Principio di classificazione e caratteristiche dei sensori in fibra ottica

Sensore di temperatura in fibra ottica, Sistema di monitoraggio intelligente, Produttore distribuito di fibre ottiche in Cina

Sensori in fibra ottica avere i vantaggi dell'interferenza elettromagnetica anti, forte resistenza agli incidenti, miniaturizzazione, e alta precisione. Promuovere l'applicazione dei sensori in fibra ottica in più settori, I progressi della ricerca sui sensori in fibra ottica sono stati riassunti. FJINO ha introdotto i componenti di base e i principi dei sensori in fibra ottica, e riassunto le caratteristiche di classificazione dei sensori in fibra ottica. Secondo il ruolo delle fibre ottiche nei sensori, Possono essere suddivisi in funzionali (tutte le fibre) Sensori in fibra ottica, Sensori a fibra ottica di tipo a trasmissione, e sensori in fibra ottica di tipo pickup. Secondo il metodo di modulazione delle onde luminose, Può essere suddiviso in sensori a fibra ottica di tipo a modulazione di intensità, Sensori a fibra ottica di tipo a modulazione di frequenza, Sensori a fibra ottica di tipo a modulazione di lunghezza d'onda, Sensori a fibra ottica a modulazione di fase, e sensori a fibra ottica di tipo a modulazione di polarizzazione. In base alla distribuzione dei target dei sensori, Può essere suddiviso in sensori a fibra ottica di tipo puntiforme, Sensori in fibra ottica quasi distribuiti, e sensori distribuiti in fibra ottica. I sensori a fibra ottica hanno un'ampia gamma di applicazioni in termini di temperatura, spostamento, e misurazione dei gas, e il trend di sviluppo futuro dei sensori in fibra ottica mostra una forte direzione.

I sensori sono stati ampiamente utilizzati nella vita quotidiana delle persone. Con l'emergere di una nuova generazione di fibre ottiche per mezzi di trasmissione, I sensori si sono ulteriormente sviluppati e sono emersi i sensori in fibra ottica. Il rapido sviluppo dei sensori in fibra ottica è iniziato nel 1977 ed è diventato sempre più maturo fino ad oggi. L'impatto di questa nuova tecnologia è attualmente molto evidente ed è uno dei segnali importanti del processo di informatizzazione umana. La fibra ottica è un eccellente componente sensibile adatto per la trasmissione remota e dispone di un ampio raggio di monitoraggio; Secondariamente, Le fibre ottiche hanno un volume ridotto, peso leggero, e può resistere alle interferenze elettromagnetiche e alle radiazioni nella trasmissione del segnale ottico, rendendoli adatti per il monitoraggio in ambienti difficili come quelli infiammabili, esplosivo, e le interferenze elettromagnetiche. Pertanto, I sensori in fibra ottica sono stati studiati e applicati in vari campi, Diventare leader nel settore dei sensori.

Questo articolo introduce principalmente i componenti di base e i principi dei sensori in fibra ottica, e dettaglia la classificazione dei sensori in fibra ottica secondo diversi metodi di classificazione, così come le loro applicazioni in temperatura, spostamento, e gas. Finalmente, Vengono discusse le tendenze di sviluppo future dei sensori in fibra ottica.

Principio del sensore a fibra ottica

I sensori in fibra ottica vengono utilizzati per convertire le informazioni misurate in segnali ottici misurabili, e la loro struttura di base è costituita da una sorgente luminosa, Componenti sensibili, fibra ottica e fotorivelatore, e sistema di elaborazione del segnale. I sensori in fibra ottica hanno funzioni di modulazione e demodulazione delle informazioni. La parte in cui vengono modulati i parametri ottici nel sensore a fibra ottica è chiamata zona di modulazione, e il fotorivelatore e la parte di elaborazione del segnale sono chiamati zona di demodulazione. Quando la luce emessa dalla sorgente luminosa è accoppiata nella fibra ottica ed entra nella zona di modulazione attraverso la fibra, le sue proprietà ottiche cambiano (come l'intensità, frequenza, lunghezza d’onda, fase, stato di polarizzazione, and so on.) a causa dell'influenza della luce misurata nella zona di modulazione, diventando la luce di segnalazione modulata. Dopo essere stato trasmesso attraverso fibre ottiche al fotorivelatore, Il fotorivelatore riceve il segnale ottico in ingresso ed esegue la conversione fotoelettrica per emettere un segnale elettrico. Finalmente, Il sistema di elaborazione del segnale elabora il segnale elettrico per ottenere i parametri rilevanti da misurare, che è la demodulazione.

Classificazione dei sensori in fibra ottica

Classificati in base al ruolo delle fibre ottiche nei sensori

Secondo il ruolo della fibra ottica nei sensori, I sensori a fibra ottica possono essere suddivisi in sensori a fibra ottica funzionali, Sensori a fibra ottica di trasmissione, e sensori in fibra ottica per pick-up.

(1) Sensore funzionale in fibra ottica.

Sensori funzionali in fibra ottica, Conosciuto anche come tutti i sensori in fibra ottica, sono costituiti da una fibra ottica continua che accoppia la fibra emettitrice della sorgente luminosa e la fibra ricevente del rivelatore di luce. Hanno due funzioni: trasmissione e rilevamento. I parametri misurati vengono modulati modificando direttamente alcuni parametri caratteristici di trasmissione della fibra ottica. Questo tipo di sensore ha una struttura compatta e un'elevata sensibilità, ma richiede l'uso di fibre ottiche speciali e tecnologie di rilevamento avanzate, come i giroscopi a fibre ottiche, idrofoni in fibra ottica, and so on.

(2) Sensore in fibra ottica per la trasmissione della luce.

La fibra ottica del sensore in fibra ottica di trasmissione svolge solo il ruolo di trasmissione delle onde luminose, e la sua regione di modulazione è esterna alla fibra ottica. La fibra trasmittente e la fibra ricevente non hanno continuità. Il principio è che la luce viene modulata dal parametro misurato quando viene irradiata sul dispositivo di modulazione esterno (elemento sensibile). I vantaggi di questo tipo di sensore sono la struttura semplice, Basso, e facile implementazione, ma la sua sensibilità è inferiore a quella dei sensori funzionali in fibra ottica. La maggior parte dei sensori in fibra ottica disponibili in commercio appartiene attualmente ai sensori in fibra ottica di trasmissione.

(3) Sensore in fibra ottica di tipo pick up.

Il sensore a fibra ottica di tipo pickup utilizza fibre ottiche come sonde per ricevere la luce irradiata dall'oggetto misurato o la luce riflessa o diffusa da esso e trasmetterla al fotorilevatore. Dopo l'elaborazione del segnale, si ottiene il parametro misurato. Il velocimetro Doppler laser a fibra è un tipico sensore a fibra di tipo pickup. La torbidità del fluido che può misurare è almeno 5 volte superiore a quello dei fluidi misurati in precedenza, Raggiungere la misura della velocità locale di fluidi opachi. Inoltre, I velocimetri Doppler sono utilizzati anche per misurare la velocità dei treni. I sensori di temperatura in fibra ottica riflettenti sono anche uno dei rappresentanti dei sensori in fibra ottica di tipo pickup.

Classificato in base al metodo di modulazione delle onde luminose

In base alle variazioni dei parametri fisici caratteristici delle onde luminose modulate da segnali esterni, I sensori a fibra ottica possono essere suddivisi in cinque tipi: Sensori a fibra ottica a modulazione di intensità, Sensori a fibre ottiche a modulazione di fase, Sensori in fibra ottica a modulazione di frequenza, Sensori a fibra ottica a modulazione di lunghezza d'onda, e sensori in fibra ottica a modulazione di polarizzazione.

(1) Sensore in fibra ottica a intensità modulata.

La modulazione di intensità è un metodo di modulazione relativamente semplice e ampiamente utilizzato nel rilevamento in fibra ottica. Il principio di base è che il parametro misurato modula la luce trasmessa nella fibra ottica per modificare l'intensità della luce, e quindi misura il parametro misurato rilevando la variazione dell'intensità della luce (cioè. demodulazione). La maggior parte dei sensori a fibra ottica modulati in intensità si basa sulla modulazione dell'intensità riflettente. Questo tipo di sensore ha una struttura semplice, Basso, ed è facile da implementare, ma è suscettibile alle fluttuazioni dell'intensità della sorgente luminosa. Lo sviluppo e l'applicazione di sensori in fibra ottica a intensità modulata sono iniziati prima, e negli ultimi anni, La ricerca è stata costantemente all'avanguardia e all'innovazione.

(2) Sensore in fibra ottica a modulazione di frequenza.

La modulazione ottica di frequenza si riferisce alla modulazione della frequenza della luce trasmessa in una fibra ottica in base al parametro misurato, e il rilevamento del parametro misurato attraverso l'offset di frequenza. Adesso, I sensori in fibra ottica a modulazione di frequenza sono utilizzati principalmente per misurare lo spostamento e la velocità.

(3) Sensore in fibra ottica a modulazione di lunghezza d'onda.

Il segnale misurato modifica la lunghezza d'onda della luce trasmessa attraverso la selezione della frequenza, filtraggio, e altri metodi, che si chiama modulazione ottica della lunghezza d'onda. I tradizionali sensori in fibra ottica a modulazione di lunghezza d'onda includono sensori di temperatura interferometrici in fibra in cascata basati sull'effetto cursore. Sebbene l'intervallo di misurazione della temperatura di questo sensore sia piccolo, La sua enorme sensibilità gli consente di soddisfare alcune esigenze speciali, come gli strumenti scientifici che richiedono un controllo preciso della temperatura. Le prestazioni delle sorgenti luminose e degli analizzatori di spettro influiscono notevolmente sulla tecnologia di rilevamento della lunghezza d'onda in fibra ottica. Il rapido sviluppo dei sensori a reticolo in fibra di Bragg negli ultimi anni ha ampliato la gamma di applicazioni dei sensori ottici funzionali a modulazione di lunghezza d'onda.

(4) Sensore in fibra ottica a modulazione di fase.

Il principio di base dei sensori a fibra ottica a modulazione di fase è quello sotto l'azione del parametro misurato sull'elemento sensibile, L'indice di rifrazione o la costante di propagazione dell'elemento sensibile cambia, provocando un cambiamento nella fase della luce trasmessa. Allora, Un interferometro viene utilizzato per rilevare questo cambiamento di fase per ottenere il parametro misurato. Questo tipo di sensore presenta i vantaggi di un'elevata sensibilità, risposta rapida, e ampio campo di misura dinamico, ma richiede un'elevata precisione per la sorgente luminosa e il sistema di rilevamento.

(5) Sensore in fibra ottica di tipo a modulazione di polarizzazione.

I sensori a fibra ottica a modulazione di polarizzazione non sono influenzati dall'intensità della sorgente luminosa, hanno una struttura semplice, e alta sensibilità. Il sensore di corrente che utilizza l'effetto Faraday è una delle sue principali aree di applicazione.

Classificare in base alla distribuzione di destinazione

In base alla distribuzione dei bersagli di rilevamento, I sensori possono essere suddivisi in sensori a fibra ottica di tipo puntiforme, Sensori in fibra ottica quasi distribuiti, e sensori distribuiti in fibra ottica.

(1) Sensore in fibra ottica di tipo puntiforme.

I sensori in fibra ottica di tipo puntiforme possono rilevare solo grandezze fisiche in un determinato punto, e solo un elemento sensibile estremamente piccolo è collegato al sensore in fibra ottica, di solito un sensore in fibra ottica di tipo a trasmissione. I vantaggi e gli svantaggi di questo tipo di sensore sono evidenti, con elevate prestazioni di rilevamento, ma non è in grado di eseguire il rilevamento della distribuzione multipunto sull'oggetto sottoposto a test.

(2) Sensore in fibra ottica quasi distribuito.

I sensori in fibra ottica quasi distribuiti possono eseguire il rilevamento multipunto su bersagli contemporaneamente, con sensori in fibra ottica a più punti collegati al cavo in fibra ottica. I casi applicativi tipici dei sensori in fibra ottica quasi distribuiti includono gli array di idrofoni in fibra ottica [24] e sensori a reticolo in fibra ottica.

Il vantaggio dei sensori in fibra ottica quasi distribuiti è la capacità di eseguire il rilevamento multipunto simultaneo, che è un'importante tendenza di sviluppo nel rilevamento in fibra ottica. Tuttavia, Il numero di punti che possono essere rilevati contemporaneamente dagli attuali sensori in fibra ottica quasi distribuiti è limitato.

(3) Sensori distribuiti in fibra ottica.

L'intero cavo in fibra ottica di un sensore in fibra ottica distribuito è un componente sensibile. Il cavo in fibra ottica è sia un sensore che un mezzo per la trasmissione di segnali, ed è adatto per rilevare la distribuzione della deformazione delle strutture. Per esempio, in grandi strutture applicate nell'ingegneria civile, parametri importanti come lo spostamento, Le sollecitazioni interne o superficiali della struttura possono essere misurate in modo rapido e non distruttivo. In base alla distribuzione dei parametri delle onde ottiche lungo il cavo in fibra ottica, e ottenendo contemporaneamente le informazioni di distribuzione del segnale misurato che variano nel tempo e nello spazio nella regione della fibra di rilevamento, Rilevamento continuo su un'ampia gamma, Lunga distanza, e si può ottenere un lungo tempo.

Adesso, I principali tipi di sensori a fibra ottica distribuiti includono i sensori interferometrici a fibra ottica, sensori a reticolo in fibra di Bragg, and so on. Nelle applicazioni ingegneristiche, La tecnologia di rilevamento distribuito in fibra ottica è in grado di monitorare in modo continuo e dinamico le variazioni di forza degli oggetti target senza interruzioni, con elevata precisione e forte capacità anti-interferenza nel monitoraggio dei risultati.

Applicazione dei sensori in fibra ottica

I sensori a fibra ottica possono raggiungere un'ampia gamma di grandezze fisiche di rilevamento e possono misurare molti parametri esterni. Tra loro, Le applicazioni di misura per la temperatura, spostamento, e il gas sono particolarmente importanti e ampiamente utilizzati in vari settori, con un mercato e prospettive molto ampi.

1. Sensore di temperatura in fibra ottica

2. Sensore di spostamento in fibra ottica.

3. Sensore di gas a fibra ottica.

Negli ultimi due decenni, con lo sviluppo delle strutture tecnologiche, I sensori in fibra ottica basati sulle caratteristiche intrinseche delle fibre ottiche sono stati ampiamente utilizzati. I sensori in fibra ottica continueranno a svilupparsi, che influenzano lo sviluppo sociale e vari aspetti della vita delle persone. Inoltre, Occorre prestare attenzione alle tecnologie chiave e alle applicazioni dei sensori in fibra ottica in settori speciali. Negli anni '90, I paesi stranieri hanno condotto ricerche sull'applicazione di sensori in fibra ottica nelle centrali nucleari. I sensori in fibra ottica possono coprire la misurazione di vari parametri nelle centrali nucleari. In linea teorica, È possibile costruire un sistema di rilevamento interamente in fibra ottica per sfruttare appieno i vantaggi dei sensori in fibra ottica, come l'elevata precisione, miniaturizzazione, Anti interferenza elettromagnetica distribuita, e sicurezza intrinseca. In futuro, per soddisfare i requisiti delle applicazioni di automazione, La tecnologia di rete dei sensori wireless in fibra ottica è la chiave per ottenere l'automazione. Può ottenere il monitoraggio in tempo reale, che favorisce il raggiungimento di una produzione automatizzata. I sensori wireless in fibra ottica avranno ampie prospettive di applicazione.