Двоканальна оптична система реєстрації сигналів рідкокристалічного сенсора газів

Abstract

The design principle of a dual-channel optical signal registration system for a liquid crystal gas sensor with spectral channel separation is presented. The architecture of the proposed system is based on the spatial and spectral decomposition of the optical signal into two independent channels, enabling the simultaneous acquisition of the measurement and reference signals a single liquid crystal sensing element without mechanical switching or additional optical components. The measurement channel (500–600 nm) records variations in the ive reflection band of the liquid crystal sensing element induced by interaction with the analyte gas environment. The spectral shift and intensity variation of the reflection band constitute the primary informative parameter of the sensor response. The reference channel (800 nm) operates outside the ive reflection band and provides effective compensation for illumination source instability, as well as external optical interference and ambient illumination fluctuations. The differential signal normalization method is employed to eliminate the multiplicative component of source instability. This approach improves the signal-to-noise ratio by a factor of 7–13 relative to a single-channel configuration, substantially enhancing the overall measurement reliability, long-term stability, and reproducibility of sensor readings under varying environmental conditions. A mathematical model of the dual-channel system has been developed, accounting for the spectral characteristics of the liquid crystal cell, the photodetector responsivity, and the noise contributions of each individual channel. Numerical simulation was performed to validate the proposed model and to optimize the key system parameters. The principal metrological characteristics were determined as follows: operating range 0–80 ppm, limit of detection LOD ≈ 3,2 ppm at photodetector noise level σₙ ≤ 0,5%, relative measurement error ≤ 2.5%. The obtained results confirm the effectiveness of the dual-channel approach for enhancing the sensitivity, ivity, and operational stability of liquid crystal-based optical gas sensors.

Представлено принцип побудови двоканальної оптичної системи реєстрації сигналів рідкокристалічного сенсора газів із спектральним розділенням каналів. Архітектура запропонованої системи базується на просторовому та спектральному розділенні оптичного сигналу на два незалежних канали, що уможливлює одночасне отримання вимірювального та опорного сигналів від одного рідкокристалічного чутливого елемента без механічного перемикання або додаткових оптичних компонентів. Вимірювальний канал (500–600 нм) реєструє зміни у смузі селективного відбивання рідкокристалічного чутливого елемента, спричинені взаємодією з аналізованим газовим середовищем. Зсув та зміна інтенсивності смуги відбивання є основним інформативним параметром відгуку сенсора. Опорний канал (800 нм) функціонує поза зоною селективного відбивання і забезпечує ефективну компенсацію нестабільності джерела освітлення, а також зовнішніх оптичних завад і флуктуацій фонового освітлення. Диференціальний метод нормування сигналів застосовано для усунення мультиплікативної складової нестабільності джерела. Такий підхід підвищує відношення сигнал/шум у 7–13 разів порівняно з одноканальною схемою, що суттєво покращує загальну достовірність вимірювань, довготривалу стабільність та відтворюваність показань сенсора за змінних умов навколишнього середовища. Розроблено математичну модель двоканальної системи з урахуванням спектральних характеристик рідкокристалічного чутливого елемента, чутливості фотоприймачів та шумових складових кожного каналу. Проведено числове моделювання для перевірки запропонованої моделі та оптимізації ключових параметрів системи. Визначено основні метрологічні характеристики: робочий діапазон 0–80 ppm, межа виявлення LOD ≈ 3,2 ppm за рівня шуму фотодіодів σₙ ≤ 0,5 %, відносна похибка вимірювання ≤ 2,5%. Отримані результати підтверджують ефективність двоканального підходу для підвищення чутливості, селективності та експлуатаційної стабільності оптичних газових сенсорів на основі рідких кристалів.