ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КОКОНОВ ТУТОВОГО ШЕЛКОПРЯДА

АННОТАЦИЯ

Предложен оптоэлектронный метод для измерения влажности коконов тутового шелкопряда на основе светодиодов средней ИК - области.

Для измерения влажности коконов тутового шелкопряда применятся двухцветный светодиод, где в качестве опорного канала используется длина волна 2,2 μm, а в качестве измерительного канал длина волна1,94 μm.

Предложена принципиальная схема, обеспечивающая стабильность параметров двухцветного светодиода, который определяет точность измерения.

ABSTRACT

Optoelectronic method is proposed for measuring moisture content of silkworm cocoons based on light-emitting diodes of middle IR region.

To measure moisture content of silkworm cocoons, two-color light-emitting diode is used, where wavelength of 2.2 μm is used as reference channel, and wavelength of 1.94 μm is used as measuring channel.

The schematic diagram providing stability of parameters of a two-color light-emitting diode, which determines measurement accuracy, is offered.

Ключевые слова: коконы тутового шелкопряда, влажность, оптоэлектроника, светодиод, фотодиод, устройство, спектры излучения, точность измерения.

Keywords: silkworm cocoons, humidity, optoelectronics, LED, photodiode, device, radiation spectra, measurement accuracy.

Введение

Одним из важных параметров многих технологических процессов, по которому определяют качество готовой продукции, является влажность. Работы по разработке новых приборов для измерения влажности ведутся у нас в Узбекистане и за рубежом. Широкий фронт исследований       в области измерения влажности стимулируется практическими запросами народного хозяйства на экспрессные и высокочувствительные методы и средства влагометрии.

Существующие сверхвысокочастотные, емкостные, ультразвуковые и другие методы измерения влагосодержания коконов тутового шелкопряда основаны на различных физических и химических принципах, но не нашли широкого применения из-за недостаточной точности [1-2].

Наиболее перспективным направлением является оптическая влагометрия, основой которой является свойство воды поглощать ИК – излучение определенной длины волны. Наличие свойственных воде полос поглощения в средней ИК – области оптического диапазона позволяет разрабатывать приборы для различных материалов, в которых необходимо измерить влажность.

Действие оптических влагомеров основано на избирательном поглощении влагой ИК- излучения определенной длины волны, отраженного от поверхности контролируемого объекта, либо прошедшего через вещество.

Спектральные характеристики влажных материалов

Исследования спектров поглощения дают возможность определить содержания воды в коконах тутового шелкопряда.

При атомной поляризации атомы кислорода, входящие в состав воды, совершают сложное движение, которое обусловлено синтезом трех стандартных колебаний: абсолютно симметричных угловых, аб­солютно симметричных упругих, асимметричных упругих. Полосы по­глощения этих колебаний равны соответственно 2,74; 6.27 и 2.66 мкм. Показатели поглощения на этих длинах волн весьма велики, однако ввиду отсутствия стабильных светодиодов и приемников среднего ИК – излучения эти длины волн при разработке промышлен­ных приборов не используются. Наибольший интерес представляет средний ИК-диапазон, спектр поглощения воды в средней ИК-области состоит, из высших гармоник и комбинационных состав­ляющих стандартных колебаний.

Наиболее оптимальным для практического использования являет­ся длина волны 1.94 мкм.  Так как поглощение воды в этом диапа­зоне носит характер индуцированной поляризации, сопутствующей колебаниям атомов, такое явление считается атомной поляризацией. Вода, попадающая в вещество, меняет его спектр. Из разных спект­ральных характеристик сухого вещества (рис. 1, кривая 1) и при влажности 9% Н₂О (кривая 2) следует, что на длине волны 1,94 мкм вода обладает значительным поглощением.

Следовательно, если конт­ролируемый объект облучать ИК – излучением с такой длиной волны и измерять мощность прошедшего или отраженного потока излуче­ния, то она будет изменяться в зависимости от влажности.

Однако при измерениях только на одной длине волны возникают погрешности, основными источниками которых помимо влажности яв­ляются рассеяние излучения измеряемым веществом, его толщина и т. д. Для исключения этих погрешностей используется еще один поток излучения с опорной длиной волны, лежащей вне полосы по­глощения влагой.

Методика выбора длины волны анализирующего излучения

Длины волн измерительного и опорного потоков с учетом спект­ра измеряемого вещества, диапазона измерения влажности и других требований можно выбрать оптимальными. При построении оптоэлектронных устройств на полупроводниковых излучателях спектральные характеристики явля­ются основой, по которой выбирают длины волн измерительного и опорного потоков излучения.

Для разработки устройств, основанных на использовании оптического излучения, необходимы спектральные характеристики кокона (спектры отражения и спектры прохождения излучения) и зависимости прохождения, отражения и рассеяния излучения.

Оболочка кокона в конечном счете предохраняет куколку от холода и жары и создает благоприятные условия для живого организма. Исходя из этого оболочка кокона пропускает нужные для жизнедеятельности куколки излучения и не пропускает вредные излучения. То есть оболочка кокона излучения с длиной волны, вредной для куколки, отражает, а излучения с длиной волны, необходимой для куколки, пропускает [3]. В нашем случае знание спектров отражения и пропускания необходимы для выбора источника излучения с необходимой длиной волны.

Анализ результатов исследований оптических свойств коконов шелкопряда, показали о целесообразности применения ИК – излучения для контроля влажности. Из оптических характеристик наибольший интерес для контроля влажности коконов шелкопряда, инфракрасными излучениями представляет пропускательная, отражательная и поглощательная способности, отношение прошедшего. Отраженного и поглощенного ИК – излучения характеризуется соответствующими коэффициентами, зависящими от длины волны и физических свойств коконов шелкопряда. Эффективность использования ИК- излучений для контроля влажности зависит от правильности сочетания оптических свойств полупроводникового излучателя и облучаемого материала.

Рисунок 1. Спектральные характеристики сухого (1) и влажного (2) вещества

На рис. 2 и 3 показаны экспериментально полученные спектральные характеристики кокона. Анализ спектральных характеристик показывает, что в оптическом диапазоне 0,4...1,2 μm оболочка кокона хорошо пропускает излучение.

Рисунок 2. Спектральные характеристики пропускания инфракрасного излучения кокона

Излучения с длиной волны 1...2 мкм хорошо отражаются оболочкой кокона [4]. Эти обстоятельства будут учтены при выборе длины волны излучателя для разработки устройств определения технологических параметров. В спектральной области 1.8-2.2 мкм отражательная способность имеет значение 85%, затем падает до 14» при длинах волн 3 мкм. Пропускание излучения куколкой в области спектра 0.4-10 μm не обнаружено.

Полупроводниковые оптоэлект-ронные устройства можно составить по виду оптической схемы датчика, по числу длин волн анализирующего излучения, по принципу построения структурной схемы, а также по принципу преобразования контролируемой компоненты на электрический сигнал. В зависимости от метода приема оптического излучения после взаимодействия с веществом следуют различать четыре метода, основанных на приеме излучения, прошедшего через объект и приема излучения, отраженного от поверхности объекта.

Рисунок 3. Спектральные характеристики отражения инфракрасного излучения кокона

Полученные данные оптических свойств оболочки коконов тутового шелкопряда позволили использовать принцип отражения ИК –излучения для контроля влажности, т.к. в длинах волн 1.95 и 2.22 μm, где имеются максимумы и минимумы поглощения воды оболочки коконов шелкопряда мало пропускает ИК- излучение, но в этих длинах волн обладает хорошей отражательной способностью, поэтому необходимо использовать принцип отражения ИК – излучения.

Развитие физики и технологии полупроводниковых гетероструктур привело к удивительным изменениям в нашей повседневной жизни [5], развитие элементов оптоэлектроники, её новейшие достижения открывают широкие возможности для решения практических задач, имеющих важное народно-хозяйственное значение [6].

Для измерения влажности коконов тутового шелкопряда были выбраны светодиоды [7]: измерительный для воды – LED19 (максимум спектра излучения на 1,94 мкм) и опорный LED22 (максимум спектра излучения на 2,20 мкм). На результаты измерения влажности коконов тутового шелкопряда с помощью оптического ИК анализа оказывает существенное влияние изменение температуры. Поэтому в конструкцию светодиодного излучателя включен также миниатюрный термохолодильник (рис.4). Измерение дифференциальной разницы отношения сигналов от измерительного и опорного источника обеспечивает стабильность результатов при изменении основных внешних факторов.

Светодиодный излучатель включает:

1-измерительный светодиодный чип для воды LED19;

2-термохолодильник;

3-опорный светодиодный чип LED22;

4-параболический рефлектор.

Рисунок 4. Двухцветный светодиодный излучатель

Для регистрации сигналов используем фотодиод PD24 с широким диапазоном чувствительности 1.5 - 2.4 мкм. На рис 5 приведены основные спектральные характеристики двуцветного светодиода (LED19, LED22) и фотодиода (PD24).

Рисунок 5. Спектры излучения двухцветного светодиодов (LED19, LED22) и спектральная чувствительность фотодиода (PD24).

Оптоэлектронный метод для измерения влажности коконов тутового шелкопряда

Предложен оптоэлектронный метод для измерения влажности коконов тутового шелкопряда, который рассчитан для измерения влажности коконов тутового шелкопряда, принцип действия которого заключается в следующем: коконы тутового шелкопряда облучаются двумя потоками и  на опорной (λ = 2,22 мкм) и измерительных (λ = 1.94 мкм) длинах волн соответственно.

Отраженный поток от контролируемого объекта описывается выражением:

где:  – коэффициенты пропускания опорной и измерительных длинах волн, k- коэффициент поглощения, m –масса влаги.

Пусть    тогда        

В момент сравнения потоков опорной и измерительной длин волн, т.е. или , обычно , тогда т.е масса влаги коконов пропорционально сравнению временных интервалов.

Заключение

Предложен оптоэлектронный метод для измерения влажности коконов тутового шелкопряда на основе метода селективного оптического поглощения с использованием двухцветного светодиода со встроенным термохолодильником для средней инфракрасной области спектра.

Список литературы:

1. Каландаров П.И. , Машарипов Ш.М., Искандаров Б., Шамсиддинова В.Х. Анализ состояния разработки приборов контроля влажности, на основе емкостных преобразователей // Приборы №9. 2013.С.56-59.
2. Hendaw Y.T. Stifling Cocoons Silkworms Using Butane Gas Mechanical Dryer. J.Soil Sci. and Agric. Eng., Mansoura Univ., Vol. 8(4):149 - 156, 2017.
3. Bekkamov Ch.I., Umarov Sh.R. The influence of feeding rate and temperature on technological parameters of cocoons. Agrarian science. 2019;(10):43-45.
4. Xudoyberdiev T.S., Boltaboev B.R., Razzakov B.A., Kholdarov M.Sh. "To The Fertilizer Knife Determination Of Resistance". //Asian Journal of Multidimensional Research (AJMR) // Vol. 9, Issue 8, August, 2020.
5. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 1.С. 3–17.
6. Михайлова М.П., Моисеев К.Д., Яковлев Ю.П. Открытие полупроводников AIIIBV: физические свойства и применение // Физика и техника полупроводников. 2019. В.53. Т.3. С.291-302.
7. Молчанов С.С., Яковлев Ю.П.,Стоянов Н.Д., Журтанов Б.И., Кижаев С.С., Астахова А.П., Гурина Т.И. Двухцветный светодиод со встроенным термохолодильником для средней инфракрасной области спектра. Полезная модель патенту РФ. RU73126U1. 10.05.2008 Бюл. 13.