Что такое Волоконно-оптический датчик?

Каталог

 I Введение

Волоконно-оптический датчик - это датчик, который преобразует состояние измеряемого объекта в измеряемый оптический сигнал. Принцип работы волоконно-оптического датчика заключается в том, чтобы посылать световой луч, падающий от источника света, на модулятор через оптическое волокно и взаимодействовать с внешними измеряемыми параметрами в модуляторе, чтобы оптические свойства света, такие как интенсивность света, длина волны, частота, фаза, состояние поляризации и т.Д. будут изменены. Световой луч становится модулированным оптическим сигналом, который передается на фотоэлектрическое устройство и модулятор по оптическому волокну. Измеренный параметр будет получен после демодуляции. В ходе всего процесса луч света вводится через оптическое волокно, а затем выходит после прохождения через модулятор. Функция оптического волокна заключается, во-первых, в передаче светового луча, а во-вторых, в функционировании в качестве оптического модулятора.

 Ⅱ Принцип работы

Основной принцип работы волоконно-оптического датчика заключается в передаче света от источника света к модулятору через волокно, так что измеряемый параметр взаимодействует со светом, попадающим в область модуляции, что приводит к оптическим свойствам света (таким как интенсивность света, длина волны, частота, фаза, состояние поляризации и т.д.) изменяется, называемое модулированным сигнальным светом. А затем использует влияние измеренного на характеристики светопропускания для завершения измерения. Для волоконно-оптических датчиков существует два принципа измерения.

1.Принцип физического волоконно-оптического датчика

Датчик физического волокна использует чувствительность оптического волокна к изменениям окружающей среды и преобразует входную физическую величину в модулированный оптический сигнал. Его принцип работы основан на эффекте оптической модуляции оптического волокна, то есть при изменении внешних факторов окружающей среды, таких как температура, давление, электрическое поле, магнитное поле и т.д., его характеристики светопропускания, такие как фаза и интенсивность света, изменятся.

Следовательно, если изменение оптической фазы и интенсивности света через оптическое волокно может быть измерено, изменение измеренной физической величины может быть известно. Этот тип датчика также известен как датчик сенсорного типа или функциональный волоконно-оптический датчик. Луч точечного источника света лазера рассеивается на параллельные волны и разделяется светоделителем на два пути, один из которых является опорным оптическим путем, а другой - измерительным оптическим путем. Внешние параметры (температура, давление, вибрация и т.д.) вызывают изменения длины волокна и изменения оптической фазы фазы, тем самым генерируя различное количество интерференционных полос. Рассчитывая его режим движения, мы можем измерить температуру или давление.

Волоконно-оптический датчик

2.Принцип работы структурированного волоконно-оптического датчика

Структурированный волоконно-оптический датчик представляет собой измерительную систему, состоящую из элемента обнаружения света (чувствительного элемента), контура передачи оптического волокна и измерительной схемы. Среди них оптическое волокно используется только в качестве среды распространения света, поэтому его также называют светопропускающим типом или оптоволоконным датчиком нефункционального типа.

Ⅲ Производительность и характеристики

Оптическое волокно обладает многими превосходными свойствами, такими как устойчивость к электромагнитным и атомным радиационным помехам, механические свойства малого диаметра, мягкое качество и легкий вес; изоляция, электрические характеристики без индукции; химическая стойкость к воздействию воды, высокой температуры и коррозии и т.д. Он может играть роль человеческих ушей в местах, куда люди не могут добраться (например, в зонах с высокой температурой), или в зонах, которые вредны для людей (например, в зонах ядерной радиации). Это также может превышать физиологические границы человека, которые получают внешнюю информацию, которую вы не можете почувствовать.

Преимущество волоконно-оптического датчика заключается в том, что по сравнению с традиционными датчиками волоконно-оптический датчик использует свет в качестве носителя конфиденциальной информации, а оптическое волокно - в качестве среды для передачи конфиденциальной информации. Он обладает характеристиками оптического волокна и оптического измерения и обладает рядом уникальных преимуществ. Хорошие характеристики электрической изоляции, высокая устойчивость к электромагнитным помехам, неинвазивность, высокая чувствительность, простота осуществления дистанционного мониторинга измеряемого сигнала, коррозионная стойкость, взрывозащищенность, гибкий оптический тракт, простота подключения к компьютеру и т.д.

Особенности волоконно-оптических датчиков заключаются в следующем:

1. Высокая чувствительность

2. Геометрическая форма обладает многими аспектами адаптивности и может быть выполнена в любой форме волоконно-оптического датчика.

3.It могут быть изготовлены устройства, которые воспринимают различную физическую информацию (акустическую, магнитную, температуру, вращение и т.д.).

4.It может использоваться при высоком напряжении, электрическом шуме, высокой температуре, коррозии или других суровых условиях.

5. Он также по своей сути совместим с волоконно-оптической телеметрией.

6. Благодаря использованию призм в отражателе эффективность обнаружения выше и надежнее, чем у обычного датчика управления отражающим светом.

7. По сравнению с отдельным датчиком управления освещением подключение схемы проще и проще.

8. Встроенная конструкция облегчает установку

9. Он используется для передачи цифровых моделей, таких как телефон и широкополосный доступ в Интернет.

10. Прохождение банкнот, карт, монет, сберегательных книжек и т.д., используемых в торговых автоматах, оборудовании, связанном с финансовыми терминалами, и счетчиках банкнот

11. Он используется для позиционирования, подсчета и идентификации продукта на автоматизированном оборудовании.

IV Классификация

В соответствии с формой модуляции объекта, подлежащего измерению, его можно разделить на тип модуляции интенсивности, тип состояния поляризации, тип фазы, тип частоты; В зависимости от того, создает ли свет помехи, его можно разделить на тип помех и тип без помех; В зависимости от того, может ли он непрерывно контролировать измерение с увеличением расстояния его можно разделить на распределенный и точечный; В соответствии с ролью оптического волокна в датчике его можно разделить на Функциональное волокно (сокращенно FF); Нефункциональное волокно (сокращенно NFF), и оно называется светопропускающим датчиком.

1.Функциональный волоконный датчик

Функциональный волоконный датчик использует оптическое волокно в качестве чувствительного элемента, используя характеристики самого оптического волокна. Он измеряется для модуляции света, проходящего по волокну, для изменения интенсивности, фазы, частоты или состояния поляризации проходящего света. Демодулированный сигнал используется для получения измеренного сигнала. Оптическое волокно является не только световодной средой, но и чувствительным компонентом. Свет измеряется и модулируется в оптическом волокне, и в основном используется многорежимное оптическое волокно.

плюсы: компактная конструкция и высокая чувствительность.

минусы: требуется специальное волокно, стоимость высока,

Типичные примеры: волоконно-оптический гироскоп, волоконно-оптический гидрофон и т.д.

2.Нефункциональный волоконный датчик

Нефункциональные волоконно-оптические датчики используют другие чувствительные компоненты для определения измеренных изменений. Оптические волокна используются только в качестве средств передачи информации, и часто используются одномодовые оптические волокна. Оптическое волокно играет только роль световода, и свет, излучаемый на чувствительный элемент типа оптического волокна, модулируется измерением.

Преимущества: Оптическое волокно может использоваться для электрической изоляции и передачи данных, а на сигнал, передаваемый по оптическому волокну, не влияют электромагнитные помехи. Большинство практичных из них - это нефункциональные оптоволоконные датчики.

Так называемый собственный датчик оптического волокна означает, что само оптическое волокно непосредственно получает измерения из внешнего мира. Внешняя измеряемая физическая величина может вызывать изменения длины, показателя преломления и диаметра измерительного рычага, тем самым вызывая изменения амплитуды, фазы, частоты и поляризации света, передаваемого в волокне. Свет, передаваемый измерительным рычагом, интерферирует (сравнивает) с эталонным светом эталонного рычага, вызывая изменение фазы (или амплитуды) выходного света.На основе этого изменения может быть обнаружено измеренное изменение. Фаза передачи в волокне очень чувствительна к внешним воздействиям, и помехи могут быть использованы для определения физической величины, соответствующей небольшому изменению фазы в 10 минус 4 радиана. Используя свойства намотки и низкие потери оптического волокна, очень длинное оптическое волокно может быть свернуто в волоконную катушку с небольшим диаметром для увеличения длины использования и получения более высокой чувствительности.

Оптоволоконный акустический датчик - это своего рода датчик, использующий само оптическое волокно. Когда волокно подвергается воздействию очень небольшой внешней силы, оно будет слегка согнуто, и его светопропускающая способность сильно изменится. Звук - это своего рода механическая волна, и его воздействие на оптическое волокно заключается в том, чтобы заставить оптическое волокно напрягаться и изгибаться, а сила звука может быть получена путем изгиба. Волоконно-оптические гироскопы также являются одним из видов волоконно-оптических датчиков. По сравнению с лазерными гироскопами волоконно-оптические гироскопы обладают высокой чувствительностью, небольшими размерами и низкой стоимостью. Они могут быть использованы в высокопроизводительных инерциальных навигационных системах, таких как самолеты, корабли и ракеты.

3. Волоконный Датчик Брэгговской Решетки

Принцип работы волоконного датчика Брэгговской решетки

Волоконный датчик Брэгговской решетки (FBS) - это волоконный датчик с самой высокой частотой и самым широким диапазоном. Этот датчик может изменять длину волны отраженного света в соответствии с изменением температуры окружающей среды и деформации. Волоконная Брэгговская решетка использует метод голографической интерференции или метод фазовой маски для воздействия на небольшую длину светочувствительного волокна световой волны с периодическим распределением интенсивности. Таким образом, оптический показатель преломления оптического волокна будет постоянно изменяться в соответствии с интенсивностью излучаемой световой волны. Периодическое изменение показателя преломления света, вызванное этим методом, называется волоконной брэгговской решеткой.

Когда луч широкого спектра распространяется на волоконную брэгговскую решетку, каждая небольшая длина волокна после изменения показателя преломления будет отражать только определенную длину волны света. Эта длина волны называется длиной волны Брэгга. Эта характеристика делает волоконные брэгговские решетки отражающими только световые волны определенной длины волны, в то время как световые волны других длин волн распространяются.

Структура волоконного датчика брэгговской решетки

В соответствии с ролью оптического волокна в волоконно-оптических датчиках его можно разделить на два типа: чувствительный тип и тип пропускания света. Оптическое волокно чувствительного типа не только играет роль пропускающего света, но и является фотоэлектрическим чувствительным элементом. Из-за влияния внешней среды на само оптическое волокно измеряемая физическая величина воздействует на датчик через оптическое волокно, так что свойства оптического волновода (интенсивность света, фаза, состояние поляризации, длина волны и т.д.) модулируются. Волоконно-оптические датчики чувствительного типа делятся на системы фокусировки света, тип фазовой модуляции, тип модуляции состояния вибрации и тип модуляции длины волны

Волоконно-оптический датчик типа пропускания света измеряет оптический сигнал, модулированный измеряемым объектом, после ввода в оптическое волокно, а затем выполняет обработку оптического сигнала на выходном конце для измерения. Этот тип датчика имеет дополнительный светочувствительный элемент, который чувствителен к измеряемой физической величине. Светопропускающий элемент должен быть соединен с чувствительным элементом, который может модулировать свет, передаваемый оптическим волокном, для формирования чувствительного элемента.

Легкий вес, долговечность и долговременная стабильность волоконно-оптического датчика позволяют легко применять его для определения внутренних напряжений и деформаций различных строительных материалов, таких как строительные стальные конструкции и бетон.

Другой основной категорией волоконно-оптических датчиков являются датчики, использующие оптические волокна. Структура примерно такова: датчик расположен на конце оптического волокна, а оптическое волокно представляет собой всего лишь линию передачи света, которая преобразует измеренную физическую величину в изменение амплитуды, фазы или амплитуды света. В этой сенсорной системе традиционные датчики объединены с оптическими волокнами. Внедрение оптических волокон позволяет реализовать телеметрию на основе зондов. Этот тип датчика передачи оптического волокна имеет широкий спектр применений и прост в использовании, но его точность немного ниже, чем у датчика первого типа.

V Приложения

Изолированный от грязи, магнетизма, звука, давления, температуры, ускорения, гироскопа, перемещения, уровня жидкости, крутящего момента, фотоакустики, тока, волоконно-оптический датчик может использоваться для измерения перемещения, вибрации, вращения, давления, изгиба, деформации, скорости, ускорения, тока, магнитного поля, напряжения, влажности, температуры, звуковое поле, скорость потока, концентрация, значение РН и измерение деформации физических величин. Диапазон применения волоконно-оптических датчиков очень широк и охватывает практически все важные области национальной экономики и национальной обороны, а также повседневную жизнь людей. Его можно безопасно и эффективно использовать в суровых условиях. Это решает технические проблемы, которые существовали во многих отраслях промышленности в течение многих лет. Применение в основном проявляется в следующих аспектах:

Применение интерферометрических гироскопов и решетчатых датчиков давления на мостах, плотинах, нефтяных месторождениях и т.д. в городском строительстве. Волоконно-оптические датчики могут быть предварительно заглублены в бетон, пластмассы, армированные углеродным волокном, и различные композитные материалы для проверки релаксации напряжений, напряжения конструкции и динамических нагрузок для оценки конструктивных характеристик моста на краткосрочном этапе строительства и долгосрочной эксплуатации.

В энергосистеме необходимо измерять такие параметры, как температура и ток, например, для определения температуры в статоре и роторе высоковольтных трансформаторов и больших двигателей. Поскольку электрические датчики чувствительны к помехам от электромагнитных полей, их нельзя использовать в таких случаях и можно использовать только волоконно-оптический датчик. Распределенный оптоволоконный датчик температуры - это новая технология, разработанная в последние годы для измерения пространственного распределения температурного поля в режиме реального времени. Распределенная система датчиков температуры оптического волокна не только обладает преимуществами универсального датчика оптического волокна, но также обладает возможностью измерения температуры в различных точках вместе с волокном.

Используя эту функцию, мы можем непрерывно измерять температуру различных точек в радиусе нескольких километров вместе с волокном в режиме реального времени. Точность позиционирования может достигать порядка метров, а точность измерения может достигать уровня 1 градуса.

Кроме того, волоконно-оптические датчики также могут быть использованы в мониторинге железных дорог, ракетных двигательных установках и обнаружении нефтяных скважин. Оптическое волокно также обладает значительными преимуществами широкополосной связи, большой пропускной способности, передачи на большие расстояния и многопараметрического, распределенного и с низким энергопотреблением зондирования. Оптоволоконное зондирование может постоянно поглощать новые технологии и новые устройства оптоволоконной связи, и ожидается, что различные волоконно-оптические датчики будут широко использоваться в Интернете вещей.