Волоконно-оптический датчик - Fiber-optic sensor

А волоконно-оптический датчик это датчик который использует оптоволокно либо как чувствительный элемент («внутренние датчики»), либо как средство передачи сигналов от удаленного датчика к электронике, которая обрабатывает сигналы («внешние датчики»). Волокна находят множество применений в дистанционном зондировании. В зависимости от области применения может использоваться волокно из-за его небольшого размера или отсутствия электричество требуется в удаленном месте, или потому, что многие датчики могут быть мультиплексированный по длине волокна, используя сдвиг длины волны света для каждого датчика или измеряя временную задержку, когда свет проходит по волокну через каждый датчик. Время задержки можно определить с помощью такого устройства, как оптический рефлектометр и сдвиг длины волны можно рассчитать с помощью инструмент реализация оптической рефлектометрии в частотной области.

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

Внутренние датчики

Оптические волокна можно использовать в качестве датчиков для измерения напряжение,[1] температура, давление и других величин путем модификации волокна таким образом, чтобы измеряемая величина модулировала интенсивность, фаза, поляризация, длина волны или время прохождения света в волокне. Датчики, которые изменяют интенсивность света, являются самыми простыми, поскольку 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, используя волокно с мимолетный потери, которые зависят от температуры, или путем анализа Рэлеевское рассеяние, Рамановское рассеяние или Рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне. Электрическое напряжение можно определить нелинейно-оптический эффекты в специально легированном волокне, которые изменяют поляризацию света в зависимости от напряжения или электрического поля. Датчики измерения угла могут быть основаны на Эффект Саньяка.

Специальные волокна, такие как длиннопериодическая волоконная решетка (LPG) оптические волокна могут использоваться для распознавания направления[3]. Группа исследований фотоники Астонский университет в Великобритании есть несколько публикаций по применению векторных датчиков изгиба.[4][5]

Оптические волокна используются как гидрофоны для сейсмических и сонар Приложения. Были разработаны гидрофонные системы с более чем сотней датчиков на волоконно-оптический кабель. Сенсорные системы гидрофонов используются в нефтяной промышленности, а также во флотах некоторых стран. Используются как установленные на дне группы гидрофонов, так и буксируемые косы. Немецкая компания Sennheiser разработал лазерный микрофон для использования с оптическими волокнами.[6]

А волоконно-оптический микрофон и оптоволоконные наушники полезны в областях с сильными электрическими или магнитными полями, например, при общении между командой людей, работающих с пациентом внутри аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ) во время операции под МРТ.[7]

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

Оптические волокна можно превратить в интерферометрический датчики, такие как волоконно-оптические гироскопы, которые используются в Боинг 767 а также в некоторых моделях автомобилей (для навигации). Их также используют для изготовления датчики водорода.

Волоконно-оптические датчики были разработаны для одновременного измерения температуры и деформации в одном месте с очень высокой точностью с использованием волоконные решетки Брэгга.[10] Это особенно полезно при получении информации от небольших или сложных структур.[11] Оптоволоконные датчики также особенно хорошо подходят для удаленного мониторинга, и их можно опрашивать на расстоянии 290 км от станции мониторинга с помощью оптоволоконного кабеля.[12] Рассеяние Бриллюэна эффекты также можно использовать для обнаружения деформации и температуры на больших расстояниях (20–120 км).[13][14]

Другие примеры

Волоконно-оптический датчик напряжения переменного / постоянного тока в среднем и высоком диапазоне напряжений (100–2000 В) может быть создан путем наведения измеримого количества Керровская нелинейность в одномодовое оптическое волокно подвергая расчетную длину волокна внешнему электрическому полю.[15] Методика измерения основана на поляриметрический обнаружение и высокая точность достигается в агрессивной промышленной среде.

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

Электрическая мощность в волокне может быть измерена с помощью структурированного оптоволоконного датчика силы тока, соединенного с соответствующей обработкой сигнала в схеме поляриметрического обнаружения. Эксперименты были проведены в поддержку метода.[17]

Волоконно-оптические датчики используются в электрических Распредустройство передавать свет от электрического дуговая вспышка к цифровое защитное реле для быстрого отключения выключателя для снижения энергии дуги.[18]

Волоконно-оптические датчики на основе волоконной брэгговской решетки значительно повышают производительность, эффективность и безопасность в нескольких отраслях промышленности. Благодаря интегрированной технологии FBG датчики могут предоставлять подробный анализ и исчерпывающие отчеты с очень высоким разрешением. Датчики этого типа широко используются в нескольких отраслях, таких как телекоммуникационная, автомобильная, аэрокосмическая, энергетическая и т. Д.[нужна цитата ] Волоконные брэгговские решетки чувствительны к статическому давлению, механическому растяжению и сжатию, а также к изменениям температуры волокна. Эффективность волоконно-оптических датчиков на основе волоконной брэгговской решетки может быть обеспечена за счет регулировки центральной длины волны источника излучения в соответствии с текущими спектрами отражения брэгговских решеток.[19]

Внешние датчики

Внешние оптоволоконные датчики используют оптоволоконный кабель, обычно многомодовый один, чтобы передать модулированный свет от неволоконного оптического датчика или электронного датчика, подключенного к оптическому передатчику. Основным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать мест, которые иначе недоступны. Примером может служить измерение температуры внутри самолет реактивные двигатели с помощью волокна для передачи радиация в радиацию пирометр расположен вне двигателя. Внешние датчики также могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрические трансформаторы, где крайняя электромагнитные поля настоящее делает невозможным использование других методов измерения.

Внешние оптоволоконные датчики обеспечивают отличную защиту измерительных сигналов от искажения шума. К сожалению, многие традиционные датчики выдают электрический выходной сигнал, который необходимо преобразовать в оптический сигнал для использования с оптоволокном. Например, в случае платиновый термометр сопротивления, изменения температуры переводятся в изменения сопротивления. Поэтому PRT должен иметь источник питания. Затем модулированный уровень напряжения на выходе PRT может быть введен в оптическое волокно через передатчик обычного типа. Это усложняет процесс измерения и означает, что к датчику необходимо подводить силовые кабели 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 ограничено сердцевиной волокна на основе принципа полного внутреннего отражения (ПВО) и практически нулевых потерь распространения в оболочке, что очень важно для оптической связи, но ограничивает его приложения для восприятия из-за отсутствия взаимодействия света с окружающей средой. Следовательно, важно использовать новые волоконно-оптические структуры для нарушения распространения света, тем самым обеспечивая взаимодействие света с окружающей средой и создавая волоконно-оптические датчики. До сих пор было предложено несколько методов, в том числе полировка, химическое травление, сужение, изгиб, а также запись на фемтосекундной решетке для адаптации распространения света и ускорения взаимодействия света с чувствительными материалами. В вышеупомянутых волоконно-оптических структурах усиленные затухающие поля можно эффективно возбуждать, чтобы заставить свет воздействовать на окружающую среду и взаимодействовать с ней. Однако сами волокна могут воспринимать только очень небольшое количество аналитов с низкой чувствительностью и нулевой селективностью, что значительно ограничивает их разработку и применение, особенно для биосенсоров, требующих как высокой чувствительности, так и высокой селективности. Чтобы решить эту проблему, эффективный способ - прибегнуть к чувствительным материалам, которые обладают способностью изменять свои свойства, такие как RI, поглощение, проводимость и т. Д., При изменении окружающей среды. В связи с быстрым развитием функциональных материалов в последние годы для изготовления волоконно-оптических химических сенсоров и биосенсоров доступны различные сенсорные материалы, включая графен, металлы и оксиды металлов, углеродные нанотрубки, нанопроволоки, наночастицы, полимеры, квантовые точки и т. Д. , эти материалы обратимо изменяют свою форму / объем при стимуляции окружающей средой (целевые аналитики), что затем приводит к изменению RI или поглощения чувствительных материалов. Следовательно, окружающие изменения будут регистрироваться и опрашиваться оптическими волокнами, реализуя чувствительные функции оптических волокон. В настоящее время используются различные оптоволоконные химические сенсоры и биосенсоры. [21]были предложены и продемонстрированы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Измерение деформации самолета в полете» (PDF).[мертвая ссылка ]
  2. ^ Strong, Andrew P .; Лис, Гарет; Hartog, Arthur H .; Туухиг, Ричард; Кадер, Камаль; Хилтон, Грэм (декабрь 2009 г.). «Интегрированная система мониторинга состояния трубопроводов». Международная конференция по нефтяным технологиям. Дои: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, Кайминь; Chen, Xianfeng F .; Чжан, Линь; Беннион, Ян; Флокхарт, Гордон М. Х .; MacPherson, William N .; Бартон, Джеймс С .; Джонс, Джулиан Д. С. (июль 2004 г.). «Реализация векторных датчиков изгиба с использованием длиннопериодных решеток, УФ-вписанных в волокна специальной формы». Измерительная наука и техника. 15 (8): 1647–1650. Дои:10.1088/0957-0233/15/8/037. В архиве из оригинала 2011-08-15. Получено 2011-06-15.
  5. ^ «Использование датчиков с двойной решеткой, образованных различными типами волоконных брэгговских решеток, для одновременного измерения температуры и деформации».
  6. ^ Рот, Вольф-Дитер (18 апреля 2005 г.). "Der Glasfaser-Schallwandler". Heise Online (на немецком). В архиве из оригинала от 07.12.2008. Получено 2008-07-04.
  7. ^ «Пример из практики: теперь вы меня слышите?». Rt Изображение. Издательство Valley Forge. С. 30–31. Архивировано из оригинал на 2011-07-25. Получено 2010-03-11.
  8. ^ Sensornet. «Практический пример разведки и добычи нефти и газа». Архивировано из оригинал (pdf) на 2011-10-05. Получено 2008-12-19.
  9. ^ Schlumberger. "Описание продукта Wellwatcher DTS Fiber Optic Monitoring". Архивировано из оригинал (pdf) на 2011-09-28. Получено 2010-09-22.
  10. ^ Трпковский, С .; Wade, S.A .; Baxter, G.W .; Коллинз, С. Ф. (2003). «Двойной датчик температуры и деформации с использованием комбинированной волоконной брэгговской решетки и метода соотношения интенсивностей флуоресценции в Er3+легированное волокно ». Обзор научных инструментов. 74 (5): 2880. Дои:10.1063/1.1569406. Архивировано из оригинал на 2012-07-20. Получено 2008-07-04.
  11. ^ «Оптические датчики для магнитов ИТЭР». В архиве из оригинала на 24.01.2016. Получено 2015-08-04.
  12. ^ ДеМигель-Сото, Вероника (2018). «Сверхдлинная (290 км) сенсорная сеть дистанционного опроса на основе волоконного лазера с произвольной распределенной обратной связью». Оптика Экспресс. 26 (21): 27189–27200. Дои:10.1364 / OE.26.027189. HDL:2454/31116. PMID  30469792.
  13. ^ Сото, Марсело А .; Ангуло-Винуэса, Ксабье; Мартин-Лопес, Соня; Чин, Санг-Хун; Аниа-Кастанон, Хуан Диего; Корредера, Педро; Роша, Этьен; Гонсалес-Эрраес, Мигель; Тевеназ, Люк (2004). «Увеличение реальной удаленности оптических анализаторов волокна Бриллюэна с большой дальностью действия». Журнал технологии световых волн. 32 (1): 152–162. CiteSeerX  10.1.1.457.8973. Дои:10.1109 / JLT.2013.2292329. В архиве из оригинала на 24.01.2016. Получено 2015-08-03.
  14. ^ Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с оптоволоконной технологией. Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. С. Глава 7. ISBN  978-0-12-487430-5.
  15. ^ Ghosh, S.K .; Саркар, С.К .; Чакраборти, С. (2002). «Проектирование и разработка оптоволоконного датчика внутреннего напряжения». Материалы 12-го Международного симпозиума IMEKO TC4, часть 2: 415–419.
  16. ^ Ghosh, S.K .; Саркар, С.К .; Чакраборти, С .; Дэн, С. (2006). «Воздействие высокочастотного электрического поля на плоскость поляризации в одномодовом оптическом волокне». Труды, Фотоника 2006.[ненадежный источник? ]
  17. ^ Ghosh, S.K .; Саркар, С.К .; Чакраборти, С. (2006). «Предложение для одномодовой оптоволоконной схемы измерения мощности». Журнал оптики (Калькутта). 35 (2): 118–124. Дои:10.1007 / BF03354801. ISSN  0972-8821.
  18. ^ Zeller, M .; Шеер, Г. (2008). «Добавьте безопасность срабатывания в систему обнаружения дуговых вспышек для обеспечения безопасности и надежности, материалы 35-й ежегодной конференции по реле защиты Western, Спокан, Вашингтон».
  19. ^ Алейник А.С .; Киреенкова А.Ю .; Мехренгин М.В .; Чиргин М.А .; Беликин М.Н. (2015). «Регулировка центральной длины волны источника излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконно-оптических брэгговских решеток». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики. 15 (5): 809–816. Дои:10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816.
  20. ^ Roland, U .; и другие. (2003). «Новый волоконно-оптический термометр и его применение для управления технологическим процессом в сильных электрических, магнитных и электромагнитных полях» (PDF). Сенсорные письма. 1: 93–8. Дои:10.1166 / sl.2003.002. В архиве из оригинала от 29.11.2014. Получено 2014-11-21.
  21. ^ Инь, Мин-цзе; Гу, Бобо; Ань, Цюань-Фу; Ян, Чэнбинь; Гуань, Юн Лян; Йонг, Кен-Тай (1 декабря 2018 г.). «Последние разработки волоконно-оптических химических сенсоров и биосенсоров: механизмы, материалы, микро / нанотехнологии и приложения». Обзоры координационной химии. 376: 348. Дои:10.1016 / j.ccr.2018.08.001.