Wprowadzenie do czujników światłowodowych i ich typów z zastosowaniami

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W 1960 roku wynaleziono światło laserowe, a po wynalezieniu laserów naukowcy wykazali zainteresowanie badaniem zastosowań światłowodowych systemów komunikacyjnych do wykrywania, przesyłania danych i wielu innych zastosowań. Następnie system komunikacji światłowodowej stał się ostatecznym wyborem dla transmisji danych w gigabitach i więcej niż gigabity. Ten rodzaj komunikacji światłowodowej służy do przesyłania danych, głosu, telemetrii i wideo za pośrednictwem komunikacji na duże odległości lub sieci komputerowych lub sieci LAN. Ta technologia wykorzystuje falę świetlną do przesyłania danych przez światłowód, zmieniając sygnały elektroniczne w światło. Niektóre z doskonałych cech charakterystycznych tej technologii to niewielka waga, niskie tłumienie, mniejsza średnica, transmisja sygnału na duże odległości, bezpieczeństwo transmisji i tak dalej.

Czujniki światłowodowe

Czujniki światłowodowe



Co istotne, plik technologia telekomunikacyjna zmienił ostatnie postępy w technologii światłowodowej. Ostatnia rewolucja pojawiła się jako projektanci, aby połączyć produktywne wyniki urządzenia optoelektroniczne z urządzeniami telekomunikacyjno-światłowodowymi do tworzenia czujników światłowodowych. Wiele komponentów związanych z tymi urządzeniami jest często opracowywanych do zastosowań w czujnikach światłowodowych. W miejsce tradycyjnego czujnika zwiększyła się zdolność czujników światłowodowych.


Czujniki światłowodowe

Czujniki światłowodowe zwane również czujnikami światłowodowymi wykorzystują światłowód lub element czujnikowy. Czujniki te służą do wykrywania pewnych wielkości, takich jak temperatura, ciśnienie, wibracje, przemieszczenia, obroty lub stężenie substancji chemicznych. Włókna mają tak wiele zastosowań w dziedzinie teledetekcji, ponieważ nie wymagają zasilania elektrycznego w odległej lokalizacji i mają niewielkie rozmiary.



Czujniki światłowodowe są doskonałe w niewrażliwych warunkach, w tym w hałasie, wysokich wibracjach, ekstremalnych temperaturach, wilgotnych i niestabilnych środowiskach. Czujniki te można łatwo dopasować do małych obszarów i można je prawidłowo ustawić wszędzie tam, gdzie potrzebne są elastyczne włókna. Przesunięcie długości fali można obliczyć za pomocą urządzenia, optycznej reflektometrii w dziedzinie częstotliwości. Opóźnienie czasowe czujników światłowodowych można określić za pomocą urządzenia, takiego jak optyczny reflektometr w dziedzinie czasu.

Schemat blokowy czujnika światłowodowego

Schemat blokowy czujnika światłowodowego

Ogólny schemat blokowy czujnika światłowodowego pokazano powyżej. Schemat blokowy składa się ze źródła optycznego ( Dioda LED , LASER i dioda laserowa), światłowód, element czujnikowy, detektor optyczny i urządzenia do przetwarzania końcowego (analizator widma optycznego, oscyloskop). Czujniki te są podzielone na trzy kategorie w oparciu o zasady działania, lokalizację czujnika i zastosowanie.

Rodzaje systemów czujników światłowodowych

Czujniki te można sklasyfikować i wyjaśnić w następujący sposób:


1. W zależności od lokalizacji czujnika, czujniki światłowodowe dzieli się na dwa typy:

  • Wewnętrzne czujniki światłowodowe
  • Zewnętrzny czujnik światłowodowy

Czujniki światłowodowe typu wewnętrznego

W tego typu czujnikach wykrywanie odbywa się w samym włóknie. Czujniki zależą od właściwości samego włókna światłowodowego, aby przekształcić działanie środowiska w modulacja przechodzącej przez nią wiązki światła. Tutaj jedna z właściwości fizycznych sygnału świetlnego może mieć postać częstotliwości, fazy, natężenia polaryzacji. Najbardziej użyteczną cechą wewnętrznego czujnika światłowodowego jest to, że zapewnia on rozproszone wykrywanie na duże odległości. Podstawową koncepcję wewnętrznego czujnika światłowodowego przedstawiono na poniższym rysunku.

Czujniki światłowodowe typu wewnętrznego

Czujniki światłowodowe typu wewnętrznego

Czujniki światłowodowe typu zewnętrznego

W czujnikach światłowodowych typu zewnętrznego światłowód może służyć jako nośnik informacji wskazujący drogę do czarnej skrzynki. Generuje sygnał świetlny w zależności od informacji docierających do czarnej skrzynki. Czarna skrzynka może być wykonana z luster,gaz lub inne mechanizmy generujące sygnał optyczny. Czujniki te służą do pomiaru obrotów, prędkości drgań, przemieszczenia, skręcenia, momentu obrotowego i przyspieszenia. Głównym korzyści z tych czujników to ich zdolność do dotarcia do miejsc, które w innym przypadku są nieosiągalne.

Czujniki światłowodowe typu zewnętrznego

Czujniki światłowodowe typu zewnętrznego

Najlepszym przykładem tego czujnika jest pomiar temperatury wewnętrznej silnika odrzutowego samolotu, który wykorzystuje światłowód do przesyłania promieniowania do pirometru radiacyjnego, który znajduje się na zewnątrz silnika. W ten sam sposób czujniki te mogą być również używane do pomiaru temperatury wewnętrznej transformatory . Czujniki te zapewniają doskonałą ochronę sygnałów pomiarowych przed zakłóceniami. Poniższy rysunek przedstawia podstawową koncepcję zewnętrznego czujnika światłowodowego.

2. W oparciu o zasady działania czujniki światłowodowe dzieli się na trzy typy:

  • Na podstawie intensywności
  • Na podstawie fazy
  • Oparta na polaryzacji

Czujnik światłowodowy oparty na intensywności

Czujniki światłowodowe oparte na natężeniu wymagają więcej światła, a czujniki te wykorzystują wielomodowe włókna rdzeniowe o dużym rdzeniu. Na rysunku pokazano, jak natężenie światła działa jako parametr wykrywania, a także jak to ustawienie sprawia, że ​​światłowód działa jako czujnik wibracji. Kiedy pojawi się wibracja, nastąpi zmiana w świetle wstawionym z jednego końca na drugi, a to uczyni inteligencję do pomiaru amplitudy wibracji.

Czujnik światłowodowy oparty na intensywności

Czujnik światłowodowy oparty na intensywności

Na rysunku im bliższy światłowód i czujnik drgań zależą od natężenia światła w dalszych częściach. Czujniki te mają wiele ograniczeń ze względu na zmienne straty w systemie, które nie występują w środowisku. Te zmienne straty obejmują straty spowodowane połączeniami, straty na zgięciach mikro i makro, straty spowodowane połączeniami na złączach itp. Przykłady obejmują czujniki oparte na intensywności lub czujnik mikrozgięć i czujnik fali zanikającej.

Zalety tych czujników światłowodowych to niski koszt, możliwość działania jako rzeczywiste czujniki rozproszone, bardzo prosta implementacja, możliwość multipleksowania itp. Wady obejmują zmienność natężenia światła i pomiary względne itp.

Czujnik światłowodowy oparty na polaryzacji

Światłowody oparte na polaryzacji są ważne dla pewnej klasy czujników. Ta właściwość może być po prostu zmodyfikowana przez różne zmienne zewnętrzne, a tym samym te rodzaje czujników może służyć do pomiaru szeregu parametrów.Opracowano specjalne włókna i inne komponenty z dokładną polaryzacją. Ogólnie rzecz biorąc, są one używane w różnych zastosowaniach pomiarowych, komunikacyjnych i przetwarzających sygnały.

Czujnik światłowodowy oparty na polaryzacji

Czujnik światłowodowy oparty na polaryzacji

Powyżej przedstawiono układ optyczny czujnika światłowodowego opartego na polaryzacji. Jest kształtowany przez polaryzację światła ze źródła światła przez polaryzator. Światło spolaryzowane zaczyna się pod kątem 45o do wybranych osi długości włókna chroniącego przed polaryzacją dwójłomną. Ta część światłowodu służy jako włókno czujnikowe. Następnie różnica faz między dwoma stanami polaryzacji jest zmieniana pod wpływem wszelkich zakłóceń zewnętrznych, takich jak naprężenie lub odkształcenie. Następnie w zależności od zakłóceń zewnętrznych następuje zmiana polaryzacji wyjścia, dzięki czemu, biorąc pod uwagę stan polaryzacji wyjścia na kolejnym końcu światłowodu, można wykryć zakłócenia zewnętrzne.

Fazowy czujnik światłowodowy

Tego typu czujniki są używane do zmiany światła emitera na sygnał informacyjny, przy czym sygnał jest obserwowany przez czujnik światłowodowy oparty na fazie. Kiedy wiązka światła przechodzi przez interferometr, to światło rozdziela się na dwie wiązki, w których jedna wiązka jest wystawiona na działanie środowiska wykrywania, a druga jest izolowana od środowiska wykrywania, które jest używane jako odniesienie. Gdy dwie oddzielne belki zostaną ponownie połączone, przeszkadzają sobie nawzajem. Najczęściej stosowanymi interferometrami są Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, interferometry siatkowe i polarymetryczne. Tutaj poniżej pokazano interferometry Mach Zehndera i Michelsona.

Fazowy czujnik światłowodowy

Fazowy czujnik światłowodowy

tutaj są różnice i podobieństwa między dwoma interferometrami. Jeśli chodzi o podobieństwa, interferometr Michelsona jest często uważany za składany interferometr Mach Zehndera. Konfiguracja interferometru Michelsona wymaga tylko jednego sprzęgacza światłowodowego. Ponieważ światło przechodzi dwukrotnie przez światłowód czujnikowy i referencyjny, optyczne przesunięcie fazowe na jednostkę długości światłowodu jest podwojone. Tak więc Michelson może mieć zasadniczo lepszą czułość. Inną wyraźną zaletą Michelsona jest to, że czujnik może być odczytywany za pomocą tylko jednego włókna między źródłem a modułem detektora źródła. Jednak dla interferometru Michelsona wymagane jest lustro refleksyjne dobrej jakości

3. W zależności od zastosowania, czujniki światłowodowe są podzielone na trzy typy, takie jak

  • Czujnik chemiczny
  • Czujnik fizyczny
  • Bio Medical Sensor

Czujnik chemiczny

Czujnik chemiczny to urządzenie, które służy do przetwarzania informacji chemicznych w postaci mierzalnego sygnału fizycznego związanego ze stężeniem określonego rodzaju chemicznego. Czujnik chemiczny jest ważnym elementem analizatora i może obejmować niektóre urządzenia, które wykonują następujące czynności: funkcje: przetwarzanie sygnałów, próbkowanie i przetwarzanie danych. Analizator może być ważną częścią zautomatyzowanego systemu.

Czujnik chemiczny

Czujnik chemiczny

Praca analizatora zgodnie z planem pobierania próbek w funkcji czasu pełni rolę monitora. Czujniki te obejmują dwie jednostki funkcjonalne: receptor i przetwornik. W części odbiorczej informacja chemiczna jest przetwarzana na energię, która może być zmierzona przez przetwornik, aw części przetwornika informacja chemiczna jest przetwarzana na sygnał analityczny i nie wykazuje czułości.

Czujnik fizyczny

Czujnik fizyczny to urządzenie wykonane zgodnie z efektem fizycznym i naturą. Czujniki te służą do dostarczania informacji o właściwościach fizycznych systemu. Ten typ czujników jest najczęściej oznaczany przez czujniki, takie jak czujniki fotoelektryczne, czujniki piezoelektryczne , metalowych oporowych czujników naprężeniowych i półprzewodnikowych czujników piezorezystancyjnych.

Bio Medical Sensor

Czujnik biomedyczny to urządzenie elektroniczne, które służy do przenoszenia różnych wielkości nieelektrycznych w polach biomedycznych na łatwo wykrywalne wielkości elektryczne. Z tego powodu czujniki te są uwzględniane w analizie opieki zdrowotnej. Ta technologia wykrywania jest kluczem do gromadzenia ludzkich patologicznych i fizjologicznych informacji.

Bio Medical Sensor

Bio Medical Sensor

Zastosowania czujników światłowodowych

Czujniki światłowodowe są używane w różnych zastosowaniach, takich jak

  • Pomiar właściwości fizycznych, takich jak temperatura, przemieszczenie,prędkość, odkształcenie w konstrukcjach o dowolnej wielkości i dowolnym kształcie.
  • W czasie rzeczywistym monitorowanie fizycznej struktury zdrowia.
  • Budynki i mosty, tunele,Tamy, zabytkowe budowle.
  • Kamera noktowizyjna, elektroniczne systemy bezpieczeństwa , Wykrywanie wyładowań niezupełnych i pomiar obciążenia kół pojazdów.

Tak więc przegląd czujniki światłowodowe i aplikacje zostały omówione. Istnieje wiele zalet stosowania czujników światłowodowych do komunikacji na duże odległości, w tym niewielkie rozmiary, niewielka waga, kompaktowość, wysoka czułość, szerokie pasmo itp. Wszystkie te cechy pozwalają najlepiej wykorzystać światłowód jako czujnik. Poza tym za jakąkolwiek pomoc dotyczącą tego tematu lub pomysły projektowe oparte na czujnikach , możesz skontaktować się z nami, komentując w sekcji komentarzy poniżej.

Kredyty fotograficzne: