Cảm biến quang học là gì ?

Các sợi cảm biến quang
1. GIỚI THIỆU
Gần đây, cảm biến quang (FOS) đã đạt được tăng phổ biến
và thị trường chấp nhận. So với cảm biến thông thường họ
cung cấp một số lợi thế khác biệt mà làm cho họ duy nhất cho
một số loại ứng dụng, chủ yếu là nơi cảm biến thông thường là
khó khăn hoặc không thể triển khai hoặc không thể cung cấp sự giàu có cùng một
thông tin. 


2. CÁC LOẠI SỢI QUANG CẢM BIẾN Theo sự phân bố không gian của các measurand (số lượng để được đo), FOS có thể được phân loại như là ... 

  • Điểm cảm biến: các phép đo được thực hiện tại một điểm duy nhất trong không gian, nhưng có thể có nhiều kênh để giải quyết . nhiều điểm Ví dụ như cảm biến Fabry-Perot và đơn Fibre Bragg Grating (FBG) cảm biến. C
  • Cảm biến tích hợp: giá trị trung bình đo một vật lý tham số trên một phần không gian nhất định và cung cấp một giá trị duy nhất. một ví dụ là một cảm biến biến dạng đo căng trên một chặng đường dài cơ sở dài. 
  • Cảm biến Quasi-phân phối hoặc ghép: các measurand được xác định tại một số cố định, các điểm rời rạc dọc theo một sợi đơn cáp quang. Các ví dụ phổ biến nhất được ghép kênh FBG của. 
  • Cảm biến phân phối: các tham số của lãi suất được đo bằng . Độ phân giải không gian nhất định ở bất kỳ điểm nào dọc theo một cáp quang duy nhất Ví dụ bao gồm các hệ thống dựa trên Rayleigh, Raman và Brillouin tán xạ. 


3. ƯU ĐIỂM CHUNG CỦA SỢI QUANG CẢM BIẾN

  • Hoàn toàn thụ động: có thể được sử dụng trong các môi trường nổ.
  • Miễn dịch với nhiễu điện: lý tưởng cho lò vi sóng môi trường. 
  • Chịu được nhiệt độ cao và môi trường phản ứng hóa học: 
  • Lý tưởng cho các môi trường khắc nghiệt và thù địch kích thước nhỏ: lý tưởng cho việc nhúng và bề mặt lắp.mức độ cao của biocompatibility, tự nhiên không xâm nhập và miễn dịch điện: lý tưởng cho các ứng dụng y tế như . bơm bóng nội động mạch chủ có thể theo dõi một loạt các thông số vật lý và hóa học. tiềm năng cho độ nhạy rất cao, phạm vi và độ phân giải. 
  • Hoàn thành cách điện từ tiềm năng tĩnh điện cao. hoạt động từ xa qua nhiều độ dài km mà không cần bất kỳ dẫn nhạy cảm: lý tưởng để triển khai trong các giếng khoan hoặc các phép đo . trong môi trường độc hại ghép và cảm biến phân phối là duy nhất ở chỗ chúng cung cấp các phép đo tại một số lượng lớn các điểm dọc theo một đơn cáp quang: lý tưởng cho việc giảm thiểu việc triển khai cáp và cáp cân, hoặc theo dõi cấu trúc mở rộng như đường ống, đập vv

Trong phần tiếp theo, chúng tôi đưa ra một lời giải thích ngắn gọn về các nguyên tắc làm việc
của các sợi quang học và từng loại cảm biến.

4. SỢI OPTICAL
Một sợi quang bao gồm một, thấp mất dây thủy tinh mỏng với một
trung tâm hay khu vực lõi có chiết suất cao hơn một chút
so với khu vực xung quanh của nó hoặc ốp.



Hình 1 - Sơ đồ bước chỉ số sợi quang
Hình 1 cho thấy một sơ đồ của một sợi quang học bước-index. Ánh sáng được
hướng dẫn bên trong vùng lõi của sự phản xạ nội tại
giao diện chính-ốp. Tùy thuộc vào kích thước của vùng lõi,
một con đường ánh sáng đơn hoặc đa (chế độ) được phép
tuyên truyền, gọi là chế độ đơn hoặc sợi đa. Thông thường,
các sợi quang trần có đường kính ngoài của 125μm với một
đường kính lõi của 9μm trong trường hợp của sợi đơn mode và 50μm
hoặc 62.5μm cho sợi đa. Lớp phủ bảo vệ khác nhau được áp dụng để bảo vệ các sợi từ tổn thương cơ thể.

5. SENSORS POINT DỰA VÀO Fabry-Perot khoang
Hãy xem xét các sơ đồ mạch của một đầu dò áp lực quang thể hiện
trong hình 2.



Hình 2 - Sơ đồ biến năng áp suất dựa trên Fabry-Perot
khoang

Về cơ bản, nó bao gồm một cặp gương song song cách nhau bởi
một không khí khoảng cách Ls. Sự sắp xếp này được gọi là một Fabry-Perot
khoang (FP) hoặc cảm giao thoa. Một bán phản xạ gương 1
được hình thành bằng cách đặt một lớp điện môi ở phần cuối của quang
sợi. Mirror 2 được hình thành bởi một màng gắn ở phía trước của
sợi quang. Phơi bày cơ hoành đến áp suất p được
đo thay đổi khoảng cách Ls. Do đó, bằng cách đo Ls sự áp dụng
áp lực p có thể được xác định. Phạm vi áp lực khác nhau có thể được cung cấp bằng cách chọn một cách thích hợp độ dày và đường kính
của cơ hoành để giữ độ lệch tối đa của giá trị tương tự
và duy trì một mối quan hệ tuyến tính giữa áp suất và độ lệch.


Các nguồn ánh sáng ưa thích sử dụng để đo khoảng cách Ls
quang học là một cái gọi là màu trắng -light hoặc băng rộng nguồn ánh sáng.
Nó phát ra ánh sáng ở màu sắc khác nhau (tương đương với một dải rộng các
bước sóng) cùng một lúc. Vì vậy, ánh sáng dẫn đến
xuất hiện như không có màu sắc cụ thể, tức là nó trông trắng. Trong
trái ngược với một laser, ánh sáng được tạo ra như một số lượng lớn
các xung ngắn. Các xung được phát ra một cách ngẫu nhiên
không có giai đoạn quan hệ cố định giữa chúng. Kết quả là, họ
không tương tác hoặc can thiệp với nhau và cho những việc sau
đó là đủ để xem xét một xung duy nhất mà thôi.

Tiếp theo, hãy xem xét những gì sẽ xảy ra nếu các khoang FP được chiếu sáng bởi
một nguồn trắng sáng. Ánh sáng tới được hướng dẫn tại quang
sợi về phía khoang FP thấy được phần nào tại đầu tiên
gương. Ánh sáng còn lại được truyền đi và sau đó
phản xạ bởi gương thứ hai. Do đó, các xung ánh sáng ban đầu
được chia thành hai xung trở lại với xung thứ hai bị
trì hoãn bởi t = 2Ls / c liên quan đến việc đầu tiên, c
biểu thị tốc độ của ánh sáng.

Nhiễu (và do đó, một tín hiệu có chứa thông tin về
Ls) chỉ xảy ra nếu hai xung tạo ra từ cùng một
xung ban đầu có thể được đưa trở lại để chồng lên nhau một lần nữa. Điều này được
thực hiện bằng cách sử dụng một (hoặc readout) giao thoa thứ hai.



Hình 3 - Sơ đồ hệ thống cảm biến ánh sáng trắng
ở đây ví dụ, giao thoa gồm hai không song song
gương, hoạt động trong truyền dẫn. Như có thể thấy, khoảng cách không khí
Lr (x) phụ thuộc vào vị trí x dọc theo gương và tối đa
tín hiệu nhiễu được tạo ra ở các vị trí x0 nơi Lr (x0)
là chính xác phù hợp với khoảng cách Ls của giao thoa cảm biến.
Vị trí này x0 có thể dễ dàng xác định bởi một mảng CCD gắn
phía sau gương.

Trong thực tế, nó có lợi để thay thế hai gương không song song tạo thành giao thoa readout với sắp xếp nêm lưỡng chiết, chi tiết có thể được tìm thấy trong tải
thông tin - click vào đây .

Sử dụng các nguyên tắc cơ bản giống nhau, cả một loạt các đầu dò
để đo lượng khác nhau có thể được xây dựng. Các ví dụ
bao gồm nhiệt độ, di dời, căng thẳng, lực lượng và khúc xạ
chỉ số như hình dưới đây. Để tải về thông tin này, nhấp vào đây . 



Sơ đồ vị trí đầu dò dựa trên phân cực
giao thoa 



Schematic của Strain / quân đầu dò dựa trên Fabry-Perot
giao thoa 



Schematic của đầu dò nhiệt độ dựa trên sự phân cực
giao thoa

6. HỢP SENSOR
Một ví dụ về một bộ cảm biến được tích hợp cảm biến biến dạng, một
sơ đồ trong số đó được thể hiện trong hình 4.



Hình 4 - Sơ đồ của bộ cảm biến tích hợp căng

Nó được dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau về giao thoa ánh sáng trắng
như mô tả trong phần trên cảm biến điểm trên.
ánh sáng từ một nguồn trắng ánh sáng được truyền qua cáp quang đến
các bộ cảm biến quang học. Ở đây, cảm biến bao gồm một coupler quang sợi phân nhánh thành hai sợi có độ dài khác nhau và có một
tấm gương nhỏ gắn ở mỗi đầu. Cấu hình này được gọi
là một Mach-Zehnder hoặc cảm giao thoa. Ánh sáng tới
xung được chia thành hai xung của bộ ghép và trên đường trở về hai
xung nhau về thời gian bởi t = 2nLs / c, với n biểu thị
chỉ số khúc xạ của sợi thủy tinh, Ls sự khác biệt chiều dài của
sợi và c tốc độ ánh sáng. Một sợi được gắn vào
cấu trúc được kiểm tra trong khi các sợi khác là gần
nhưng không kèm theo. Một biến dạng của cấu trúc dẫn đến một sự thay đổi trong sự khác biệt đường 2nLs. Trong trường hợp này nó được đo bằng cách sử dụng một điện thoại di động quét gương trong (nhận được) thứ hai giao thoa nằm trong bài đọc đơn vị. Như trước đây, một tín hiệu nhiễu tối đa chỉ xảy ra nếu sự khác biệt đường dẫn của 2nLs cảm biến giao thoa trùng khớp của các 2Lr nhận giao thoa. Cảm biến nhiệt độ là độc lập như bất kỳ sự thay đổi về nhiệt độ có tác dụng tương tự trên cả hai sợi, để lại sự khác biệt con đường hiệu quả không thay đổi. Những khoảng cách giữa các điểm neo tại đó các sợi được gắn vào cấu trúc được gọi là cơ sở dài. Nó có thể được thiết lập giữa 10cm và 10m, dẫn đến sự căng thẳng trung bình trên cơ sở độ dài được đo.

7. Quasi-CUNG CẤP hoặc ghép SENSOR
Một trong những bộ cảm biến quang học bán phân phối phổ biến nhất là dựa
trên Fibre Bragg Lưới thép (FBG). Một FBG được hình thành dọc theo một phần ngắn
của sợi quang bằng cách giới thiệu một điều chế định kỳ của sân L
vào chiết suất.
Ở mỗi giai đoạn là một phần nhỏ của ánh sáng được phản xạ trở lại, dẫn đến
một sự phản ánh mạnh mẽ tại một bước sóng nhất định gọi là Bragg bước sóng.
các bước sóng Bragg l B được cho bởi l B = 2n L , với n là
chiết suất của chất xơ. Chỉ có tại bước sóng này tất cả các phân số
tăng lên trong giai đoạn kết quả là một tín hiệu phản xạ mạnh.



Hình 5 - Sơ đồ cảm biến ghép sử dụng Fibre Bragg
. Cách tử


Khi FBG được căng thẳng hoặc tiếp xúc với nhiệt, cả hai lưới sân L
và khúc xạ chỉ số n bị ảnh hưởng và bước sóng Bragg được
chuyển cho phù hợp. Điều này cung cấp một biện pháp cho căng thẳng và
nhiệt độ. Khi cả hai hiệu ứng xảy ra đồng thời, bổ sung
các biện pháp cần được thực hiện để phân biệt giữa chúng. Ví
dụ, khi đo căng một FBG thứ hai không gắn liền với
cơ cấu đo kiểm có thể được triển khai bên cạnh các FBG đầu tiên
để cung cấp nhiệt độ bồi thường. Các lợi ích lớn của FBG là một số FBGs mỗi người một khác nhau Bragg bước sóng


l 1, l 2, ... l N có thể được triển khai dọc
sợi. Điều này cung cấp N điểm đo trong một đơn
truyền hình cáp. Một nguồn laser tuneable được sử dụng để thắp sáng những mảng của
cảm biến. Trong quá trình quét, mỗi lần bước sóng laser
phù hợp với một trong những bước sóng Bragg l i một backreflected mạnh
tín hiệu được ghi lại cung cấp thông tin về nhiệt độ và
căng thẳng tại vị trí i.

8. SENSOR CẤP
Trong các cảm biến phân phối trong tham số được đo
với độ phân giải không gian nhất định ở bất kỳ điểm nào dọc theo một đơn
cáp quang. Các quá trình vật lý bên dưới cơ bản để
thực hiện một bộ cảm biến phân phối được cung cấp bởi tán xạ khác nhau
quy trình. Khi ánh sáng laser được truyền dọc theo quang
sợi, một lượng nhỏ ánh sáng liên tục rải rác trở lại
tại mỗi địa điểm dọc theo sợi. Ba tán xạ cơ bản
quá trình rất quan trọng trong sợi silica: tán xạ Rayleigh do phản xạ ngẫu nhiên không đồng nhất của chỉ số khúc xạ đông lạnh trong trong sản xuất sợi. Raman phân tán do sự tương tác với các phân tử rung động và quay trong kính. Brillouin tán xạ do sự tương tác với không đồng nhất tạo ra bởi sóng âm thanh trong sợi (acoustic phonon). Khi phân tích ánh sáng tán xạ ngược trong miền bước sóng, người ta nhận thấy rằng thành phần tán xạ Rayleigh là của cùng một bước sóng


l 0 là ánh sáng tới. Có hai Raman
thành phần chuyển số tiền tương ứng ở trên (phần Stokes)
và dưới đây l 0 (Anti-Stokes). Tương tự như vậy, các Brillouin
tán xạ bao gồm hai thành phần chuyển bên dưới và ở trên
l 0.



Hình 6 - Scattering quá trình trong sợi quang học


Thực tế những gì làm cho các quá trình tán xạ thú vị cho
cảm biến quang học là tài sản của ánh sáng tán xạ ngược
phụ thuộc vào căng thẳng và / hoặc nhiệt độ trong sợi. Như đã chỉ ra
trong hình 6, cường độ của các thành phần Raman Anti-Stokes
tăng với sự gia tăng nhiệt độ T trong khi Stokes
thành phần có thể được coi là nhiệt độ độc lập. Do đó,
bằng cách lấy tỷ lệ giữa chúng một loại trừ khác (phổ biến
cho các thành phần cả Stokes và Anti-Stokes) nguyên nhân có thể
biến thể cường độ như suy hao sợi quang uốn và
nhiệt độ có thể được xác định một cách rõ ràng. Trong trường hợp
của Brillouin tán nó là sự thay đổi bước sóng của phân tán
các thành phần đối với các bước sóng Rayleigh rằng với
thay đổi với cả nhiệt độ T và biến dạng e . Do đó, bằng cách
giải nén thay đổi bước sóng này từ ánh sáng tán xạ ngược
một cảm biến cho biến dạng và nhiệt độ có thể được nhận ra. Biện pháp bổ sung phải được đưa đến căng thẳng riêng biệt và phụ thuộc nhiệt độ, giống như quá trình cài đặt của một tham chiếu cáp không cứng nhắc liên kết với các cấu trúc và do đó, đo nhiệt độ chỉ. cách phổ biến nhất để trích xuất các phân bố không gian là sử dụng ánh sáng xung và ghi ánh sáng tán xạ ngược đặc điểm chống lại thời gian (Optical Time miền reflectometry hoặc OTDR). Bằng cách này, nó có thể trích xuất các nhiệt độ và / hoặc cấu hình căng thẳng trong không gian.

Share on Google Plus