Волоконно-оптический датчик - это датчик, который преобразует состояние измеряемого объекта в измеряемый световой сигнал. Принцип работы оптоволоконного датчика заключается в отправке светового луча, падающего от источника света на модулятор через оптическое волокно, и во взаимодействии с внешними измеряемыми параметрами в модуляторе для определения оптических свойств света, таких как интенсивность света, длина волны , частота, фаза, состояние поляризации и т. д. Он изменяется и становится модулированным оптическим сигналом, который затем отправляется в оптоэлектронное устройство по оптическому волокну, а измеренный параметр получается после демодулятора. В ходе всего процесса световой луч вводится через оптическое волокно, а затем излучается после прохождения через модулятор. Функция оптического волокна, во-первых, заключается в передаче светового луча, а во-вторых, в качестве оптического модулятора.
Направление развития
Датчики развиваются в направлении чувствительности, точности, адаптируемости, компактности и интеллекта. В этом процессе очень популярны волоконно-оптические датчики - новый член семейства датчиков. Оптическое волокно обладает множеством превосходных свойств, таких как: защита от электромагнитных помех и помех от атомного излучения, малый диаметр, мягкость, легкие механические свойства; изоляция, безиндуктивные электрические свойства; водостойкость, стойкость к высоким температурам, коррозионная стойкость, химические свойства и т. д. Он может играть роль человеческого уха в местах, недоступных для людей (например, в местах с высокой температурой) или в областях, которые вредны для человека (например, в зонах ядерной радиации. ), а также может выходить за пределы физиологических границ человека и воспринимать человеческие чувства. Внешняя информация, которую вы не можете почувствовать.
Особенности
1. Благодаря использованию призм в отражателе, он имеет более высокие характеристики обнаружения и большую надежность, чем обычные датчики управления отражающим светом.
2. По сравнению с отдельным датчиком управления освещением подключение схемы проще и легче.
3. Встроенная конструкция пряжки упрощает установку.
использовать
1. Используется для передачи цифровых моделей, таких как телефон и широкополосная сеть.
2. Статус передачи банкнот, карт, монет, сберегательных книжек и т. Д., Используемых для торговых автоматов, оборудования, связанного с финансовыми терминалами, и счетчиков денег.
3. Используется для позиционирования, подсчета и идентификации продукта на автоматизированном оборудовании.
принцип
Основной принцип работы оптоволоконного датчика заключается в передаче света от источника света на модулятор по оптоволокну. После того, как измеряемый параметр взаимодействует со светом, попадающим в область модуляции, оптические свойства света (такие как интенсивность света, длина волны, частота, фаза, состояние поляризации и т. Д.) Изменяются, что называется модулированным сигнальным светом, и затем используют влияние измеренных характеристик светопропускания на завершение измерения.
Для оптоволоконных датчиков используются два принципа измерения.
(1) Принцип оптоволоконного датчика физического типа. Оптоволоконный датчик с физическими характеристиками использует чувствительность оптического волокна к изменениям окружающей среды для преобразования входной физической величины 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. , изменится.
Следовательно, если можно измерить фазу света и изменение интенсивности света через оптическое волокно, можно будет узнать изменение измеренной физической величины. Этот тип датчика также называется типом чувствительного элемента или функциональным оптоволоконным датчиком. Луч точечного источника света лазера рассеивается на параллельные волны и разделяется на два пути с помощью светоделителя, один из которых является опорным оптическим путем, а другой - измерительным оптическим путем. Внешние параметры (температура, давление, вибрация и т. Д.) Вызывают изменение длины волокна и изменения световой фазы фазы, в результате чего возникает различное количество интерференционных полос. Подсчитывая его режим движения, можно измерить температуру или давление.
(2) Принцип структурированного оптоволоконного датчика. Структурированный оптоволоконный датчик представляет собой измерительную систему, состоящую из светочувствительного элемента (чувствительного элемента), оптоволоконного контура передачи и измерительной схемы. Среди них оптическое волокно используется только в качестве среды передачи света, поэтому его также называют светопропускающим или нефункциональным волоконно-оптическим датчиком.
спектакль
Оптическое волокно обладает множеством превосходных свойств, таких как: защита от электромагнитных помех и помех от атомного излучения, малый диаметр, мягкость, легкие механические свойства; изоляция, безиндуктивные электрические свойства; водостойкость, устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость, химические свойства и т. д., он может играть роль ушей человека в местах, недоступных или вредных для человека (например, в зонах ядерной радиации), а также может выходить за пределы физиологических границ человека и получить то, что невозможно ощутить человеческими чувствами. Внешняя информация.
Особенности
1. Высокая чувствительность;
2. Геометрическая форма адаптируется во многих аспектах и может быть преобразована в оптоволоконные датчики любой формы;
В-третьих, он может производить устройства, воспринимающие различную физическую информацию (акустическую, магнитную, температуру, вращение и т. Д.);
4. Его можно использовать в условиях высокого напряжения, электрических шумов, высоких температур, коррозии или других суровых условиях;
В-пятых, и имеет неотъемлемую совместимость с технологией оптоволоконной телеметрии.
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 имеет ряд уникальных преимуществ. Хорошая электрическая изоляция, сильная способность противодействовать электромагнитным помехам, неинвазивность, высокая чувствительность, простота реализации удаленного мониторинга измеряемого сигнала, коррозионная стойкость, взрывозащищенность, гибкий световой путь, простота подключения к компьютеру.
Датчик развивается в направлении чувствительности, точности, адаптируемости, компактности и интеллекта. Его можно использовать в местах, недоступных для людей (например, в зонах с высокой температурой или в зонах, вредных для человека, например, в зонах ядерной радиации). Он также может преодолевать физиологические границы людей и получать внешнюю информацию, недоступную для восприятия человеческими чувствами.
классификация
В зависимости от режима модуляции тестируемого объекта его можно разделить на: модуляцию интенсивности, режим поляризации, фазовый режим и частотный режим;
В зависимости от того, мешает ли свет, его можно разделить на: тип помехи и тип невмешательства;
В зависимости от того, можно ли непрерывно контролировать измерение по мере увеличения расстояния, его можно разделить на распределенное и точечное;
В зависимости от роли оптического волокна в датчиках его можно разделить на: один тип - это функциональные (функциональное волокно, сокращенно FF) датчики, также известные как сенсорные датчики; другой - нефункционального типа (нефункциональное волокно, сокращенно NFF) и называется датчиком пропускания света.
Тип функции складывания
Функциональный датчик использует характеристики самого оптического волокна для использования оптического волокна в качестве чувствительного элемента. Измеряемый свет модулирует свет, проходящий в оптическом волокне, для изменения интенсивности, фазы, частоты или состояния поляризации проходящего света. Сигнал демодулируется для получения тестируемого сигнала.
Оптическое волокно - это не только световод, но и чувствительный элемент. Свет измеряется и модулируется в оптическом волокне, и в основном используется многомодовое оптическое волокно.
Достоинства: компактная конструкция и высокая чувствительность.
Недостатки: требуется специальное оптоволокно, высокая стоимость,
Типичные примеры: волоконно-оптические гироскопы, волоконно-оптические гидрофоны и т. Д.
Сложенный нефункциональный тип волокна
В нефункциональных оптоволоконных датчиках используются другие чувствительные компоненты для определения измеряемых изменений. Оптические волокна используются только в качестве среды передачи информации, часто используются одномодовые оптические волокна.
Оптическое волокно играет только роль световода, а свет на чувствительном элементе оптоволоконного типа модулируется путем измерения.
Преимущества: оптическое волокно может использоваться для гальванической развязки и передачи данных, а сигнал, передаваемый по оптическому волокну, не подвержен влиянию электромагнитных помех.
Большинство практических - нефункциональные оптоволоконные датчики. Датчик напряжения с регулируемой частотой, датчик тока с регулируемой частотой и датчик мощности с регулируемой частотой (комбинация датчиков напряжения и тока) AnyWay&# 39 относятся к нефункциональным оптоволоконным датчикам, которые обладают уникальными преимуществами при измерении мощности в сложные электромагнитные среды.
Волоконно-оптические датчики - это новая технология, появившаяся в последние годы. Его можно использовать для измерения различных физических величин, таких как звуковое поле, электрическое поле, давление, температура, угловая скорость, ускорение и т. Д., А также можно выполнять измерительные задачи, которые сложно выполнить с помощью существующих измерительных технологий. В небольшом пространстве, в условиях сильных электромагнитных помех и высокого напряжения волоконно-оптические датчики продемонстрировали уникальные возможности. Существует более 70 типов волоконно-оптических датчиков, которые можно условно разделить на волоконно-оптические датчики и датчики, использующие оптические волокна.
Так называемый оптоволоконный датчик означает, что оптическое волокно непосредственно принимает внешнее измерение. Внешняя измеряемая физическая величина может вызвать изменение длины, показателя преломления и диаметра измерительного рычага, так что свет, передаваемый в оптоволокне, изменяется по амплитуде, фазе, частоте, поляризации и т. Д. Свет, передаваемый измерительным рычагом и эталонный свет эталонного плеча мешает друг другу (сравнивается), так что фаза (или амплитуда) выходного света изменяется, и измеренное изменение может быть обнаружено на основе этого изменения. Фаза, передаваемая по оптическому волокну, очень чувствительна к внешним воздействиям, и физическая величина, соответствующая небольшому изменению фазы на 10–4 радиан, может быть обнаружена с помощью интерференционной технологии. Используя свойства намотки и низкие потери оптического волокна, очень длинное оптическое волокно может быть намотано в катушку из оптического волокна малого диаметра, чтобы увеличить полезную длину и получить более высокую чувствительность.
Оптоволоконный акустический датчик - это датчик, который использует само оптическое волокно. Когда оптическое волокно подвергается воздействию очень небольшой внешней силы, оно будет слегка изгибаться, и его светопропускная способность сильно изменится. Звук - это своего рода механическая волна, и ее воздействие на оптическое волокно заключается в том, чтобы заставить оптическое волокно изгибаться. Сила звука может быть получена путем изгибания. Волоконно-оптический гироскоп также является разновидностью оптоволоконного датчика. По сравнению с лазерным гироскопом, волоконно-оптический гироскоп имеет высокую чувствительность, небольшие размеры и низкую стоимость. Он может быть использован в высокоэффективных инерциальных навигационных системах самолетов, кораблей, ракет и т. Д. На рисунке показан принцип работы турбинного расходомера с волоконно-оптическим датчиком.
Сложенная решетка Брэгга
Датчик с волоконной решеткой Брэгга (FBS) - это своего рода волоконно-оптический датчик с самой высокой частотой и самым широким диапазоном. Этот тип датчика может изменять длину волны отраженной световой волны в соответствии с изменением температуры окружающей среды и / или напряжения. Волоконные брэгговские решетки используются для воздействия на небольшой участок светочувствительного волокна световых волн с периодическим распределением интенсивности света посредством голографической интерферометрии или фазовой маскировки. Таким образом, оптический показатель преломления оптического волокна будет постоянно изменяться в зависимости от интенсивности излучаемой световой волны. Периодические изменения показателя преломления света, вызванные этим методом, получили название волоконных брэгговских решеток.
Когда луч широкого спектра распространяется на волоконную брэгговскую решетку, каждый небольшой сегмент волокна после изменения показателя преломления будет отражать только определенную длину волны света. Эта длина волны называется длиной волны Брэгга. Благодаря этой характеристике волоконные брэгговские решетки отражают световые волны только определенной длины волны, тогда как световые волны других длин волн будут распространяться.
В зависимости от роли оптического волокна в оптоволоконном датчике его можно разделить на два типа: чувствительный и светопропускающий.
Оптическое волокно оптоволоконного датчика чувствительного типа не только пропускает свет, но и действует как фотоэлектрический датчик. 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. Оптоволоконные датчики сенсорного типа также подразделяются на светоподчиняющие, фазовые, модулирующие вибрационные и длинноволновые.
Сложенное световодное волокно
Оптоволоконный датчик светопропускающего типа вводит оптический сигнал, модулированный измеряемым объектом, в оптическое волокно, а затем выполняет измерение, обрабатывая оптический сигнал на выходе. Этот тип датчика имеет другой светочувствительный элемент, чувствительный к измеряемой физической величине, и оптическое волокно используется только в качестве светопропускающего элемента, который должен быть присоединен с чувствительным элементом, способным модулировать свет, передаваемый оптическим волокном, для формирования датчика. элемент. Волоконно-оптические датчики можно разделить на три типа: точечные волоконно-оптические датчики, встроенные волоконно-оптические датчики и распределенные волоконно-оптические датчики в соответствии с их диапазоном измерения. Среди них распределенные оптоволоконные датчики используются для обнаружения распределения деформации в крупных конструкциях и могут быстро и неразрушающим образом измерять смещение, внутреннее или поверхностное напряжение и другие важные параметры конструкции. Типы волоконно-оптических датчиков, используемых в гражданском строительстве, в основном включают интерферометрические волоконно-оптические датчики Math-Zender, волоконно-оптические датчики с полостью Фабри-перо и датчики с волоконной решеткой Брэгга.
Легкость, долговечность и долговременная стабильность оптоволоконного датчика позволяют легко применять его для обнаружения внутренних напряжений и деформаций в различных строительных материалах, таких как строительные стальные конструкции и бетон. Проведено санитарное обследование конструкции здания.
Другой важной категорией волоконно-оптических датчиков является использование волоконно-оптических датчиков. Его структура примерно следующая: датчик расположен на конце оптического волокна, а оптическое волокно представляет собой всего лишь линию передачи света, которая преобразует измеренную физическую величину в амплитуду, фазу или амплитуду света. В этой сенсорной системе объединены традиционный сенсор и оптическое волокно. Внедрение оптического волокна позволяет реализовать зондовую телеметрию. Этот оптоволоконный передающий датчик имеет широкий спектр применения и прост в использовании, но его точность немного ниже, чем у датчика первого типа.
Оптическое волокно - восходящая звезда в семействе датчиков. Он широко используется благодаря отличным характеристикам оптического волокна. Это своего рода датчик, на который стоит обратить внимание в производственной практике.
Волоконно-оптические датчики стали восходящей звездой в семействе датчиков благодаря своим многочисленным преимуществам и играют свою уникальную роль в различных измерениях, став незаменимым членом семейства датчиков.
применение
Изолированный от грязи, магнетизма, звука, давления, температуры, ускорения, гироскопа, смещения, уровня жидкости, крутящего момента, фотоакустики, тока, оптоволоконный датчик может использоваться для смещения, вибрации, вращения, давления, изгиба, деформации, скорости, ускорения, ток, магнитное поле, напряжение, влажность, температура, звуковое поле, расход, концентрация, значение pH и измерение деформации. Оптоволоконные датчики имеют широкий спектр применений, охватывающих практически все важные области национальной экономики и национальной обороны, а также повседневную жизнь людей. Их можно безопасно и эффективно использовать в суровых условиях. Они решают множество технических проблем, которые существуют во многих отраслях на протяжении многих лет. Рыночный спрос. В основном проявляется в следующих приложениях:
Применение интерферометрических гироскопов и решетчатых датчиков давления в мостах, плотинах, месторождениях нефти и др. В городском строительстве. Оптоволоконные датчики могут быть встроены в бетон, пластик, армированный углеродным волокном, и различные композитные материалы для проверки релаксации напряжений, напряжения конструкции и напряжения динамической нагрузки, чтобы оценить конструктивные характеристики моста на краткосрочной и долгосрочной стадии строительства. срок эксплуатации.
В энергосистеме необходимо измерять температуру, ток и другие параметры, такие как определение температуры в статоре и роторе высоковольтных трансформаторов и больших двигателей. Поскольку электрические датчики чувствительны к помехам электромагнитного поля, их нельзя использовать в таких случаях. Волоконно-оптический датчик. Распределенный оптоволоконный датчик температуры - это высокотехнологичная технология, разработанная в последние годы для измерения пространственного распределения температурного поля в реальном времени. Распределенная оптоволоконная система измерения температуры не только обладает преимуществами обычных оптоволоконных датчиков, но также может измерять температуру в различных точках оптического волокна. Благодаря возможности распределенного зондирования мы можем непрерывно измерять температуру в различных точках в пределах нескольких километров вдоль оптического волокна в режиме реального времени. Точность позиционирования может достигать порядка метров, а точность измерения - до 1 градуса. Он очень подходит для крупномасштабного измерения температуры пересечения. Случаи применения.
Кроме того, волоконно-оптические датчики также могут использоваться для мониторинга железных дорог, ракетных двигательных установок и обнаружения нефтяных скважин.
Оптическое волокно обладает замечательными преимуществами широкополосной связи, большой пропускной способности, передачи на большие расстояния, а также многопараметрического распределенного зондирования с низким энергопотреблением. Оптоволоконный зонд может по-прежнему использовать новые технологии и устройства для оптоволоконной связи, и ожидается, что различные оптоволоконные датчики будут широко использоваться в Интернете вещей.
