Как устроен оптический температурный датчик и причем здесь принцип «шепчущей галереи»?

Как устроен оптический температурный датчик и причем здесь принцип «шепчущей галереи»?

Помехоустойчивость - ключевое требование к любым контрольно-измерительным устройствам и датчикам. И поскольку принципы работы подавляющего большинства чувствительных элементов базируются на различных электронных эффектах, разработчики сенсоров должны обеспечить их надежную экранировку от воздействия всевозможных электромагнитных полей, импульсов и шумов, что, естественно, усложняет (и удорожает) конструкции датчиков.


Пока датчики использовались в относительно небольших пространствах (в домах, производственных помещениях) и в небольших количествах, вопросы защиты от электромагнитных помех (как технические, так и финансовые) не имели «глобального значения», а потому решались индивидуально для каждой конкретной ситуации. Но когда мир стал «опутываться» беспроводной сетью Интернета вещей, а объектов, подключенных к Сети на Земле стало больше, чем людей, задача обеспечения помехоустойчивости датчиков IoT усложнилась на порядки (как в техническом, так и в финансовом плане). И теперь практически единственным универсальным способом ее решения является создание нового поколения датчиков, основанных на фотонных эффектах, так как они не подвержены воздействию электромагнитных волн, присутствующих в любой точке нашей планеты.

Помехоустойчивые IoT-датчики требуются во всех отраслях экономики и областях человеческой деятельности: от мониторинга окружающей среды и производственных процессов - до точного земледелия и диагностического медицинского оборудования. Пожалуй, самым распространенным видом датчика в любой сфере является датчик температуры. И вот с него, наверняка, и начнется «победное шествие» оптических датчиков в Интернет вещей, освобождающее и производителей, и пользователей IoT-устройств от «головной боли», причиняемой электромагнитными помехами.

Принципов работы оптических сенсоров может быть довольно много, но первым из них стал эффект «шепчущей галереи» (Whispering-Gallery-Mode, WGM), заимствованный оптиками из архитектуры в около 30-ти лет назад (в архитектуре эффект «шепчущей галереи» позволяет, находясь вблизи стены, услышать тихий звук, возникший у той же стены на большом расстоянии от «слушателя», в оптике эффект WGM обеспечивает многократное усиление оптического сигнала, «кружащего» по внутренней цилиндрической поверхности резонатора). В те времена этот эффект имел в основном теоретическое (познавательное) значение, но отработанные в научных лабораториях эксперименты стали основой для пришедшей в наши дни «IoT-практики». Начиная с «крупномасштабных» оптических WGM-установок для измерения температуры величиной с письменный стол, ученые сумели дойти до WGM-фотосенсора микронных габаритов.

О таком достижении недавно объявили ученые департамента электротехнического и системного инжиниринга Университета Вашингтона в Сент-Луисе, создавшие прототип WGM-сенсора толщиной с человеческий волос, который подключен к печатному модулю обработки оптического сигнала размером 12,7 х 6,7 см (в состав модуля входят: лазер, термоэлектрический холодильник, адаптер Wi-Fi и измерительная цепь). Зондирующий луч лазера распространяется вдоль цилиндрической образующей WGM-датчика (напомним, диаметр этого цилиндра равен диаметру человеческого волоса!). Постоянно испытывая внутренние переотражения, луч лазера совершает около миллиона оборотов, прежде чем выходит из WGM-сенсора и попадает в фотодетектор, а из него - в усилитель.

Комментарии

Популярные сообщения