Оптические и оптоэлектронные сенсорные системы

Пьезорезистивные детекторы

Действие этих детекторов основано на изменении объемной электропроводности при действии механических напряжений (см. раздел 2.1.3.). Для обеспечения постоянства и однородности напряжений и деформаций пьезорезистивый детектор должен иметь размеры, значительно меньшие, чем размеры упругого элемента, поэтому такой детектор представляет собой тонкий слой пьезорезистивного материала, нанесенный в местах концентрации напряжений, например, вблизи места закрепления балок или мембран. Так как полупроводники обладают наиболее высокими пьезорезистивными коэффициентами, то их тонкие слои наиболее часто используют в качестве микродетекторов. Однако, применение пьезорезистивных детекторов на основе полупроводников при переходе к наномасштабу встречает ряд серьезных трудностей. Одной из них является резко выраженная зависимость пьезорезистивных коэффициентов π и γот температуры, причем в случае полупроводниковых детекторов уменьшение количества легирующего компонента (допанта), т.е. уменьшение количества носителей тока, хотя и увеличивает чувствительность детектора, но еще более резко увеличивает температурную зависимость этих коэффициентов и изменяет механизм электропроводности на неупорядоченную перколяционную. Малая концентрация носителей тока при уменьшении толщины до наноразмеров резко увеличивает общее сопротивление детектора, особенно при пониженной температуре, что делает невозможной его работу в сочетании с мостовой схемой и при высоких частотах.

Так как пьезорезистивными свойствами, хотя и слабо выраженными с большим разбросом характеристик, обладают углеродные волокна, то их использование для контроля уровня деформаций и напряженного состояния армированных углепластиков вплоть до разрыва волокон имеет очевидные преимущества перед другими аналогичными сенсорными системами.

А) Оптоволоконные cенсорные системы.

Использование оптоволоконных cенсорных систем с лазерными источниками света является одним из наиболее перспективных и эффективных путей создания интеллектуальных материалов и конструкций, обеспечивающих интеграцию получения и передачи информации о состоянии материала и конструкции в целом или в любой их точке без использования сложных электронных систем детектирования и связи. В наиболее простых, в так называемых интенсиометрических методах контролируется любое изменение интенсивности света, проходящего по встроенному в материал оптическому волокну вследствие его деформирования или разрыва. Значительно большее развитие в настоящее время получают методы контроля деформаций с использованием эффектов интерферометрии и спектроскопии в видимом (белом), ближнем ультрафиолетовом или дальнем инфракрасном свете во встраиваемых в материал оптических волокнах. Наибольшее распространение получили интерферометрические методы с использованием видимого света и волоконных дифракционных решеток (ВДР) - оптических волокон с системой поперечных штрихов вдоль оси волокна на расстояние порядка 10⁴ длин световой волны. Отражение света от штрихов приводит к интерференционным явлениям – появлению интерференционных максимумов, положение которых (сдвиг длины отраженной волны) определяется периодом дифракционной решетки (расстоянием между штрихами). Механическая или температурная деформация волокна приводит к изменению периода решетки и, соответственно, к сдвигу положения интерференционных максимумов. При использовании интерферометров Майкельсона или Маха-Зендера для измерения деформации в материал или конструкции встраивают две ВДР – измерительную (чувствительную) и термостабилизированную контрольную, определяя разность оптического хода между ними. Деформация измерительного волокна сопровождается изменением положения соседних интерференционных максимумов. По длине волокна можно наносить несколько дифракционных решеток с одинаковым или разным периодом, что позволяет получить от одного волокна информацию о деформации материала сразу в нескольких точках. При этом измерения можно проводить как при статических, так и при динамических деформациях. В методах с использованием интерферометров Фабри-Перо, базирующихся на интерференции света между близко расположенными поверхностями, необходимо встраивать в материал одно волокно и отражатель.

Спектроскопический метод, базирующийся на эффекте Брэгга при модуляции коэффициента преломления света вдоль малой длины волокна, имеет то преимущество, что получаемая информация определяется только длиной волны света, которая является абсолютным параметром, не зависящим от других переменных.

Наиболее универсальная, но и наиболее сложная, чем предыдущие, методика контроля состояния материала с помощью встраиваемых оптических волокон базируется на использовании нелинейного эффекта бриллюэновской дифракции света на продольной акустической волне, распространяющейся по оптическому волокну одновременно со световой волной. Акустическая волна при этом представляет собой фазовую дифракционную решетку, в которой период дифрагированной световой волны равен половине длины акустической волны, т.е. наблюдается четкая связь между сдвигом частоты отраженной назад световой волны и длиной акустической волны. Для оптических волокон, работающих с лазерным излучением вблизи границы ИК-спектра (с длиной световой волны порядка 1,5 мкм), сдвиг по частоте лежит обычно в интервале 12-15 ГГц. По длине оптической волны и величине ее сдвига, изменяющейся по длине волокна, можно с очень высокой точностью определять скорость акустической волны и ее зависимость от длины волокна. Учитывая, что скорость продольной акустической волны определяется модулем Юнга, плотностью и локальной деформацией волокна, можно определять распределение температурных и механических деформаций волокна на больших длинах контролируемых областей, достигающих многих километров.

При использовании оптоволоконных cенсорных систем с лазерными источниками света для контроля интеллектуальных материалов и конструкций наибольшие трудности обусловлены необходимостью высокой точности измерения и калибровки длины волны света и наличием помех. Точность измерений длины волны при этом должна быть не ниже ±0,1 нм. Для измерений длин волн используют различные дешифраторы для волоконных решеток, представляющие собой упрощенные спектрометры и отличающиеся большой стоимостью. Чаще всего используются интерферометры Фабри-Перо, а также настраиваемые акусто-оптические системы или дисперсионные интерферометры. Кроме проблемы обеспечения высокой точности измерения сдвига длины отраженной волны в этих системах важное значение имеет также необходимость учета температурных эффектов: изменение температуры на 1 градус приводит к деформации волокна, равной примерно 10^-5, что вносит существенные ошибки в измерения и требует стабилизации температуры волокна. Поэтому в большинстве случаев при измерении статических деформаций и их распределения по системе необходимо иметь карту распределения температуры, благодаря чему можно определить, связано ли изменение деформации с нагрузкой или температурой. Кроме того, требуется точная калибровка решетки в отсутствие деформации, а также лазерного источника света, стабильность длины волны которого должна быть не ниже ±0,1 нм во всем рабочем диапазоне. Монтаж оптоволоконных сенсоров должен обеспечить адгезионную связь со структурой и исключить воздействие влаги или других веществ из окружающей среды. Все это делает эти методы достаточно дорогостоящим.

Волоконные сенсоры с точки зрения практического применения в интеллектуальных системах наиболее эффективны в случае полимерных композиционных материалов, армированных волокнами, и при достаточно больших размерах конструкций. В этих случаях сами сенсоры становятся составной частью материала и позволяют осуществлять распределенный контроль напряженно-деформированного состояния и степени поврежденности конструкции в большом количестве точек, распределенных по различным участкам конструкции с передачей информации на любое расстояние. При этом волоконные методы позволяют измерять состояние материала с точностью локализации деформации или повреждения в несколько мкм при базе измерений в десятки метров или даже в километрах. В конечном счете главным критерием выбора этих сенсоров, как и любых других, является соотношение цена/результат с учетом специфических особенностей контролируемой структуры.

Б) Оптоэлектронные сенсорные системы.

Использование традиционных оптических методов измерения малых смещений упругих элементов, развитых в методах атомно-силовой микроскопии и основанных на интерферометрии Майкельсона и Фабри-Перо, применительно к микро- и, особенно, наносенсорным системам встречает значительные трудности из-за резко выраженных эффектов дифракции и светорассеяния вследствие того, что размеры элементов становятся меньше оптических длин волн. Требования к минимальной мощности световых пучков при этом резко увеличивает влияние шума. Решение этих проблем видятся в использовании интегрированных опто-электро-механических систем (МОЭМС и НОЭМС), в которых свет проходит по управляемым оптическим световодам в слоистых гетероструктурах с квантовыми точками. Минимальные размеры таких световодов определяются разностью коэффициентов преломления света используемых материалов. Например, при использовании системы Si/SiO₂, для которой Δn ≈2, поперечные размеры элементов могут составлять величины порядка 250х400 нм. Измеряемый сдвиг по фазе определяется произведением длины пути, проходящего светом, l и эффективного коэффициента преломления n_эфф. Возможности интегрирования оптических детекторов в наносенсорные устройства требуют дальнейшего тщательного моделирования. Дополнительные трудности при этом обусловлены сложностью сочетания микронных оптических волокон с субмикронными световодами наносистем и высокие потери энергии из-за поверхностных дефектов в малых световодах.