Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с оптоволоконного датчика )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Волоконно-оптический датчик представляет собой датчик , который использует оптическое волокно , либо в качестве чувствительного элемента ( «внутренних датчиков»), или в качестве средства ретрансляции сигналов от удаленного датчика к электронике , которые обрабатывают сигналы ( «внешние датчики»). Волокна находят множество применений в дистанционном зондировании. В зависимости от приложения может использоваться оптоволокно из-за его небольшого размера, или из-за того, что в удаленном месте не требуется электроэнергия , или из- за того, что многие датчики можно мультиплексировать по длине волокна, используя сдвиг длины волны света для каждого датчика, или путем определения временной задержки, когда свет проходит по оптоволокну через каждый датчик. Временную задержку можно определить с помощью такого устройства, как оптический рефлектометр во временной области.и сдвиг длины волны может быть вычислен с использованием прибора, реализующего рефлектометрию в оптической частотной области.

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

Внутренние датчики [ править ]

Оптические волокна можно использовать 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 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 непродолжительными потерями, которые зависят от температуры, или анализируя рэлеевское рассеяние , комбинационное рассеяние света или рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне. Электрическое напряжение может быть обнаружено с помощью нелинейных оптических эффектов в специально легированном волокне, которые изменяют поляризацию света в зависимости от напряжения или электрического поля. Датчики измерения углов могут быть основаны на эффекте Саньяка .

Для распознавания направления могут использоваться специальные волокна, такие как оптические волокна с длиннопериодической волоконной решеткой (LPG) [3] . Группа исследований фотоники Астонского университета в Великобритании опубликовала несколько публикаций по применению датчиков векторных изгибов. [4] [5]

Оптические волокна используются в качестве гидрофонов для сейсмических и гидроакустических приложений. 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 решетки гидрофонов, так и буксируемые косы. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон для работы с оптическими волокнами. [6]

Волоконно-оптический микрофон и волоконно-оптические на основе наушники полезны в районах с сильными электрическими или магнитными полями, такие как коммуникации среди команды людей , работающих на пациент внутри магнитно - резонансная томография (МРТ) машины во время МРТ-управляемой хирургии. [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 могут быть преобразованы в интерферометрические датчики, такие как оптоволоконные гироскопы , которые используются в Boeing 767 и некоторых моделях автомобилей (для целей навигации). Их также используют для изготовления датчиков водорода .

Волоконно-оптические датчики были разработаны для одновременного измерения температуры и деформации в одном месте с очень высокой точностью с использованием волоконных брэгговских решеток . [10] Это особенно полезно при получении информации из 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 можно также использовать для обнаружения деформации и температуры на больших расстояниях (20–120 километров). [13] [14]

Другие примеры [ править ]

Волоконно-оптический датчик напряжения переменного / постоянного тока в среднем и высоком диапазоне напряжений (100–2000 В) может быть создан путем создания измеримой керровской нелинейности 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 наведенных нелинейных эффектов в волокне с подходящей структурой. Используемое волокно сконструировано таким образом, что эффекты Фарадея и 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 в сочетании с соответствующей обработкой сигнала в схеме поляриметрического обнаружения. Эксперименты были проведены в поддержку методики. [17]

Волоконно-оптические датчики используются в электрических распределительных устройствах для передачи света от вспышки электрической дуги на цифровое защитное реле, чтобы обеспечить быстрое отключение выключателя для снижения энергии дуги. [18]

Оптоволоконные 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 промышленности, таких как телекоммуникации, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, энергетика и т. Д. [ Цитата необходима ] Волоконно-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 светоизлучающего источника в соответствии с текущими спектрами отражения брэгговских решеток. [19]

Внешние датчики [ править ]

Внешние оптоволоконные датчики используют волоконно-оптический кабель , обычно многомодовый , для передачи модулированного света либо от неволоконно-оптического датчика, либо от электронного датчика, подключенного к оптическому передатчику. Основным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать мест, которые в противном случае недоступны. Примером является измерение температуры внутри самолета реактивных двигателей с использованием волокна для передачи излучения в радиационной пирометром , расположенным вне двигателя. Внешние датчики также могут использоваться таким же образом для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов , где действуют экстремальные 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 платинового термометра сопротивления изменения температуры преобразуются 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 [ править ]

Хорошо известно, что распространение света в оптическом волокне ограничено сердцевиной волокна на основе принципа полного внутреннего отражения (ПВО) и почти 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 структурахусиленные исчезающие поля могут быть эффективно возбуждены, чтобы заставить свет воздействовать на окружающую среду 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, требующих как высокой чувствительности, так и высокой селективности. Чтобы решить эту проблему, эффективный способ состоит в том, чтобы 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. 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 чувствительные функции оптических волокон. В настоящее время используются различные оптоволоконные химические сенсоры и биосенсоры.В настоящее время используются различные волоконно-оптические химические сенсоры и биосенсоры.В настоящее время используются различные волоконно-оптические химические сенсоры и биосенсоры.[21] были предложены и продемонстрированы.

См. Также [ править ]

  • Распределенное акустическое зондирование

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Измерение деформации самолета в полете" (PDF) .[ мертвая ссылка ]
  2. ^ Сильный, Эндрю П .; Лис, Гарет; Hartog, Arthur H .; Туухиг, Ричард; Кадер, Камаль; Хилтон, Грэм (декабрь 2009 г.). «Интегрированная система мониторинга состояния трубопроводов». Международная конференция по нефтегазовым технологиям . DOI : 10,2523 / IPTC-13661-МС .
  3. ^ «Датчики изгиба с распознаванием направления на основе длиннопериодных решеток, записанных в D-образном волокне Д. Чжао и т . Д.» .
  4. ^ Чжао, Дунхуэй; Чжоу, Кайминь; Chen, Xianfeng F .; Чжан, Линь; Беннион, Ян; Flockhart, Gordon MH; Макферсон, Уильям Н .; Бартон, Джеймс С .; Джонс, Джулиан округ Колумбия (июль 2004 г.). «Реализация векторных датчиков изгиба с использованием длиннопериодных решеток, УФ-вписанных в волокна специальной формы» . Измерительная наука и технология . 15 (8): 1647–1650. DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 15/8/037 . Архивировано 15 августа 2011 года . Проверено 15 июня 2011 года .
  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 языке). Архивировано 7 декабря 2008 года . Проверено 4 июля 2008 года .
  7. ^ «Пример из практики: теперь вы меня слышите?» . Rt Изображение . Издательство Valley Forge. С. 30–31. Архивировано из оригинального 25 июля 2011 года . Проверено 11 марта 2010 года .
  8. ^ Сенсорнет. «Практический пример разведки и добычи нефти и газа» . Архивировано из оригинала (PDF) 5 октября 2011 года . Проверено 19 декабря 2008 года .
  9. ^ Шлюмберже. "Описание продукта Wellwatcher DTS Fiber Optic Monitoring" . Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2011 года . Проверено 22 сентября 2010 года .
  10. ^ Trpkovski, S .; Wade, SA; Бакстер, GW; Коллинз, С.Ф. (2003). «Двойной датчик температуры и деформации, использующий комбинированную технику брэгговской решетки и соотношения интенсивностей флуоресценции в волокне, легированном Er 3+ » . Обзор научных инструментов . 74 (5): 2880. DOI : 10,1063 / 1,1569406 . Архивировано из оригинального 20 -го июля 2012 года . Проверено 4 июля 2008 года .
  11. ^ «Оптические датчики для магнитов ИТЭР» . Архивировано 24 января 2016 года . Проверено 4 августа 2015 года .
  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. DOI : 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 Lightwave Technology . 32 (1): 152–162. CiteSeerX 10.1.1.457.8973 . DOI : 10,1109 / JLT.2013.2292329 . Архивировано 24 января 2016 года . Проверено 3 августа 2015 года . 
  14. ^ Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с помощью оптоволоконной технологии . Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. С. Глава 7. ISBN 978-0-12-487430-5.
  15. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С. (2002). «Проектирование и разработка волоконно-оптического датчика внутреннего напряжения». Материалы 12-го Международного симпозиума IMEKO TC4 Часть 2 : 415–419.
  16. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С .; Дэн, С. (2006). «Воздействие высокочастотного электрического поля на плоскость поляризации в одномодовом оптическом волокне». Труды, Фотоника 2006 .[ ненадежный источник? ]
  17. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С. (2006). «Предложение для одномодовой оптоволоконной схемы измерения мощности». Журнал оптики (Калькутта) . 35 (2): 118–124. DOI : 10.1007 / BF03354801 . ISSN 0972-8821 . 
  18. ^ Zeller, M .; Шеер, Г. (2008). «Добавьте безопасность срабатывания к обнаружению дуговых вспышек для обеспечения безопасности и надежности, Труды 35-й ежегодной Западной конференции по реле защиты, 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. DOI : 10.17586 / 2226-1494-2015-15-5-809-816 .
  20. ^ Roland, U .; и другие. (2003). «Новый волоконно-оптический термометр и его применение для управления технологическими процессами в сильных электрических, магнитных и электромагнитных полях» (PDF) . Сенсорные письма . 1 : 93–8. DOI : 10.1166 / sl.2003.002 . Архивировано 29 ноября 2014 года . Проверено 21 ноября 2014 года .
  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. DOI : 10.1016 / j.ccr.2018.08.001 .