Úvod do optických senzorů a jejich typů s aplikacemi

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





V roce 1960 bylo vynalezeno laserové světlo a po vynálezu laserů vědci projevili zájem studovat aplikace komunikačních systémů z optických vláken pro snímání, datovou komunikaci a mnoho dalších aplikací. Následně optický komunikační systém se stala konečnou volbou pro gigabitový přenos i mimo něj. Tento typ komunikace s optickými vlákny se používá k přenosu dat, hlasu, telemetrie a videa přes dálkovou komunikaci nebo počítačové sítě nebo LAN. Tato technologie používá světelnou vlnu k přenosu dat přes vlákno změnou elektronických signálů na světlo. Mezi vynikající charakteristické vlastnosti této technologie patří nízká hmotnost, nízký útlum, menší průměr, přenos signálu na velké vzdálenosti, zabezpečení přenosu atd.

Senzory optických vláken

Senzory optických vláken



Je příznačné, že telekomunikační technologie změnil nedávný pokrok v technologii optických vláken. Poslední revoluce se objevila jako návrháři, kteří spojili produktivní výsledky optoelektronická zařízení s optickými a telekomunikačními zařízeními k vytváření senzorů z optických vláken. Mnoho komponent spojených s těmito zařízeními je často vyvíjeno pro aplikace s optickými vlákny. Schopnost senzorů z optických vláken se zvýšila namísto tradičních senzorů.


Senzory optických vláken

Senzory optických vláken nazývané také jako senzory optických vláken používají optické vlákno nebo snímací prvek. Tyto senzory se používají ke snímání některých veličin, jako je teplota, tlak, vibrace, posunutí, rotace nebo koncentrace chemických látek. Vlákna mají tolik využití v oblasti dálkového průzkumu Země, protože na vzdáleném místě nevyžadují žádnou elektrickou energii a mají malou velikost.



Senzory z optických vláken jsou vynikající pro necitlivé podmínky, včetně hluku, vysokých vibrací, extrémního tepla, mokra a nestabilního prostředí. Tyto snímače se snadno vejdou na malé plochy a lze je správně umístit všude tam, kde jsou zapotřebí flexibilní vlákna. Posun vlnové délky lze vypočítat pomocí zařízení, reflektrometrie optické frekvenční oblasti. O časovém zpoždění senzorů z optických vláken lze rozhodnout pomocí zařízení, jako je optický reflektometr v časové oblasti.

Blokové schéma snímače optických vláken

Blokové schéma snímače optických vláken

Obecné blokové schéma snímače z optických vláken je uvedeno výše. Blokové schéma se skládá z optického zdroje ( Světelná dioda , LASER a laserová dioda), optické vlákno, snímací prvek, optický detektor a zařízení pro konečné zpracování (optický spektrální analyzátor, osciloskop). Tyto senzory jsou rozděleny do tří kategorií podle provozních principů, umístění senzoru a použití.

Typy senzorových systémů s optickými vlákny

Tyto senzory lze klasifikovat a vysvětlit následujícím způsobem:


1. Na základě umístění senzoru jsou senzory optických vláken rozděleny do dvou typů:

  • Senzory vnitřní vláknové optiky
  • Vnější optický senzor

Senzory optických vláken s vnitřním typem

U tohoto typu senzorů probíhá snímání uvnitř samotného vlákna. Senzory závisí na vlastnostech samotného optického vlákna, aby převáděly působení prostředí na a modulace světelného paprsku procházejícího skrz. Zde může být jedna z fyzikálních vlastností světelného signálu ve formě frekvence, fáze, intenzity polarizace. Nejužitečnějším rysem čidla s vnitřním optickým vláknem je, že poskytuje distribuované snímání na velké vzdálenosti. Základní koncept snímače vnitřní optické vlákno je uveden na následujícím obrázku.

Senzory optických vláken s vnitřním typem

Senzory optických vláken s vnitřním typem

Senzory optických vláken s vnějším typem

V senzorech optických vláken vnějšího typu může být vlákno použito jako nosiče informací, které ukazují cestu k černé skříňce. Generuje světelný signál v závislosti na informacích, které dorazily k černé skříňce. Černá skříňka může být vyrobena ze zrcadel,plyn nebo jakýkoli jiný mechanismus, který generuje optický signál. Tyto senzory se používají k měření rotace, rychlosti vibrací, posunu, kroucení, točivého momentu a zrychlení. Hlavní výhoda těchto senzorů je jejich schopnost dosáhnout míst, která jsou jinak nedosažitelná.

Senzory optických vláken s vnějším typem

Senzory optických vláken s vnějším typem

Nejlepším příkladem tohoto snímače je měření vnitřní teploty proudového motoru letadla, které používá vlákno k přenosu záření do radiačního pyrometru, který je umístěn vně motoru. Stejným způsobem lze tyto senzory použít také k měření vnitřní teploty transformátory . Tyto snímače poskytují vynikající ochranu měřicích signálů proti poškození šumem. Následující obrázek ukazuje základní koncepci snímače vnějších optických vláken.

2. Na základě provozních principů jsou senzory optických vláken rozděleny do tří typů:

  • Na základě intenzity
  • Fázové
  • Polarizace založená

Senzor optických vláken založený na intenzitě

Senzory založené na intenzitě optických vláken vyžadují více světla a tyto senzory používají vícejádrová vlákna s velkým jádrem. Znázorněný obrázek poskytuje představu o tom, jak intenzita světla funguje jako parametr snímání, a také o tom, jak toto uspořádání umožňuje vláknu fungovat snímač vibrací. Když dojde k vibraci, dojde ke změně světla vloženého z jednoho konce na druhý konec, což umožní inteligenci pro měření amplitudy vibrací.

Senzor optických vláken založený na intenzitě

Senzor optických vláken založený na intenzitě

Na obrázku závisí optický a vibrační senzor blíže na intenzitě světla v pozdějších částech. Tyto snímače mají mnoho omezení kvůli proměnlivým ztrátám v systému, ke kterým nedochází v prostředí. Mezi tyto proměnné ztráty patří ztráty způsobené spojením, ztráty mikro a makro ohybu, ztráty způsobené spoji na spojích atd. Mezi příklady patří senzory založené na intenzitě nebo senzor mikrobendu a senzor evanescentních vln.

Mezi výhody těchto senzorů z optických vláken patří nízká cena, schopnost fungovat jako skutečné distribuované senzory, velmi jednoduchá implementace, možnost multiplexování atd. Nevýhody zahrnují změny v intenzitě světla a relativní měření atd.

Polarizační vláknový optický senzor

Polarizační optická vlákna jsou důležitá pro určitou třídu senzorů. Tuto vlastnost lze jednoduše upravit různými externími proměnnými, a tedy těmito typy senzorů lze použít k měření řady parametrů.Speciální vlákna a další komponenty byly vyvinuty s přesnými polarizačními vlastnostmi. Obecně se používají v různých aplikacích měření, komunikace a zpracování signálu.

Polarizační vláknový optický senzor

Polarizační vláknový optický senzor

Optické nastavení pro optický senzor založený na polarizaci je zobrazen výše. Je tvarován polarizací světla ze zdroje světla přes polarizátor. Polarizované světlo se spouští při 45o k vybraným osám délky dvojlomného vlákna chránícího polarizaci. Tato část vlákna slouží jako snímací vlákno. Poté se fázový rozdíl mezi dvěma stavy polarizace změní při jakýchkoli vnějších poruchách, jako je napětí nebo přetvoření. Poté se podle vnějších poruch změní výstupní polarizace. Zvážením stavu výstupní polarizace na dalším konci vlákna lze tedy detekovat vnější poruchy.

Fázový optický senzor

Tyto typy senzorů se používají ke změně emitorového světla na informačním signálu, přičemž signál je sledován fázovým senzorem z optických vláken. Když prochází světelný paprsek interferometrem, světlo se rozdělí na dva paprsky. Jeden paprsek je vystaven snímacímu prostředí a druhý paprsek je izolován od snímacího prostředí, které slouží jako reference. Jakmile jsou dva oddělené paprsky rekombinovány, pak si navzájem překážejí. Nejčastěji používanými interferometry jsou Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, mřížkové a polarimetrické interferometry. Zde jsou níže uvedeny interferometry Mach Zehnder a Michelson.

Fázový optický senzor

Fázový optický senzor

zde jsou rozdíly a podobnosti mezi těmito dvěma interferometry. Z hlediska podobnosti je Michelsonův interferometr často považován za skládaný interferometr Mach Zehnder. Konfigurace Michelsonova interferometru vyžaduje pouze jeden vazební člen z optických vláken. Protože světlo prochází dvakrát skrz snímací a referenční vlákna, optický fázový posun na jednotku délky vlákna se zdvojnásobí. Michelson tak může mít zásadně lepší citlivost. Další jasnou výhodou Michelsonu je, že senzor může být dotazován pouze jedním vláknem mezi zdrojem a modulem detektoru zdroje. Pro Michelsonův interferometr je ale zapotřebí kvalitní odrazové zrcadlo

3. Na základě aplikace jsou senzory optických vláken rozděleny do tří typů, jako jsou

  • Chemický senzor
  • Fyzický senzor
  • Bio lékařský senzor

Chemický senzor

Chemický senzor je zařízení, které se používá k přeměně chemických informací ve formě měřitelného fyzického signálu spojeného s koncentrací určitých chemických látek. Chemický senzor je důležitou součástí analyzátoru a může zahrnovat některá zařízení, která provádějí následující funkce: zpracování signálu, vzorkování a zpracování dat. Analyzátor může být důležitou součástí automatizovaného systému.

Chemický senzor

Chemický senzor

Práce analyzátoru podle plánu vzorkování jako funkce času funguje jako monitor. Tyto snímače zahrnují dvě funkční jednotky: receptor a převodník. V receptorové části se chemická informace transformuje na energii, kterou lze měřit převodníkem. V části převodníku se chemická informace transformuje na analytický signál a nevykazuje citlivost.

Fyzický senzor

Fyzický senzor je zařízení vyrobené podle fyzikálních účinků a povahy. Tyto senzory se používají k poskytování informací o fyzických vlastnostech systému. Tento typ senzorů jsou většinou označeny senzory, jako jsou fotoelektrické senzory, piezoelektrické senzory , kovové odporové snímače tahu a polovodičové piezo-odporové snímače.

Bio lékařský senzor

Biomedicínský senzor je elektronické zařízení, které se používá k přenosu různých neelektrických veličin v biomedicínských polích do snadno detekovatelných elektrických veličin. Z tohoto důvodu jsou tyto senzory zahrnuty do analýzy zdravotní péče. Tato snímací technologie je klíčem ke sběru lidských patologických a fyziologických informací.

Bio lékařský senzor

Bio lékařský senzor

Aplikace senzorů z optických vláken

Senzory z optických vláken se používají v nejrůznějších aplikacích, jako např

  • Měření fyzikálních vlastností, jako je teplota, posunutí,rychlost, deformace ve strukturách jakékoli velikosti nebo jakéhokoli tvaru.
  • V reálném čase sledování fyzické struktury zdraví.
  • Budovy a mosty, tunely,Přehrady, struktury dědictví.
  • Kamera pro noční vidění, elektronické zabezpečovací systémy „Detekce částečného výboje a měření zatížení kol vozidel.

Tedy přehled o optické senzory a aplikací. Existuje mnoho výhod používání senzorů z optických vláken pro komunikaci na velké vzdálenosti, které zahrnují malé rozměry, nízkou hmotnost, kompaktnost, vysokou citlivost, širokou šířku pásma atd. Všechny tyto vlastnosti co nejlépe využívají optických vláken jako senzoru. Kromě toho za jakoukoli pomoc týkající se tohoto tématu nebo nápady projektů založené na senzorech , můžete nás kontaktovat komentářem v sekci komentářů níže.

Fotografické kredity: