Волоконно-оптический датчик
Датчик, использующий оптоволокно

Волоконно -оптический датчик — это датчик , который использует оптическое волокно либо в качестве чувствительного элемента («внутренние датчики»), либо в качестве средства передачи сигналов от удаленного датчика к электронике, которая обрабатывает сигналы («внешние датчики»). Волокна имеют множество применений в дистанционном зондировании. В зависимости от применения, волокно может использоваться из-за его небольшого размера, или потому, что в удаленном месте не требуется электропитание , или потому, что многие датчики могут быть мультиплексированы по длине волокна, используя сдвиг длины волны света для каждого датчика, или путем измерения задержки времени при прохождении света по волокну через каждый датчик. Задержку времени можно определить с помощью такого устройства, как оптический рефлектометр временной области , а сдвиг длины волны можно рассчитать с помощью прибора, реализующего оптическую рефлектометрию частотной области.

Волоконно-оптические датчики также невосприимчивы к электромагнитным помехам и не проводят электричество, поэтому их можно использовать в местах, где есть высокое напряжение или легковоспламеняющиеся материалы, такие как реактивное топливо . Волоконно-оптические датчики также могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокие температуры.

Внутренние датчики

Оптические волокна могут использоваться в качестве датчиков для измерения деформации , [1] температуры , давления и других величин путем модификации волокна таким образом, чтобы измеряемая величина модулировала интенсивность , фазу , поляризацию , длину волны или время прохождения света в волокне. Датчики, которые изменяют интенсивность света, являются самыми простыми, поскольку для них требуются только простой источник и детектор. Особенно полезной особенностью внутренних волоконно-оптических датчиков является то, что они могут, при необходимости, обеспечивать распределенное зондирование на очень больших расстояниях. [2]

Температуру можно измерить с помощью волокна, имеющего затухающие потери, которые меняются в зависимости от температуры, или путем анализа рэлеевского рассеяния , рамановского рассеяния или рассеяния Бриллюэна в оптическом волокне. Электрическое напряжение можно измерить с помощью нелинейных оптических эффектов в специально легированном волокне, которые изменяют поляризацию света в зависимости от напряжения или электрического поля. Датчики измерения угла могут быть основаны на эффекте Саньяка .

Специальные волокна, такие как оптические волокна с длиннопериодной волоконной решеткой (LPG), могут использоваться для распознавания направления [3] . Исследовательская группа по фотонике из Университета Астон в Великобритании опубликовала несколько публикаций по применению векторных датчиков изгиба. [4] [5]

Оптические волокна используются в качестве гидрофонов для сейсмических и гидролокационных приложений. Разработаны гидрофонные системы с более чем сотней датчиков на волоконный кабель. Системы датчиков гидрофонов используются в нефтяной промышленности, а также в военно-морских силах нескольких стран. Используются как гидрофонные решетки, монтируемые на дне, так и системы буксируемых кос. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон для использования с оптическими волокнами. [6]

Волоконно -оптический микрофон и волоконно-оптические наушники полезны в зонах с сильными электрическими или магнитными полями, например, для связи между членами команды, работающими с пациентом внутри аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ) во время операции под контролем МРТ. [7]

Оптоволоконные датчики температуры и давления были разработаны для измерения в скважинах. [8] [9] Оптоволоконный датчик хорошо подходит для этой среды, поскольку он работает при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков ( распределенное измерение температуры ).

Оптические волокна могут быть использованы в интерферометрических датчиках, таких как волоконно-оптические гироскопы , которые используются в Boeing 767 и некоторых моделях автомобилей (для целей навигации). Они также используются для изготовления водородных датчиков .

Волоконно-оптические датчики были разработаны для измерения совмещенной температуры и деформации одновременно с очень высокой точностью с использованием волоконных решеток Брэгга . [10] Это особенно полезно при получении информации от небольших или сложных структур. [11] Волоконно-оптические датчики также особенно хорошо подходят для удаленного мониторинга, и их можно опрашивать на расстоянии 290 км от станции мониторинга с помощью оптоволоконного кабеля. [12] Эффекты рассеяния Бриллюэна также могут использоваться для обнаружения деформации и температуры на больших расстояниях (20–120 километров). [13] [14]

Другие примеры

Волоконно-оптический датчик переменного/постоянного напряжения в диапазоне среднего и высокого напряжения (100–2000 В) может быть создан путем индуцирования измеримого количества нелинейности Керра в одномодовом оптическом волокне путем воздействия на расчетную длину волокна внешнего электрического поля. [15] Метод измерения основан на поляриметрическом обнаружении, и высокая точность достигается в агрессивной промышленной среде.

Высокочастотные (5 МГц–1 ГГц) электромагнитные поля могут быть обнаружены с помощью индуцированных нелинейных эффектов в волокне с подходящей структурой. Используемое волокно спроектировано таким образом, что эффекты Фарадея и Керра вызывают значительное изменение фазы в присутствии внешнего поля. [16] [ ненадежный источник? ] При соответствующей конструкции датчика этот тип волокна может использоваться для измерения различных электрических и магнитных величин и различных внутренних параметров материала волокна.

Электрическая мощность может быть измерена в волокне с помощью структурированного объемного волоконного амперного датчика в сочетании с надлежащей обработкой сигнала в схеме поляриметрического обнаружения. Были проведены эксперименты в поддержку этой методики. [17]

Волоконно-оптические датчики используются в электрических распределительных устройствах для передачи света от вспышки электрической дуги к цифровому защитному реле, чтобы обеспечить быстрое отключение выключателя для снижения энергии при взрыве дуги. [18]

Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга значительно повышают производительность, эффективность и безопасность в нескольких отраслях. Благодаря интегрированной технологии FBG датчики могут предоставлять подробный анализ и исчерпывающие отчеты о результатах с очень высоким разрешением. Датчики такого типа широко используются в нескольких отраслях, таких как телекоммуникации, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, энергетика и т. д. [ требуется ссылка ] Волоконно-оптические решетки Брэгга чувствительны к статическому давлению, механическому растяжению и сжатию, а также к изменениям температуры волокна. Эффективность волоконно-оптических датчиков на основе решеток Брэгга может быть обеспечена с помощью центральной регулировки длины волны источника излучения света в соответствии с текущими спектрами отражения решеток Брэгга. [19]

Внешние датчики

Внешние волоконно-оптические датчики используют оптоволоконный кабель , обычно многомодовый , для передачи модулированного света либо от неволоконного оптического датчика, либо от электронного датчика, подключенного к оптическому передатчику. Главным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать мест, которые в противном случае были бы недоступны. Примером является измерение температуры внутри реактивных двигателей самолетов путем использования волокна для передачи излучения в радиационный пирометр, расположенный снаружи двигателя. Внешние датчики также могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов , где присутствующие экстремальные электромагнитные поля делают другие методы измерения невозможными.

Внешние волоконно-оптические датчики обеспечивают превосходную защиту измерительных сигналов от искажения шумом. К сожалению, многие обычные датчики выдают электрический выходной сигнал, который должен быть преобразован в оптический сигнал для использования с волокном. Например, в случае платинового термометра сопротивления изменения температуры преобразуются в изменения сопротивления. Поэтому PRT должен иметь источник электропитания. Затем модулированный уровень напряжения на выходе PRT может быть введен в оптическое волокно через обычный тип передатчика. Это усложняет процесс измерения и означает, что к преобразователю должны быть проложены кабели питания низкого напряжения.

Внешние датчики используются для измерения вибрации, вращения, смещения, скорости, ускорения, крутящего момента и температуры. [20]

Химические сенсоры и биосенсоры

Хорошо известно, что распространение света в оптическом волокне ограничивается сердцевиной волокна на основе принципа полного внутреннего отражения (ПВО) и почти нулевых потерь распространения внутри оболочки, что очень важно для оптической связи, но ограничивает ее применение в качестве датчика из-за отсутствия взаимодействия света с окружающей средой. Поэтому крайне важно использовать новые волоконно-оптические структуры для нарушения распространения света, тем самым обеспечивая взаимодействие света с окружающей средой и создание волоконно-оптических датчиков. До сих пор было предложено несколько методов, включая полировку, химическое травление, сужение, изгиб, а также нанесение фемтосекундной решетки, для адаптации распространения света и стимулирования взаимодействия света с чувствительными материалами. В вышеупомянутых волоконно-оптических структурах усиленные затухающие поля могут эффективно возбуждаться, чтобы заставить свет подвергаться воздействию окружающей среды и взаимодействовать с ней. Однако сами волокна могут воспринимать только очень немногие виды аналитов с низкой чувствительностью и нулевой селективностью, что значительно ограничивает их разработку и применение, особенно для биосенсоров, которым требуется как высокая чувствительность, так и высокая селективность. Чтобы преодолеть эту проблему, эффективным способом является обращение к чувствительным материалам, которые обладают способностью изменять свои свойства, такие как RI, поглощение, проводимость и т. д., при изменении окружающей среды. Благодаря быстрому прогрессу функциональных материалов в последние годы, для изготовления волоконно-оптических химических сенсоров и биосенсоров доступны различные чувствительные материалы, включая графен, металлы и оксиды металлов, углеродные нанотрубки, нанопровода, наночастицы, полимеры, квантовые точки и т. д. Как правило, эти материалы обратимо изменяют свою форму/объем при стимуляции окружающей средой (целевыми аналитиками), что затем приводит к изменению RI или поглощения чувствительных материалов. Следовательно, окружающие изменения будут регистрироваться и опрашиваться оптическими волокнами, реализуя сенсорные функции оптических волокон. В настоящее время предложены и продемонстрированы различные волоконно-оптические химические датчики и биосенсоры [21] .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Измерение деформации самолета в полете" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2022 г. . Получено 25 июля 2013 г. .
  2. ^ Стронг, Эндрю П.; Лис, Гарет; Хартог, Артур Х.; Тухиг, Ричард; Кадер, Камал; Хилтон, Грэм (декабрь 2009 г.). "Интегрированная система мониторинга состояния трубопровода". Международная конференция по нефтяным технологиям . Международная конференция по нефтяным технологиям. doi :10.2523/IPTC-13661-MS.
  3. ^ «Датчики изгиба с распознаванием направления на основе длиннопериодных решеток, записанных в D-образном волокне, Д. Чжао и др.».
  4. ^ Чжао, Дунхуэй; Чжоу, Каймин; Чэнь, Сяньфэн Ф.; Чжан, Линь; Беннион, Иэн; Флокхарт, Гордон М. Х.; Макферсон, Уильям Н.; Бартон, Джеймс С.; Джонс, Джулиан Д. К. (июль 2004 г.). «Реализация векторных датчиков изгиба с использованием длиннопериодных решеток, записанных УФ-излучением в волокнах специальной формы». Measurement Science and Technology . 15 (8): 1647–1650. doi :10.1088/0957-0233/15/8/037. Архивировано из оригинала 15 августа 2011 г. Получено 15 июня 2011 г.
  5. ^ «Использование двухрешеточных датчиков, образованных различными типами волоконных брэгговских решеток, для одновременных измерений температуры и деформации».
  6. ↑ Roth, Wolf-Dieter (18 апреля 2005 г.). "Der Glasfaser-Schallwandler". Heise Online (на немецком языке). Архивировано из оригинала 7 декабря 2008 г. Получено 4 июля 2008 г.
  7. ^ "Case Study: Can You Hear Me Now?". Rt Image . Valley Forge Publishing. стр. 30–31. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 г. Получено 11 марта 2010 г.
  8. ^ Sensornet. "Upstream oil & gas case study". Архивировано из оригинала (pdf) 5 октября 2011 г. Получено 19 декабря 2008 г.
  9. ^ Schlumberger. "Wellwatcher DTS Fibre Optic Monitoring product sheet". Архивировано из оригинала (pdf) 28 сентября 2011 г. Получено 22 сентября 2010 г.
  10. ^ Trpkovski, S.; Wade, SA; Baxter, GW; Collins, SF (2003). "Двойной датчик температуры и деформации с использованием комбинированной волоконной решетки Брэгга и метода отношения интенсивности флуоресценции в легированном Er3+ волокне". Review of Scientific Instruments . 74 (5): 2880. doi : 10.1063/1.1569406 . Архивировано из оригинала 20 июля 2012 г. Получено 4 июля 2008 г.
  11. ^ "Оптические датчики для магнитов ИТЭР". Архивировано из оригинала 24 января 2016 г. Получено 4 августа 2015 г.
  12. ^ ДеМигель-Сото, Вероника (2018). «Сверхдлинная (290 км) сеть сенсоров дистанционного опроса на основе волоконного лазера со случайной распределенной обратной связью». Optics Express . 26 (21): 27189–27200. doi : 10.1364/OE.26.027189. hdl : 2454/31116 . PMID  30469792.
  13. ^ Сото, Марсело А.; Ангуло-Винуэса, Хавьер; Мартин-Лопес, Соня; Чин, Сан-Хун; Аня-Кастанон, Хуан Диего; Корредера, Педро; Роша, Этьен; Гонсалес-Эрраес, Мигель; Тевеназ, Люк (2004). «Расширение реальной удаленности бриллюэновских оптических анализаторов волокон во временной области» . Журнал световых технологий . 32 (1): 152–162. CiteSeerX 10.1.1.457.8973 . дои : 10.1109/JLT.2013.2292329. Архивировано из оригинала 24 января 2016 года . Проверено 3 августа 2015 г. 
  14. ^ Меры, Рэймонд М. (2001). Структурный мониторинг с использованием оптоволоконной технологии . Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. стр. Глава 7. ISBN 978-0-12-487430-5.
  15. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С. (2002). «Проектирование и разработка волоконно-оптического датчика внутреннего напряжения». Труды 12-го Международного симпозиума IMEKO TC4 Часть 2 : 415–419.
  16. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С.; Дэн, С. (2006). «Влияние высокочастотного электрического поля на плоскость поляризации в одномодовом оптическом волокне». Труды, Photonics 2006 .
  17. ^ Ghosh, SK; Sarkar, SK; Chakraborty, S. (2006). «Предложение по схеме измерения мощности одномодового оптоволокна». Журнал оптики (Калькутта) . 35 (2): 118–124. doi :10.1007/BF03354801. ISSN  0972-8821.
  18. ^ Целлер, М.; Шеер, Г. (2008). «Добавление безопасности отключения к обнаружению дугового разряда для безопасности и надежности», Труды 35-й ежегодной Западной конференции по защитным реле, Спокан, Вашингтон».
  19. ^ Алейник АС; Киреенкова А.Ю.; Мехренгин МВ; Чиргин МА; Беликин МН (2015). «Коррекция центральной длины волны источника излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконно-оптических брэгговских решеток». Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики . 15 (5): 809–816. doi : 10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816 .
  20. ^ Roland, U.; et al. (2003). "Новый волоконно-оптический термометр и его применение для управления процессами в сильных электрических, магнитных и электромагнитных полях" (PDF) . Sensor Letters . 1 : 93–8. doi :10.1166/sl.2003.002. Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 г. . Получено 21 ноября 2014 г. .
  21. ^ Инь, Мин-цзе; Гу, Бобо; Ань, Цюань-Фу; Ян, Чэнбин; Гуань, Юн Лян; Юн, Кен-Тай (1 декабря 2018 г.). «Последние разработки волоконно-оптических химических датчиков и биосенсоров: механизмы, материалы, микро/нанопроизводство и применение». Coordination Chemistry Reviews . 376 : 348. doi :10.1016/j.ccr.2018.08.001.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Волоконно-оптический_датчик&oldid=1170236549"