stringtranslate.com

Оптоволоконный датчик

Волоконно -оптический датчик — это датчик , в котором оптоволокно используется либо в качестве чувствительного элемента («встроенные датчики»), либо в качестве средства передачи сигналов от удаленного датчика к электронике, обрабатывающей сигналы («внешние датчики»). Волокна имеют множество применений в дистанционном зондировании. В зависимости от применения можно использовать волокно из-за его небольшого размера, или потому, что в удаленном месте не требуется электропитание , или потому, что множество датчиков можно мультиплексировать по длине волокна, используя сдвиг длины волны света для каждого датчика, или путем измерения временной задержки при прохождении света по волокну через каждый датчик. Временную задержку можно определить с помощью такого устройства, как оптический рефлектометр во временной области , а сдвиг длины волны можно рассчитать с помощью 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 быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокие температуры.

Внутренние датчики

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, изменяющие интенсивность света, являются самыми простыми, поскольку требуются только простой источник и детектор. Особенно полезной особенностью собственных волоконно-оптических датчиков является то, что они могут, при необходимости, обеспечивать распределенное измерение на очень больших расстояниях. [2]

Температуру можно измерить, используя волокно с затухающими потерями, которые изменяются в зависимости от температуры, или анализируя рэлеевское рассеяние , комбинационное рассеяние или рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне. Электрическое напряжение можно обнаружить с помощью нелинейных оптических эффектов в специально легированном волокне, которые изменяют поляризацию света в зависимости от напряжения или электрического поля. Датчики измерения угла могут быть основаны на эффекте Саньяка .

Для распознавания направления можно использовать специальные волокна, такие как оптические волокна с длиннопериодной решеткой (LPG) [3] . Группа исследований фотоники Астонского университета в Великобритании имеет несколько публикаций о применении датчиков векторного изгиба. [4] [5]

Оптические волокна используются в качестве гидрофонов для сейсмических и гидролокационных приложений. Разработаны гидрофонные системы с более чем сотней датчиков на оптоволоконный кабель. Сенсорные системы гидрофонов используются нефтяной промышленностью, а также военно-морскими силами некоторых стран. Используются как донные группы гидрофонов, так и буксируемые косы. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон для использования с оптическими волокнами. [6]

Волоконно -оптический микрофон и оптоволоконные наушники полезны в зонах 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 контролем 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 интерферометрические датчики, такие как оптоволоконные гироскопы , которые используются в Боинге 767 и в некоторых моделях автомобилей (для навигационных целей). Они также используются для изготовления датчиков водорода .

Волоконно-оптические датчики были разработаны для одновременного измерения температуры и деформации с очень высокой точностью с использованием волоконных решеток Брэгга . [10] Это особенно полезно при получении информации от небольших или сложных структур. [11] Оптоволоконные датчики также особенно хорошо подходят для дистанционного мониторинга: их можно опрашивать на расстоянии 290 км от станции мониторинга с помощью оптоволоконного кабеля. [12] Эффекты рассеяния Бриллюэна также можно использовать для обнаружения деформации и температуры на больших расстояниях (20–120 километров). [13] [14]

Другие примеры

Волоконно-оптический датчик переменного/постоянного напряжения в среднем и высоком диапазоне напряжений (100–2000 В) может быть создан путем создания измеримой степени керровской нелинейности в одномодовом оптическом волокне путем воздействия на расчетную длину волокна внешним электрическим полем. . [15] Методика измерения основана на поляриметрическом обнаружении, и высокая точность достигается в агрессивной промышленной среде.

Электромагнитные поля высокой частоты (5 МГц–1 ГГц) можно обнаружить с помощью наведенных нелинейных эффектов в волокне подходящей структуры. Используемое волокно спроектировано таким образом, что эффекты Фарадея и Керра вызывают значительное изменение фазы в присутствии внешнего поля. [16] [ ненадежный источник? ] При соответствующей конструкции датчика этот тип волокна можно использовать для измерения различных электрических и магнитных величин, а также различных внутренних параметров материала волокна.

Электрическую мощность можно измерить в оптоволокне с помощью датчика силы тока из структурированного оптоволокна в сочетании с соответствующей обработкой сигнала в схеме поляриметрического обнаружения. Были проведены эксперименты в поддержку этой методики. [17]

Волоконно-оптические датчики используются в электрических распределительных устройствах для передачи света от вспышки электрической дуги на цифровое защитное реле , что обеспечивает быстрое срабатывание выключателя и снижение энергии дугового разряда. [18]

Оптоволоконные датчики на основе волоконно-оптических решеток Брэгга значительно повышают производительность, эффективность и безопасность в ряде отраслей. Благодаря интегрированной технологии FBG датчики могут предоставлять подробный анализ и подробные отчеты с очень высоким разрешением. Датчики такого типа широко используются в нескольких отраслях, таких как телекоммуникации, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, энергетика и т. д. Волоконные брэгговские решетки чувствительны к статическому давлению, механическому натяжению и сжатию, а также к изменениям температуры волокна. Эффективность волоконно-оптических датчиков на основе волоконно-оптических решеток Брэгга может быть обеспечена за счет регулировки центральной длины волны источника излучения в соответствии с текущими спектрами отражения решеток Брэгга. [19]

Внешние датчики

Внешние оптоволоконные датчики используют оптоволоконный кабель , обычно многомодовый , для передачи модулированного света либо от неволоконного оптического датчика, либо от электронного датчика, подключенного к оптическому передатчику. Основным преимуществом внешних датчиков является их способность достигать мест, которые иначе недоступны. Примером может служить измерение температуры внутри реактивных двигателей самолетов с использованием оптоволокна для передачи излучения в радиационный пирометр, расположенный снаружи двигателя. Внешние датчики также могут использоваться для измерения внутренней температуры электрических трансформаторов , где сильные электромагнитные поля делают невозможными другие методы измерения.

Внешние оптоволоконные датчики обеспечивают превосходную защиту измерительных сигналов от помех. К сожалению, многие обычные датчики производят электрический выходной сигнал, который необходимо преобразовать в оптический сигнал для использования по оптоволокну. Например, в случае платинового термометра сопротивления изменения температуры преобразуются в изменения сопротивления. Поэтому PRT должен иметь источник электропитания. Модулированный уровень напряжения на выходе ПТС затем может быть подан в оптоволокно через передатчик обычного типа. Это усложняет процесс измерения и означает, что к преобразователю необходимо прокладывать низковольтные силовые кабели.

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 ограничивается сердцевиной волокна на основе принципа полного внутреннего отражения (TIR) ​​и почти нулевых потерь при распространении внутри оболочки, что очень важно для оптической связи, но ограничивает его сенсорные приложения из-за невзаимодействия света с окружающей средой. Поэтому 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, включая полировку, химическое травление, конусность, изгиб, а также запись на фемтосекундной решетке, чтобы адаптировать распространение света и обеспечить взаимодействие света с чувствительными материалами. В вышеупомянутых волоконно-оптических структурах усиленные затухающие поля могут эффективно возбуждаться, чтобы заставить свет подвергаться воздействию окружающей среды и взаимодействовать с ней. Однако сами волокна могут воспринимать лишь очень немногие виды аналитов с низкой чувствительностью и нулевой селективностью, что значительно ограничивает их разработку и применение, особенно для биосенсоров, которые требуют как высокой чувствительности, так и высокой селективности. Чтобы решить эту проблему, эффективным способом является использование чувствительных материалов, 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 датчиков и биосенсоров доступны различные чувствительные материалы, включая графен, металлы и оксиды металлов, углеродные нанотрубки, нанопроволоки, наночастицы, полимеры, квантовые точки и т. д. Эти материалы обратимо меняют свою форму/объем при стимуляции окружающей средой (целевыми аналитиками), что затем приводит к изменению RI или поглощению чувствительных материалов. Следовательно, окружающие изменения будут записываться и опрашиваться оптическими волокнами, реализуя сенсорные функции оптических волокон. В настоящее время предложены и продемонстрированы различные волоконно-оптические химические сенсоры и биосенсоры [21] .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Измерение нагрузки на самолет в полете» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2022 года . Проверено 25 июля 2013 г.
  2. ^ Стронг, Эндрю П.; Лиз, Гарет; Хартог, Артур Х.; Тухиг, Ричард; Кадер, Камаль; Хилтон, Грэм (декабрь 2009 г.). «Комплексная система мониторинга состояния трубопроводов». Международная конференция нефтяных технологий . Международная конференция нефтяных технологий. doi : 10.2523/IPTC-13661-MS.
  3. ^ «Датчики изгиба с распознаванием направления на основе длиннопериодных решеток, написанных в D-образном волокне Д. Чжао и т. д.»
  4. ^ Чжао, Дунхуэй; Чжоу, Каймин; Чен, Сяньфэн Ф.; Чжан, Линь; Беннион, Ян; Флокхарт, Гордон М.Х.; Макферсон, Уильям Н.; Бартон, Джеймс С.; Джонс, Джулиан, округ Колумбия (июль 2004 г.). «Реализация векторных датчиков изгиба с использованием длиннопериодных решеток, вписанных УФ-излучением в волокна специальной формы». Измерительная наука и технология . 15 (8): 1647–1650. дои : 10.1088/0957-0233/15/8/037. Архивировано из оригинала 15 августа 2011 года . Проверено 15 июня 2011 г.
  5. ^ «Использование датчиков с двойной решеткой, образованных различными типами волоконных брэгговских решеток, для одновременных измерений температуры и деформации».
  6. ↑ Рот, Вольф-Дитер (18 апреля 2005 г.). «Дер Гласфазер-Шальвандлер». Heise Online (на немецком языке). Архивировано из оригинала 7 декабря 2008 года . Проверено 4 июля 2008 г.
  7. ^ «Пример из практики: ты меня сейчас слышишь?». Изображение Rt . Издательство Valley Forge. стр. 30–31. Архивировано из оригинала 25 июля 2011 года . Проверено 11 марта 2010 г.
  8. ^ Сенсорнет. «Пример разведки и добычи нефти и газа». Архивировано из оригинала (pdf) 5 октября 2011 года . Проверено 19 декабря 2008 г.
  9. ^ Шлюмберже. «Информация о продукции Wellwatcher DTS для оптоволоконного мониторинга» . Архивировано из оригинала (pdf) 28 сентября 2011 года . Проверено 22 сентября 2010 г.
  10. ^ Трпковский, С.; Уэйд, ЮАР; Бакстер, GW; Коллинз, Сан-Франциско (2003). «Двойной датчик температуры и деформации с использованием комбинированной волоконной брэгговской решетки и метода определения соотношения интенсивностей флуоресценции в волокне, легированном Er3+». Обзор научных инструментов . 74 (5): 2880. дои : 10.1063/1.1569406 . Архивировано из оригинала 20 июля 2012 года . Проверено 4 июля 2008 г.
  11. ^ «Оптические датчики для магнитов ИТЭР». Архивировано из оригинала 24 января 2016 года . Проверено 4 августа 2015 г.
  12. ^ ДеМигель-Сото, Вероника (2018). «Сверхдлинная (290 км) сенсорная сеть дистанционного опроса на основе волоконного лазера со случайной распределенной обратной связью». Оптика Экспресс . 26 (21): 27189–27200. дои : 10.1364/OE.26.027189. HDL : 2454/31116 . ПМИД  30469792.
  13. ^ Сото, Марсело А.; Ангуло-Винуэса, Хавьер; Мартин-Лопес, Соня; Чин, Сан-Хун; Аня-Кастанон, Хуан Диего; Корредера, Педро; Роша, Этьен; Гонсалес-Эрраес, Мигель; Тевеназ, Люк (2004). «Расширение реальной удаленности бриллюэновских оптических анализаторов волокон во временной области» . Журнал световых технологий . 32 (1): 152–162. CiteSeerX 10.1.1.457.8973 . дои : 10.1109/JLT.2013.2292329. Архивировано из оригинала 24 января 2016 года . Проверено 3 августа 2015 г. 
  14. ^ Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с использованием оптоволоконной технологии . Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. стр. Глава 7. ISBN 978-0-12-487430-5.
  15. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С. (2002). «Проектирование и разработка оптоволоконного датчика собственного напряжения». Материалы 12-го Международного симпозиума IMEKO TC4. Часть 2 : 415–419.
  16. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С.; Дэн, С. (2006). «Влияние высокочастотного электрического поля на плоскость поляризации в одномодовом оптическом волокне». Труды Фотоники 2006 .
  17. ^ Гош, СК; Саркар, СК; Чакраборти, С. (2006). «Предложение по схеме измерения ватт одномодового оптоволокна». Журнал оптики (Калькутта) . 35 (2): 118–124. дои : 10.1007/BF03354801. ISSN  0972-8821.
  18. ^ Целлер, М.; Шеер, Г. (2008). «Добавьте безопасность отключения к обнаружению вспышки дуги для обеспечения безопасности и надежности», Материалы 35-й ежегодной конференции Western Protective Relay, Спокан, Вашингтон».
  19. ^ Алейник А.С.; Киреенкова А.Ю.; Мехренгин М.В.; Чиргин М.А.; Беликин М.Н. (2015). «Центральная регулировка длины волны источника излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконно-оптических решеток Брэгга». Научно-технический журнал информационных технологий, механики и оптики . 15 (5): 809–816. дои : 10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816 .
  20. ^ Роланд, Ю.; и другие. (2003). «Новый оптоволоконный термометр и его применение для управления процессами в сильных электрических, магнитных и электромагнитных полях» (PDF) . Сенсорные буквы . 1 : 93–8. дои : 10.1166/sl.2003.002. Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 года . Проверено 21 ноября 2014 г.
  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 датчиков и биосенсоров: механизмы, материалы, микро/нанотехнологии и приложения». Обзоры координационной химии . 376 : 348. doi :10.1016/j.ccr.2018.08.001.