Моніторинг довкілля пасивним сенсором тиску–температури на основі оптично активних середовищ

Abstract

Досліджено особливості безперервного моніторингу змін кольорових характеристик інфор- маційних каналів пасивних сенсорів тиску та температури на основі аналізування спект- рального розподілу інтенсивності світла, що визначає забарвлення рідкого кристала залежно від умов експлуатації. Основним напрямом застосування таких давачів може бути “скринінг” хімічно активних середовищ, розгортання тимчасових об’єктів короткострокового викорис- тання в умовах пандемії або воєнних дій тощо. Функціональною складовою пасивного, безконтактного сенсора є поєднання пружної кремнієвої мембрани та холестеричних рідких кристалів як оптично активного середовища. Унаслідок дії зовнішнього фізичного фактора, такого як тиск або температура, можлива перебудова геометрії спіралі надмолекулярної будови плівки. Проте важливо враховувати співвідношення між корисним і паразитним випромі- нюванням, що проходить через первинний перетворювач. Це співвідношення здебільшого визначається відносною площею однорідної полімерної ділянки та області із вкрапленнями рідкого кристала в поперечному перерізі перетворювача. Визначено, що використання оптич- них методів діагностики у спектроскопії, зокрема колорометрії, дає можливість здійснювати моніторинг середовищ, речовин та їх електрофізичних властивостей, не використовуючи елект- рично індукованих способів, що спричиняють високий рівень електромагнітних завад. Низька вартість і відсутність енергоспоживання забезпечують високу конкурентоспроможність таких пристроїв. Запропоновано використовувати для моніторингу апаратно-програмний комплекс, що містить спектрометр і дає змогу в режимі реального часу відображати, а також записувати отриману інформацію у масиви файлів (різні оптичні характеристики, такі як спектральний розподіл інтенсивності, індекс передавання кольору тощо). Ці характеристики, попередньо калібровані до впливу зовнішніх фізичніх чинників, дають інформацію про вимірювану величину. Встановлено, що в діапазоні довжин хвиль від 370 до 650 нм запропонований метод оцінювання колірних характеристик зразків за допомогою оптично активних середовищ рідких полімерних холестеричних кристалів дає змогу оцінити параметри спектрального розподілу інтенсивності із достатньою чутливістю. Так, для довжин хвиль від 450 до 550 нм максимум інтенсивності становить І=1,4 відн. о., а роздільна здатність методу міститься в інтервалі хвиль до 100 нм, тобто у разі зміни довжини хвилі на 10 нм інтенсивність зростає на 0,14 відн. о.The article is devoted to the study of the features of continuous monitoring of changes in the color of information channels of passive pressure-temperature sensors, tracking the spectral distribution of the light intensity of the liquid crystal color depending on the operating conditions. The main direction of application of such sensors can be “screening” of chemically active environments, deployment of temporary objects of short-term use in conditions of a pandemic, or military operations, etc. The functional component of a passive, contactless sensor is a combination of an elastic silicon membrane and cholesteric liquid crystals as an optically active environment, which, due to the action of an external physical factor, such as pressure or temperature, undergo a rearrangement of the geometry of the spiral of the supramolecular structure of the film. In this case, it is necessary to take into account the ratio between useful and parasitic radiation passing through the primary transducer, which is determined mainly by the ratio of the areas of a homogeneous polymer area and an area with liquid crystal inclusions in the cross section of the primary transducer. It was determined that the use of optical diagnostic methods in spectroscopy, including colorimetry, opens up the possibility of monitoring environments, substances and their electrophysical properties without using electrically induced methods that cause a high level of electromagnetic interference. Low cost and lack of power consumption ensure high competitiveness of such devices. It is proposed to use a hardware and software complex for monitoring, which contains a spectrometer and allows real-time display, as well as recording the received information in file arrays, various optical characteristics such as spectral intensity distribution, color rendering index, etc. These characteristics, which are pre-calibrated to the influence of external physical factors, provide information about the measured value. It was established that in the wavelength range from 370 to 650 nm, the proposed method for evaluating the color characteristics of samples using optically active media of liquid polymer cholesteric crystals allows evaluating the parameters of the spectral intensity distribution with sufficient sensitivity. Thus, for wavelengths from 450 to 550 nm, the maximum intensity is I=1.4 arb.u., and the resolution of the method lies in the wavelength range up to 100 nm, i.e., when the wavelength changes by 10 nm, the intensity increases by 0.14 arb.u.