосенсоры.

В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:
  • электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.);
  • электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);
  • магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);
  • термометрические;
  • оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);
  • биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);
  • и др.
Остановимся кратко на работе некоторых типов электрохимических сенсоров, термисторных сенсоров, биосенсоров и интегрально-оптических химических сенсоров.


3.3. Электрохимические сенсоры

В электрохимическом сенсоре определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода. Среди электрохимических сенсоров выделяют следующие:
  • – потенциометрические,
  • – амперометрические,
  • – кондуктометрические,
  • – кулонометрические.
Потенциометрические сенсоры основаны на ионоселективных электродах, которые дают селективный отклик на присутствие определяемых ионов или молекул веществ в растворах. Аналитическим сигналом в них является потенциал, который образуется на поверхности твердого материала, помещенного в раствор, содержащий ионы, которые могут обмениваться с поверхностью. Величина потенциала связана с количеством ионов в растворе. Измерить поверхностный потенциал непосредственно невозможно, однако его можно измерить, используя соответствующую электрохимическую ячейку. В этом и заключается суть потенциометрического метода.


Следует отметить, что для измерения потенциала ячейки необходим нулевой ток. Практически, такое условие недостижимо, поскольку сам процесс измерения потенциала предполагает наличие небольшого тока. Но поскольку сила тока здесь находится в микроамперном диапазоне, то она незначительно искажает равновесный потенциал на поверх­ности. Таким образом, предположение о том, что потенциал измеряется по существу в условиях нулевого тока, достаточно корректно.

Существуют различные виды ионоселективных электродов. Их классификация основа­на на различии селективных химических реакций, приводящих к образованию межфазного потенциала. Специфическое распознавание потенциометрическим химическим сенсором достигается благодаря химической реакции на поверхности сенсора. Таким образом, поверхность электрода должна содержать реагент, который химически и обратимо взаимодействует с аналитом. Это достигается благодаря использованию ионоселективных мембран, которые представляют собой поверхность сенсора. В потенциометрических сенсорах используются четыре типа мембран:
  • – Стеклянные мембраны. Такие мембраны селективны по отношению к таким ионам, как Н+, Na+ и NH4.
  • – Мембраны из плохо растворимых неорганических солей. К мембранам этого типа относятся монокристаллические органической соли, например LaF3, или диски из спрессованного порошка неорганической соли или смеси солей, например, Ag2S/AgCl. Эти мембраны селективны по отношению к таким ионам, как F-, S2- и Сl-.
  • – Полимерные мембраны с иммобилизованным ионофором. В этих мембранах ионоселективные комплексообразующие соединения или ионообменники иммобилизова­ны в полимерной матрице, например, в поливинилхлоридной.
  • – Мембраны с иммобилизованными в геле или хими­чески связанными с гелем ферментами. В мембранах этого типа используются высокоспецифичные реакции, катализируемые ферментами. Фермент содержится внутри матрицы или химически прививается на твердой поверхности.
Бла­годаря достижениям в области микроэлектроники были разработаны ионоселективные полевые транзисторы. Они представляет собой видоизмененный полевой транзистор с изолированным затвором.


Основная часть ионоселективного полевого транзистора – это полупроводник р-типа, в котором есть два участка, которые представляют собой полупроводники n-типа, называемые, соответственно, истоком и стоком (рис. 2). На поверхность полупроводника наносится металлооксидный изолятор, на который затем вместо металла затвора полевого транзистора наносят ионоселективную мембрану. Сила тока, проходящего между истоком и стоком, определяется входным напряжением.

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_2.gif

Рис. 2. Ионоселективный полевой транзистор.

Исследуемый раствор с погруженным в него электродом сравнения контактирует с ионоселективной мембраной, что приводит к возникновению на поверхности мембраны потенциала, который является входным потенциалом, контролирующим силу тока между стоком и истоком. Сила тока зависит от мембранного потенциала, который, таким образом, зависит от активности определяемых ионов в исследуемом растворе. Такие устройства чрезвычайно малы (< 1 мм2) и широко используются  для определения разнообразных веществ.

Вольтамперометрия. Данный метод заключается в измерении силы тока в электрохимической ячейке как функции приложенного потенциала.

Многие вещества окисляются или восстанавливаются при определенном потенциале, который характерен именно для данного вещества. Если потенциал зафиксирован на величине, соответствующей окислению или восстановлению определяемого вещества, то сила тока прямо связана с его концентрацией. На этом принципе основано действие амперометрических электрохимических сенсоров.

Например, для измерения концентрации растворенного в воде кислорода используют кислородный амперометрический датчик. В данном датчике есть золотой или платиновый катод, отделенный от серебряного анода пластиковой оболочкой. Газопроницаемая мембрана, которая располагается на внешней стороне нижней поверхности электрода, пропускает внутрь молекулы небольшого размера. При погружении датчика в исследуемый образец воды молекулы кислорода диффундируют в тонкую пленку электролита, контактирующую с электродами. На катоде поддерживают потенциал -800 мВ относительно серебряного анода, и молекулярный кислород восстанавливается в соответствии с уравнением:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_3.gif    (1)

Проходящий через ячейку ток измеряют и по его величине определяют концентрацию растворенного кислорода. Такой датчик необходимо калибровать, используя стандартные растворы с известной концентрацией растворенного кислорода.

Селективность амперометрических химических сенсоров определяется главным образом природой материала поверхности электрода, а, следовательно, и величиной потенциала, при котором происходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента.

Для повышения селективности отклика поверхность химических сенсоров модифицируют с помощью специальных соединений, которые осуществляют перенос электронов между электродом и определяемым компонентом. Операция закрепления модификатора-переносчика на поверхности химического сенсора называется иммобилизацией. При этом модификатор перестает быть подвижным, не вымывается анализируемым раствором и может работать в потоке жидкости. Модификация электродов для химических сенсоров удлиняет срок их службы.

Чувствительность амперометрических электрохимических сенсоров, как правило, выше потенциометрических.

Кондуктометрические сенсоры. Их действие основано на измерении электропроводности растворов. Такие электрохимические сенсоры используют, в частности, для определения концентрации CO2 в воздухе. В этом случае измеряется электропроводность водного раствора углекислоты, в котором, как правило, в результате ее диссоциации образуются ионы H+ в количествах, зависящих от парциального давления CO2 в воздухе. Различие в электропроводности между «холостым» раствором (без CO2) и анализируемым (с CO2) фиксируется как аналитический сигнал.

Кулонометрические сенсоры. В основе работы этого типа электрохимических сенсоров лежит зависимость тока, протекающего через электрохимическую ячейку при контролируемом расходе анализируемого газа подающего на катод, от концентрации кислорода (при условии практически полной откачки кислорода из потока). Они менее известны, однако в ряде случаев точность измерения ими выше других видов электрохимических химических сенсоров.

В заключение данного параграфа следует отметить, что разработано несколько типов потенциометрических и амперометрических сенсоров аммиака на основе микроорганизмов [21]. Типичный аммиачный микробный сенсор состоит из иммобилизованных бактерий, газопроницаемой тефлоновой мембраны и кислородного электрода. Зависимость между уменьшением тока и концентрацией аммиака линейна вплоть до концентрации 42 мг/л. Нижняя граница определяемых концентраций составляла 0,1 мг/л. Чувствительность микробного сенсора была примерно равна чувствительности стеклянного электрода. Сенсор не реагировал на летучие соединения, такие как уксусная кислота, этанол и амины, или нелетучие питательные вещества, такие как глюкоза, аминокислоты и ионы металлов. Выходной ток сенсора был стабилен в течение более 10 дней при проведении 200 анализов.

3.4. Термисторные сенсоры

Термистор представляет собой устройство для измерения изменений температуры. В основе его действия лежит явление уменьшения электрического сопротивления (приблизительно 4-7%/°С) оксидов металлов (ВаО/СаО, оксид переходного металла), сплавленных при высокой температуре.

Термисторы полезны для измерения температур с точностью ±0.005°С. Они могут быть разного размера и формы, но для сенсора наиболее удобен термистор в виде шарика, покрытого стеклянным защитным слоем.

Сопротивление и температуру обычно измеряют с помощью мостика Уинстона, служащего для измерения сопротивления.

Высокая чувствительность к малым изменениям температуры, которой отличаются термисторы, может быть использована для определения малых количеств теплоты, которые выделяются в ходе химической реакции. Именно так термисторы используются в микрокалориметрии, когда химические реакции изучаются в объемной фазе раствора. В применении к сенсорам требуется селективность по отношению к определяемому веществу, что достигается в результате проведения химической реакции на поверхности термистора или вблизи от нее.

Существует два основных подхода к использованию термисторов в калориметрических сенсорах. В соответствии с одним термистор помещают в ячейку детектора для измерения температурных изменений, после того как раствор аналита пропускают через слой иммобилизованного фермента. Хотя такую детекторную систему и можно приспособить для определения нескольких аналитов, для этого нужны значительные количества фермента. Второй подход заключается в иммобилизации фермента непосред­ственно на поверхности термистора. В этом случае сенсор может быть миниатюрным и его можно поместить в проточную аналитическую систему. Рассмотрим для примера два типа термисторных химических сенсоров.

Каталитические газовые сенсоры

Каталитические газовые сенсоры широко используются для определения горючих газов (метана, этана, пропана, угарного газа и водорода) и паров (бензина, органических растворителей) в воздухе.

Принцип  их действия заключается в контролируемом сжигании горючего газа в воздухе и измерении количества выделяющегося при этом тепла. В целях ускорить получение отклика используют катализаторы. Таким образом, для каталитического газового сенсора нужны нагреватель для поддержания температуры, достаточной для сжигания газа, катализатор окислительного процесса и устройство для измерения теплоты сгорания. Обычно в качестве нагревателя используют спираль из проволоки, а зависимость сопротивления этой проволоки от температуры используют для измерения выделяющегося тепла [2, 4].

В первом каталитическом газо­вом сенсоре применялась платиновая спираль, которую нагревали, пропуская через нее ток, до температуры горе­ния газа на поверхности платины. Выделение тепла приводило к нагреванию спирали и, следовательно, к увеличению ее сопротивления. По изменению темпера­туры определялось количество сгоревшего газа.

Как катализатор, платина проигрывает другим метал­лам, таким как палладий и родий: при использо­вании платины нужны гораздо более высокие температу­ры (1000°С), что приводит к существенной потере плати­ны и уменьшению толщины проволоки.

Потребность в других формах каталитических газовых сенсоров привела к созданию пеллисторов. Пеллистор представляет собой газовый сенсор, основанный на том же принципе, что и предыдущий, то есть в нем тоже использована платиновая спираль в качестве нагревающего элемента и резистивный термометр в качестве температурного датчика. Отличие заключается в том, что качестве катализатора в этом случае используют палладий в виде тонкоизмельченного порошка, что позволяет увеличить площадь поверхности и существенно повысить эффективность катализатора. Таким образом, катализатор окисления в этом сенсоре гораздо эффективнее [4]. Это позволяет применять сенсор при температурах около 500°С, то есть для определения углеводородов типа метана.

Схема пеллистора представлена на рис. 3. Платиновая спираль в этом сенсоре заключена в огнеупорный шарик размером около 1 мм. Поверхность шарика покрыта слоем тонкодисперсного палладия в матрице из оксида тория [4].

Электроника для измерительных систем может действовать в режиме обратной связи. В этом случае ток для нагревания платиновой проволоки уменьшают в целях компенсировать рост температуры, вызванный горением. При этом сила тока является измеряемым параметром, свя­занным с изменением температуры, вызванным горением газа, и, следовательно, с количеством газа.

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_4.gif

Рис. 3. Схема пеллистора.

Проблемой использования газовых сенсоров является то, что они подвержены отравляющему действию других газов, что ведет к потере селективности сенсоров. Для решения этой проблемы разрабатываются пеллисторы и сенсорные системы с более низкой восприимчивостью по отношению к отравляющим сенсоры веществам.

Наилучшим выходом оказалась конструкция пеллистора, в которой платиновую спираль окружает пористый алюминиевый шарик, содержащий большое количество тонко измельченного катализатора. В этом случае доступная площадь поверхности катализатора существенно повышается, но зато падает механическая прочность пеллистора по сравнению с предыдущей конструкцией.

Вся аппаратура, относящаяся к газовым термисторным сенсорам, достаточно проста и портативна, поэтому обычно использу­ют прибор карманного размера. Для газовых сенсоров характерен относительно быстрый отклик: результат можно получить уже через 20 секунд [4].

Сенсор по теплопроводности

Действие этого типа сенсоров, в отличие от термисторных и каталитических, не связано с химическими реакциями, протекающими на поверхности сенсора. В основе их действия – измерение теплопроводности газов.

Одним из элементов данного типа сенсоров является металлическая нить, сделанная из вольфрама, сплава вольфрам/рутений или никель/железо. Нить нагревают до температуры около 250°С. Тепло ее рассеивается в окружающей среде, при этом на этот процесс влияет теплопроводность газа. Теплопроводность газов изменяется  в очень широких пределах, и температура проволоки будет изменяться в соответствии с природой и кон­центрацией газа. Изменение температуры нити можно зафиксировать по изменению ее сопротивления, так же, как и для других калориметрических сенсоров [2, 4].

Уже многие годы такие сенсоры успешно используют в качестве детекторов газовой хроматографии и в качестве газовых сенсоров в промышленности.

Сенсоры по теплопроводности используются в случа­ях, когда ожидаемая концентрация газа относительно высока. Поскольку их действие не зависит от протекания химической реакции, их можно использовать в среде инертных газов, например, для мониторинга содержания горючих газов в сосудах, после того как они были заполнены азотом. Еще их можно использовать для определения самих инертных газов, таких, как азот, гелий, аргон и двуокись углерода. Таким образом, у сенсоров теплопроводности своя собственная область применения, отличающаяся от области применения каталитических газовых сенсоров, но вместе с тем дополняющая ее.

3.5. Биосенсоры

Биосенсор – это устройство, включающее биологический чувствительный элемент, тесно связанный с преобразователем либо интегрированный с ним [21]. Биосенсор служит для формирования цифрового электрического сигнала, пропорционального концентрации определенного химического соединения или ряда соединений. Эта связь двух противоположных дисциплин позволила объединить специфичность и чувствительность биологических систем с вычислительной мощью компьютера. Бурно развивающаяся в последние годы биосенсорная техника уже сейчас предлагает новые эффективные средства, которые предсказывают радикальное изменение нашего подхода к классическому химическому анализу.

Современная концепция биосенсора в значительной степени связана с идеями Лиланда Кларка-младшего и соавторов, развитыми в 1962 г. Авторы предположили, что если бы ферменты можно было иммобилизовать на электрохимических датчиках, то такие «ферментные электроды» расширили бы диапазон аналитических возможностей базового датчика. Последовавшая затем активная работа постепенно раздвинула горизонты данной области. Ее нынешнее состояние в какой-то степени характеризуют перечисленные ниже потенциальные чувствительные элементы и преобразователи, которые можно использовать при конструировании биосенсоров [2, 4, 21]:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_5.jpg

В реальных же сенсорах пока используют не все возможные комбинации этих элементов. Развитие биосенсоров обусловлено усилиями исследователей в нескольких направлениях. В основу описанных к настоящему времени конфигураций биосенсоров положено принципиально новое объединение хорошо известных ранее и не связанных друг с другом подходов [21]. В будущем для удовлетворения специфических требований, по-видимому, большее внимание будут уделять инженерной проработке как всего прибора в целом, так и его компонентов. При этом могут потребоваться новые биохимические реакции и усовершенствование известных реакций, например, с помощью генной инженерии и химических методов. Биосенсоры будут проектировать вместе с подходящим детектором, а не привязывать к случайным результатам предыдущих работ.

Итак, под термином биосенсор понимают устройство, в котором чувствительный слой содержит биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК. Этот слой непосредственно реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует сигнал, зависящий от концентрации этого компонента.

Конструктивно биосенсор аналогичен остальным видам химических сенсоров и состоит из двух преобразователей (биохимического и физического) находящихся в тесном контакте друг с другом. При этом биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь позволяет зарегистрировать этот сигнал. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая к дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов.

В качестве трансдьюсеров могут быть использованы любые из упомянутых в данной статье: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические, на поверхностных акустических волнах и интегрально-оптические.

Действие биосенсоров основано на важнейших химических реакциях живых организмов: реакции антитело/антиген, фермент/субстрат, рецептор/гормон. Такие реакции используются для получения высоко селективных и чувствительных биосенсоров на конкретные определяемые вещества. Для иллюстрации высокоселективных реакций, протекающих между биологическими молекулами, предложен механизм, получивший название «ключ-замок».

Для объяснения принципа действия биосенсоров часто используют схему, представленную на рис. 4. Эта схема достаточно универсальна и применима к любым ти­пам сенсоров, в которых реагент обладает сродством к индивидуальному веществу. Для иллюстрации высокоселективных реакций, протекающих между биологическими молекулами, предложен механизм, получивший название «ключ замок».

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_6.gif

Рис. 4. Биосенсор.

В биосенсорах узнающим реагентом обычно является макромолекула, иммобилизованная внутри мембраны, либо химически связанная с поверхностью, которая контактирует с раствором определяемого вещества. Между реагентом и определяемым веществом проходит специфическая химическая реакция. Это может быть либо прямое взаи­модействие реагента с определяемым веществом, как в слу­чае реакции антиген/антитело, либо каталитическое вза­имодействие иммобилизованного фермента с определяе­мым веществом с образованием легко определяемого продукта.

Большой интерес, например, представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорганизмов, служащих элементом так называемого микробного сенсора [21]. В частности, амперометрический сенсор на аммиак на основе иммобилизованных нитрифицирующих бактерий и кислородного электрода Кларка используется при решении вопросов охраны окружающей среды.

Следует отметить, что в последнее время стал активно развиваться и применяться лихеноиндикационный мониторинг состояния воздушной среды [15]. Методы лихеноиндикации основаны на индивидуальной реакции различных видов лишайников к действию загрязнителей атмосферы. Растянутая во времени ответная реакция данных организмов-биоиндикаторов даже на микродозы загрязнителей, проявляющаяся в морфологических изменениях, смене видового состава и невысокая собственная изменчивость обуславливают их широкое использование в качестве биоиндикаторов состояния воздуха. Результаты лихеноиндикационных исследований дают интегральную оценку степени загрязненности воздуха за длительный промежуток времени и могут служить хорошим дополнением к санитарно-гигиенической оценке условий среды обитания. Лишайники очень чувствительны к химическим загрязнениям и могут быть хорошими индикаторами состояния окружающей среды как сами по себе, так и в качестве некоторого чувствительного элемента биосенсоров.

Если принять во внимание все разнообразие ферментов, присутствующих и действующих в живых организмах и являющихся потенциальными биологическими преобразователями, то существующее сегодня число конструкций биосенсоров может быть увеличено в десятки и даже сотни раз. Основные трудности связаны с градуировкой биосенсоров и надежностью их показаний. Для улучшения последнего показателя, в частности, может быть использована мультисенсорная система, состоящая из ряда биочипов.

В целом метрологические характеристики биосенсоров вполне приемлемы. Относительное стандартное отклонение определяемой концентрации не хуже 10-12%, при этом нижняя граница определяемых содержаний достигает 10-10-10-15 моль/л. Некоторые биосенсоры работают по принципу «да-нет», что приемлемо, в случае определения присутствия ультра малых количеств высокотоксичных веществ в объектах окружающей среды. Если определяемые компоненты находятся в сложной смеси или матрице, или близки по своим свойствам, то при анализе используются хроматографические методы разделения.

Отметим, что биосенсоры широко используются не только в химии, но также в биотехнологии, медицине и экологии. Перспективно их применение в электронной промышленности и системах безопасности, например, на транспорте (в первую очередь – на авиатранспорте), в угольной промышленности и др. Многочисленные аварии, катастрофы и теракты последних лет настоятельно требуют ускоренного внедрения перспективных научных разработок в критически важных областях жизни.

3.6. Оптические химические сенсоры

Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах [3-6, 9-12, 14, 16, 17]:
  • поглощения света (абсорбция);
  • отражения первичного (падающего) светового потока;
  • люминесценции.
При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентраций определяемых веществ.


Рассмотрим фундаментальные явления, лежащие в основе действия оптических химических сенсоров.

Абсорбция. Способность вещества поглощать оптическое излучение зависит от строения атомов (молекул), а также от агрегатного состояния вещества, его концентрации, толщины слоя, длины волны и других факторов.

Основные законы поглощения оптического излучения, на которых основано применение эффекта абсорбции для исследования и анализа вещества – закон Бугера-Ламберта и закон Бера [11, 12, 14, 16].

Согласно первому закону, если среда однородна и ее слой толщиной l перпендикулярен монохроматическому световому потоку с интенсивностью I0, то интенсивность I прошедшего света определяется по формуле:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_7.gif    (2)

В формуле (2)  – коэффициент поглощения, который для данного вещества зависит от длины волны λ падающего монохроматического излучения. В тех случаях, когда нельзя пренебречь рассеянием света, необходимо учитывать его вклад в суммарное ослабление  интенсивности прошедшего через среду света: .

По закону Бера каждая молекула (или атом) поглощает одинаковую часть падающего излучения, поэтому поглощение пропорционально числу частиц поглощающего вещества N:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_8.gif   (3)

где N – концентрация определяемого вещества; σ – сечение поглощения определяемого вещества на данной длине волны падающего излучения .

Если оба закона выполняются, то справедлив объединенный закон Бугера-Ламберта-Бэра:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_9.gif    (4)

В случае изменения концентрации  исследуемого вещества вдоль пути распространения светового излучения, в расчетах используется закон Бугера-Ламберта-Бэра в интегральной форме [18]:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_10.gif   (5)

где P и P0 – мощность светового излучения на выходе сенсорной ячейки в присутствии и отсутствии исследуемого вещества, соответственно; L – толщина слоя исследуемой среды (соответствует, например, длине сенсорной ячейки);  – распределение концентрации определяемого вещества вдоль оси z (вдоль которой распространяется лазерное излучение).

Отражение. При падении потока света на границу раздела двух сред часть его излучения отражается обратно. При этом характер отражения зависит от свойств сред и размеров неровностей на границе раздела этих сред. Интенсивность  отраженного света определяется электронным строением атомов, молекул и ионов в поверхностном слое вещества, процессами поглощения и многократного рассеяния в нем, а также зависит от длины волны падающего света, т.к.  в (2)-(5) может завесить от . Это позволяет использовать эффект отражения для исследования состава и строения поверхностных слоев твердого тела и мутных сред, а также идентифицировать адсорбированные соединения.

Для исследования тонких пленок используется метод нарушенного полного внутреннего отражения, основанного на отражении, например, ИК-излучения на границе двух сред, находящихся в оптическом контакте (на расстоянии порядка действия молекулярных сил). В этом случае вещество поглощает свет характеристических длин волн и отражает в остальной части спектра.

Люминесценция. Это явление представляет собой свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, и является избыточным излучением  по сравнению с тепловым излучением тела при данной температуре.

Фотолюминесценция, источником которой является свет, имеет наибольшее значение для определения состава среды. Фотолюминесценцию характеризуют спектрами поглощения и люминесценции, поляризацией, энергетическим выходом (отношение энергии, излучаемой веществом в виде люминесценции к поглощенной энергии), квантовым выходом (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных) и кинетикой.

Наиболее широко применяют анализ, основанный на фотолюминесценции возбуждаемой УФ-излучением, источником которого служат ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы, а также – лазеры. Регистрация люминесценции производится визуально и фотоэлектрическим способом (с помощью спектрофотометра). Характеристики фотолюминесценции позволяют сделать выводы о присутствии в исследуемых образцах определенных веществ и их концентрации. Количественный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующего вещества.

Чаще всего оптические химические сенсоры классифицируются в зависимости от типа принципов их действия: датчик поглощения, датчик отражения, датчик люминесценции, комбинированный датчик и др.

Строение оптических химических сенсоров. В оптических химических сенсорах работающих на физических принципах аналитический сигнал обусловлен не химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя, а измеряемым физическим параметром: интенсивностью поглощения, отражения или люминесценции света и т.д.

Оптоволоконный сенсор обычно выполнена из кварцевого стекла, пластика или стекла и окружен оптическим изолятором – оболочкой, имеющей более низкий показатель преломления, чем сердцевина. Пластиковые и стеклянные волокна гораздо дешевле, чем волокна из кварцевого стекла, однако область применения кварцевых волокон суще­ственно шире: они могут быть использованы в ультрафиолетовой области спектра, там, где остальные материалы поглощают излучение.

Используют как одиночные оптические волокна, так и пучки из многих оптических волокон. Оп­тические волокна позволяют осуществить передачу оптических сигналов на очень большие расстояния и, следовательно, идеальны дня тех случаев, когда объект анализа удален от исследователя. Кроме того, их можно изогнуть (однако угол изгиба не должен быть слишком острым), а поэтому их можно использовать в самых разнообразных оптических светочувствительных устройствах, таких, как проточные ячейки для непрерывного мониторинга.

Интегрально-оптический сенсор. Интегрально-оптические химические датчики по-нашему мнению являются наиболее перспективными среди оптических химических сенсоров [9-12, 17, 18, 19]. Принцип работы интегрально-оптических химических датчиков абсорбционного типа основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения волноводной моды, распространяющейся через исследуемую газообразную или жидкую среду (находящуюся рядом с датчиком), на длинах волн, характерных для данного вещества.

На рис. 5 схематически показан поперечный разрез простого трехслойного интегрально-оптического тонкопленочного волноводного химического сенсора. Он образован тремя средами: воздухом 1, пленкой 2 и подложкой 3 с показателями преломления сред ,  и  соответственно. Для обеспечения направляющих свойств показатели преломления  сред волновода выбираются из условия:  >  > .

В оптико-лучевом приближении лазерное излучение, введенное в регулярный волновод, распространяется вдоль волновода в виде плоских волн, двигающихся по зигзагообразному пути и испытывающих полное внутреннее отражение на границах волновода [9-12, 14, 16-19]. Оптическая энергия моды не ослабевает в результате интерференции волн отраженных на границах волновода, если полное изменение фазы в вертикальном направлении кратно 2π. В этом случае говорят, что выполнено резонансное условие. Напряженность поля волноводной моды в волноводном слое 2 имеет синусоидальное распределение, а в средах 1 и 3 экспоненциальное. Обычно используются локализованные ТЕ-моды, поле которых экспоненциально затухает в воздухе и подложке по мере удаления от волноводного слоя 2.

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_11.gif

Рис. 5. Интегрально-оптический волноводный химический сенсор.

Оптическая волноводная сенсорная ячейка образована средами 1–3: 1 – покровный слой (воздух), 2 – волноводный слой (пленка); 3 – подложка; 4, 7 – вводимое и выводимое излучение лазера; 5, 6 – призмы ввода и вывода лазерного излучения; 8 – направляемая волноводная мода; 9 – исследуемая среда.

Если рядом с волноводом  в воздухе (на границе раздела сред 1-2) появится газ 9 (или другая исследуемая среда, например, пар, жидкость), у которого есть характерная линия поглощения, совпадающая с длиной волны лазерного излучения, то будет наблюдаться затухание мощности волноводной моды. Именно этот эффект и лежит в основе работы интегрально-оптического химического датчика абсорбционного типа.

Волноводный слой 2 может изготавливаться из полистирола, желатины и ряда других оптически прозрачных материалов. Например, слой из Та2О5 наносится на подложку с помощью катодного распыления. Интегрально-оптический датчик может быть создан на основе диффузного волновода, изготовленного легированием PbO2 в стеклянную подложку. Толщина пленки (волноводного слоя 2), как правило, сравнима с длиной волны монохроматического света  и в видимом диапазоне обычно не превышает 1-5 микрометров.

Подложка 3 волновода обычно представляла собой пластинку толщиной несколько миллиметров, например, сделанную из стекла с высокой чистотой обработки поверхности (среднеквадратичная величина шероховатости поверхности менее 100 Å). Длина сенсорной ячейки интегрально-оптического химического датчика определяется расстоянием между вводом и выво­дом излучения через призменные устройства свя­зи и может варьироваться от нескольких миллиметров до метров [9-12]. Для ввода и вывода лазерного излучения используются призмы с показателем преломления большим, чем у сред 1-3 образующих волновод.

На рис. 6 приведена схема интеллектуальной цифровой измерительной системы, использованной для проверки детекторных способностей интегрально-оптического химического датчика на основе диффузного волновода, изготовленного легированием PbO2 в стеклянную подложку [12, 17, 18]. В качестве источника когерентного излучения использовался гелий-неоновый лазер 1 с длиной волны  = 632.8 нм, совпадающей с одной из полос поглощения аммиака. Лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом 2 на опорный и сенсорный лучи. Сенсорный луч вводится в интегрально-оптическую волноводную сенсорную ячейку 3 через вводную призму под углом, который соответствует резонансному возбуждению ТЕ0-моды.

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_12.jpg

Рис. 6. Схема интеллектуальной цифровой измерительной системы  с интегрально-оптичеким химическим сенсором.

Введенное в волновод излучение распространяется по волноводу (рис. 5), частично проникая в воздух, и в присутствии аммиака на выходе выводной призмы наблюдается уменьшение интенсивности сигнала, регистрируемого сенсорным фотоприемником 4. Сигнал опорного луча регистрировался вторым фотоприемником 5. В качестве фотоприемников были использованы кремниевые фотодиоды ФД-256. Эти фотодиоды предназначены для применения в качестве приемника оптического излучения в диапазоне примерно от 0,4 мкм до 1,1 мкм. Режим работы фотодиодов, как правило, фотодиодный (с внешним источником смещения). При низком отношении сигнал/шум предпочтительнее применять фотоэлектронные умножители. Сигналы с фотоприемников поступали на электронную схему сравнения 6. После аналого-цифрового преобразования сигнал регистрировался и обрабатывался компьютером 7. Для регистрации результатов экспериментов в цифровом виде может использоваться, например, виртуальная лаборатория типа «PC-LAB», возможности которой можно расширить последующей математической обработкой данных экспериментов [18, 19].

Для ввода и вывода лазерного излучения в волноводный сенсор могут использоваться как призмы, так и дифракционные решетки. Можно использовать и торцевой ввод лазерного излучения. Выбор конкретного типа волновода и способов ввода и вывода лазерного излучения в интегрально-оптический волновод определяется конструкцией сенсора, типом исследуемого вещества, а также – предъявляемыми к датчику технологическими требованиями.

Подчеркнем, что особенности работы различных интегрально-оптических сенсоров в видимом диапазоне длин волн изучены пока достаточно слабо. Нет, например, достоверных данных о взаимодействии молекул аммиака, как с поверхностью конкретного сенсора, так и с приповерхностным слоем сенсора в поле лазерного излучения волноводной моды. Хотя уже в первых работах по интегрально-оптическим датчикам отмечались возможности сложного взаимодействия детектируемого вещества и сенсора (см., например, [8, 9]). Так возможны следующие явления: изменение диэлектрической проницаемости приповерхностного слоя в момент действия детектируемого вещества (эффект может быть обратимым и необратимым), нелинейный процесс взаимодействия поля волноводной моды с детектируемым веществом, усиление детектируемого эффекта с помощью дополнительного (химико-трансдьюсерного) слоя, который содержит иммобилизированные молекулы вещества, избирательно и обратимо реагирующего на присутствие исследуемого вещества. Таким слоем может быть сам волноводный слой интегрального оптического датчика. Бесспорно, комплексное исследование всех этих явлений требует междисциплинарного подхода и достаточно трудоемких и дорогостоящих экспериментов.

Для проверки детекторных способностей интегрально-оптического химического датчика использовался газообразный аммиак.[1] Следует подчеркнуть, что проблемы производства, транспортировки, реализации и хранения аммиака на всех стадиях требуют применения высокоточных быстродействующих датчиков аммиака. В микроэлектронной промышленности аммиак образуется, например, при следующих технологических процессах: оксидирование, нанесение слоев кремния, формирование контактов и фотолитография. В частности, при фотолитографии контроль концентрации содержания в воздухе аммиака является актуальным направлением по уменьшению молекулярных загрязнителей воздуха. Важно также заметить, что аммиак является взрыво- и пожароопасным газом.

При тестировании экспериментальной установки концентрация в воздухе газообразного[2] аммиака составляла в среднем не более 200 ppm (примерно[3] 140 мг/м3).[4] Зарегистрированная в экспериментах минимальная концентрация аммиака была оценена на уровне 5 ppm при величине сигнал/шум не ниже 15. В расчетах использовалась оценка эффективного значения сечения  поглощения аммиака, полученная из данных экспериментов по волноводной методике измерения в диапазоне длин волн ≈ 500–750 нм [9-11].

Для примера на рис. 7 приведен один из полученных для экспериментальных условий измерения графиков зависимости коэффициента затухания волновода, обусловленный наличием газообразного аммиака .

Эта зависимость характеризует минимальную чувствительность рассматриваемого интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки L (т.е. полагается, что L равняется определенному z). Цифрой 1 на рис. 7 обозначен регистрируемый коэффициент затухания волноводной моды при наличии аддитивного случайного шума (с уровнем ), который рассчитывался на компьютере по известной формуле:

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_14.gif   (6)

В выражении (6)  – уровень сигнала, при котором отношение сигнал/шум в среднем (от реализации к реализации случайного шума) не ниже 20.

datchiki-sistematika-principy-raboty-i-primenenie_13.jpg

Рис. 7. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки. Цифрой 2 на рис. 7 обозначен уровень, соответствующий концентрации газообразного аммиака в воздухе 0.1 ppm.

Как видно из рис. 7 для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть не меньше 4 см.

Для дальнейшего повышения чувствительности интегрально-оптического химического датчика могут быть использованы следующие способы [6, 9-12, 14, 17, 18-19]:
  • – увеличение длины сенсорной ячейки (например, использование подложки в виде цилиндрического стержня, брэгговских отражателей, резонаторов и др.);
  • – оптимизация параметров волноводной системы;
  • – увеличение отношения сигнал/шум;
  • – интеграция элементов датчика на единой подложке, включая источник излучения, сенсорную ячейку и фотоприемник;
  • – и ряд других.
Для увеличения доли мощности волноводной моды в регистрируемой среде следует использовать пленки с большим значением показателя преломления или использовать тонкий слой на поверхности волновода с оптимизированными параметрами.


Отношение сигнал/шум может быть увеличено, во-первых, путем оптимизации параметров электронной схемы сравнения и, во-вторых, уменьшением потерь в волноводной системе из-за рассеяния лазерного излучения, в частности, путем использования подложки с малой шероховатостью поверхности. При достижении предельных характеристик интегрально-оптического сенсора эта проблема будет дополнительно исследована.

Компьютерное моделирование с использованием модели турбулентной диффузии газообразного аммиака в воздухе показало, что величина минимальной концентрации, которая может быть измерена с помощью датчика рассмотренного типа, составляет примерно 0.1 ppm при эффективности ввода лазерного излучения (видимого диапазона) в волноводную сенсорную ячейку около 40%, длине сенсорной ячейки не менее 4 см и величине сигнал/шум около 20.


4. ВЫВОДЫ
  • Существует огромное разнообразие конструкций датчиков.
  • Сенсорные технологии играют, и будут играть в будущем важнейшую роль в различных областях жизни.
  • Датчики используются практически во всех отраслях науки и промышленности.
  • Интегральные оптические датчики очень перспективны, например, для использования в инфокоммуникационных технологиях: простая конструкция, интегральность исполнения, высокая точность, малые размеры и масса, высокая устойчивость к условиям окружающей среды, длительный срок службы, возможность интеграции с существующими оптоволоконными сетями и др.
  • По различным оценкам, объем продаж на мировом рынке датчиков сегодня составляет около 150 млн. евро, и годовой прирост равен приблизительно 15% [21].
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существующий в последние годы и все возрастающий интерес к разработке и использованию оптических химических сенсоров связан со следующими их наиболее важными преимуществами:
  • высокая чувствительность;
  • высокая скорость отклика;
  • возможность бесконтактного обнаружения;
  • высокая помехозащищенность;
  • нечувствительны к электромагнитным полям (не оптической частоты);
  • нечувствительны к радиационным полям;
  • способность передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния (например, по оптоволокну);
  • удобство мультиплексирования сигналов;
  • высокая плотность передачи данных;
  • стойкость к вредным воздействиям окружающей среды;
  • удобство применения интегральной технологии.
Основными недостатками оптических химических сенсоров являются: достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры (в случае использования полупроводников при изготовлении сенсора).


Установлено, что при использовании высоко устойчивой миниатюрной электронной схемы сравнения на основе прецизионных операционных усилителей и компьютерной регистрации и обработке данных измерений интегрально-оптический химический сенсор демонстрирует хорошие метрологические характеристики.

Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение, например, в системах контроля качества воздуха. По нашему мнению есть хорошая перспектива использования датчиков этого типа для исследования также веществ, растворенных в жидкостях, например, в биомедицинских, физико-химических и экологических исследованиях.
  • [1] Аммиак – бесцветный газ с резким характерным запахом, почти в два раза легче воздуха, хорошо растворяется в воде.
  • [2] Как известно, понятия газа и пара почти полностью эквивалентны (см., например [20], С. 527). При исследовании, например, динамики фазовых переходов, явления критической опалесценции и др., по-видимому, потребуется уточнение состояния, в котором находится газообразный (пар, газ) аммиак. Описанный здесь эксперимент этого не требовал.
  • [3] 1 мкг/м3 = (1 млн-1∙)∙103, где  – молекулярный вес газообразного вещества, коэффициент  для температуры 25 0С и давления 760 мм рт.ст. равен 24.5.
  • [4] Данная величина превышает предельно допустимую концентрацию данного вещества (для Российской Федерации) как в воздухе населенных мест (0.2 мг/м3), так и в рабочей зоне (20 мг/м3).
ЛИТЕРАТУРА
  • Виглеб Г. Датчики. – М.: Мир, 1989.
  • Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.
  • Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. – М.: Мир, 1991.
  • Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. – М.: Научный мир, 2000.
  • Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы // Датчики и системы, 2001, № 3, С. 46-50.
  • Whitenett G., Stewart G., Atherton K., Culshaw B., and Johnstone W. Optical fibre instrumentation for environmental monitoring applications // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, V. 5, pp. S140-S145.
  • Posani K.T., Tripathi V., Annamalai S., Weisse-Bernstein N.R., and Krishnaa S. Nanoscale quantum dot infrared sensors with photonic crystal cavity // Appl. Phys. Let., 2006, V. 88, pp. 151104-1–151104-3.
  • Lambeck P.V. Integrated opto-chemical sensors // Sensors and Actuators, 1992, V. 8, pp. 103-116.
  • Wiesmann R., Muller L., Klein R., Neyer A. Low cost polymer-optical ammonia sensor // ECIO’95, Proceedings of 7th European Conference on Integrated Optics, April 3-6, 1995, Delft, The Netherlands, pp. 453-456.
  • 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.
  • Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., and Chekhlova T.K. Study of the integrated-optical concentration sensor for gaseous substances // Laser Physics, 2007, V. 17, pp. 50-53.
  • Egorov A.A., Egorov M.A., Smoliakov R.B., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Integrated-optical low-loss PbO2 diffusion waveguide sensitive chemical sensor // Journal of Radio Electronics, 2007, No. 5.
  • Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, № 5, С. 2-3.
  • Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. – М.: Мир, 1985.
  • Кулябина Е.Ю., Сидоренко М.В. Лихеноиндикационный мониторинг качества воздушной среды нижегородской области // Известия Самарского научного центра РАН. Биология и Экология, 2002, 4, С. 216-222.
  • Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия: Основные принципы и техника эксперимента. – ­М.: Наука, 1985.
  • Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Исследование компьютеризированного интегрально-оптического датчика концентрации газообразных веществ // Квантовая электроника, 2008, Т. 38, С. 787-790.
  • Egorov A.A., Egorov M.A., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Low-loss inexpensive integrated-optical waveguides as a sensitive gas sensor // ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics 2008. September 15-18, 2008. St. Petersburg. Russia. St. Petersburg: ITMO. pp. 208-211.
  • Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Новый тип химических сенсоров – интегрально- оптические датчики // Экология и промышленность России. 2008. № 4 (апрель). С. 16-17.
  • Физическая энциклопедия / Гл. ред. Прохоров А.М. – М.: Большая Российская энциклопедия, Т. 3, 1992.
  • Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. М.: Мир, 1992.
  • Прогноз развития датчиков. Отчет исследования ожидаемого развития датчиков до 2015 г. / Дания. Центр сенсорной технологии // Датчики и системы. 2003. № 11. С. 59-62.


#26 Станислав

Станислав

    ура! я всё же не уфолог...

  • экспертная группа
  • 5 072 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 14:20

Тема для свалки сведений и обругивания самопальных и не очень устройств для проникновения в глубины аномального :)

Я, как человек технически безграмотный, могу только перечислять всякие самопалы и то, что видел. Но тут умных и без меня не перетого...
Обычные устройства типа штатных магнитометров просьба сюда не писать.
Разве только они используются для измерения биополя :sorry: , то есть как бы не по прямому назначению.
Откровенные "у мене внутре неонка" просьба только обозначать, ну иначе к чему время тратить.

Вот, начинаю для затравки список по принципу "что вспомнил, то и накатил"

ДЭМОН Ю.Богданова (Крым) - работал, использовали строители и геологи, позволял чётко вылавливать аномальные точки; сертифицирован и признан; аналоги были в Москве и области, говорили геофизики, сам я не видел. Была схема для сборки. Спёрли.

ИГА - ну, это, имхо, бизнес-фейк. Я неправ?

Один датчик и как минимум один "генератор" (не уверен, как правильно) проф. Р.Ф. Авраменко. Если не ошибаюсь, в основе лежала теория бозе-конденсата и всякое такое. Они работали, мы 1992 г. участвовали в их полевой апробации. Был даже ролик в "Клубе путешественников" минут на 15... найти бы, там очень интересные были моменты.

Датчик ГСЧ от ТЭГИРа (или псевдо-ГСЧ?) - ну это не вполне прибор. Но подходит.

Показометр от Странника - ну, тут он сам вместо меня пусть пишет умные слова, ага.

Простые устройства от Перепелицына, великого калужского зоннериста, и Ко. Типа "уловитель статического электричества "Борода Андрея-2" и прочая. Ну, попросту, что-то типа радиоприёмника без динамика. Делать легко, погрешности и прочая неведомы. Толком не работали.
Делай, что должен... (Марк Аврелий)
Из триад бардов: "Три вещи, которым не стоит верить: мечты старика, клятва возлюбленной и история, рассказанная незнающим"

пока ещё главный редактор «Аномалии»
Спасибо, что прочитали мой пост :)

#27 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 16:44

Цитата

Показометр от Странника - ну, тут он сам вместо меня пусть пишет умные слова, ага.

Шо, опять про показометр?!?!

Ну, уж умных слов по этому поводу вы от меня точно не дождётесь. Поэтому, какие есть.

Показометр «от Странника» (правильнее - от его отца, сделавшего прибор по просьбе Странника) в отличии, к примеру, от ДЭМОН не сертифицирован* и не признан. Позволяет фиксировать изменение количества свободных ионов в воздухе, соприкасающемся с «антенной» прибора.

Ключевые слова: ФИКСИРОВАТЬ ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕЧСТВА – потому и не измеритель, а показометр.

Сделан с использованием идей, изложенных в болгарском журнале «Радио, телевизия, електроника», № 8/89, на стр. 18-19 в статье Електронна радиестезия (в Интернете полно изложений этой статьи). Только рассматриваемый показомерт чувствительнее (есть несколько режимов работы) и со стрелочным индикатором вместо наушников. Может работать при преобладании в данный момент как положительных, так и отрицательных ионов, с изменением их кол-ва, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения от точки, принятой за условный "0" (там, где прибор колибровался для данной конкретной серии замеров). Это позволяет получать, при некотором навыке и трудозатратах, своего рада карту "плотности" ионов (в ограниченны период времени и при полном отсутствии ветров и/или сквозняков, знамо дело).

Кратенько. По мнению авторов прототипа покозометра – биолокация, это способность человека находить подземные воды (с целью рытья колодцев). По замыслу авторов прототипа показометра – над местами, где близко под землёй много воды, количество свободных ионов несколько иное, чем над участками, под которыми нет больших объёмов воды или они далеки от поверхности.

По некоторым соображениям "прототипа Странника" четверть вековой давности - локальные изменения в количестве свободных ионов в воздухе могут возникать при некоторых аномальных/паронормальных явлениях, а также при некоторой предрасположенности к ним. Как говорится – со всеми вытекающими последствиями для применения показометра.

На практике себя зарекомендовал с положительной стороны, хотя и имеет существенные недостатки, возникшие на стадии создания прибора из-за полного отсутствия необходимого опыта ( :)). Количество результатов, полученных с помощью показометра, категорически НЕ позволяет говорить об их статистической достоверности!

:patsak:
________________

* Э-э-э… О возможности сертификации чего-либо, служащего для обнаружения, измерения и/или работы с аномальным - отдельные мои большие сомнения! Сугубо ИМХО – это нонсенс.

Сообщение отредактировал Странник: 15 Январь 2014 - 22:38

Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.

#28 Константин

Константин

    Тотально всеохватная особь

  • Участники
  • PipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPipPip
  • 733 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 17:50

Вот еще: http://vegapribor.ucoz.ua/ Прибор ВЕГА и его модификации, "Вимiрювач Електромагнитних Геофiзичних Аномалiй", изобретатель - А.А.Андреев)

АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОПАТОГЕННЫХ ЗОН, БИОПОЛЯ (АУРЫ), ТОРСИОННЫХ  ПОЛЕЙ, ТОНКОПОЛЕВЫХ СТРУКТУР, ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ

Помнится, Слава думал о его покупке.

Возможно, прибор а-ля ИГА. Точно неизвестно.

Сообщение отредактировал Константин: 15 Январь 2014 - 17:52


#29 Сергей

Сергей

    Не классифицируется

  • Участники
  • 1 129 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 19:23

Хм.. ну, в принципе.. для начала хочу сказать, что имею небольшой опыт в разработке некоторых приборов..
*показометр* электростатический делал несколько раз (модифицировал). Последний экземпляр отчетливо реагировал на расстоянии нескольких метров на изменение яркости кинескопа ТВ (черное - белое). Можно конечно и более чувствительное спаять, но работать придется только летом в плавках (зимой и летом - осенью на природе холодновато будет..а в квартире при исследовании полтергейста - как-то неприлично). Одежда содержит синтетику, и поэтому есть определенные трудности. Поэтому пришлось ограничиться разумным приделом чувствительности. Делал также индикаторы отклонения частоты кварцевого резонатора (когда-то прочел статью Варламова *НЛО? - Снаряжаем экспедицию! в *ТМ*).. Правда , мест посадок НЛО не нашел.. Есть самопальный индикатор СВЧ - излучений со светодиодной шкалой и звуковым *сторожем*.. *Сотовик* в момент приема - передачи определяет метров с 6. Изготавливался с целью обнаружения постоянного потока излучения (не импульсного!). Легко также преобразовать ИФК -импульсы в звук. А заодно - просто прослушивать низкочастотные электромагнитные поля на антенку+усилитель+динамик. делал также сигнализаторы магнитных импульсов (2 варианта, сейчас *клепаю* новый агрегат). Есть проблемы - нельзя при установке большой чувствительности резко наклонять и вообще менять положение в пространстве - реагирует на магнитное поле Земли. проводились опыты по измерению изменения проводимости биологических объектов по методике Забелышенского на разных частотах (определение степени угнетения жизнедеятельности растений в *АЗ*.  Есть также опыт в получении изображений разрядов от биологических объектов по методике Кирлиан. Вот жду посылку из китая с датчиками для обнаружения горючих газов (метан - пропан - бутан). Буду делать приборчик для исследования болот и прочего.
Если кому-то что-то интересно - могу рассказать..

Сообщение отредактировал Сергей: 15 Январь 2014 - 19:26


– А что это за шаги такие на лестнице? – спросил Коровьев, поигрывая ложечкой в чашке с черным кофе.

– А это нас арестовывать идут, – ответил Азазелло и выпил стопочку коньяку.

– А, ну-ну, – ответил на это Коровьев.

#30 Станислав

Станислав

    ура! я всё же не уфолог...

  • экспертная группа
  • 5 072 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 19:50

Володь, они не для аномального его сертифицировали. Невнимательно читал.
Делай, что должен... (Марк Аврелий)
Из триад бардов: "Три вещи, которым не стоит верить: мечты старика, клятва возлюбленной и история, рассказанная незнающим"

пока ещё главный редактор «Аномалии»
Спасибо, что прочитали мой пост :)

#31 Странник

Странник

    Руководитель направления АЭН, лабиринтолюб

  • Модераторы
  • 1 222 сообщений

Отправлено 15 Январь 2014 - 22:17

Сергей сказал:

Если кому-то что-то интересно - могу рассказать.
Мне, скорее, интересна возможность след. летом кое-что из перечисленного попробовать в своих "играх". Но до этого, как говорится, ещё надо дожить.
Избыток извилин - лабиринт, их отсутствие - тупик.





Темы с аналогичным тегами датчики, применение, оборудование, обзор, описание, изучение ая техническое