Ciri-ciri dan kelebihan penderia gentian optik

Penderia suhu gentian optik, Sistem pemantauan pintar, Pengeluar gentian optik yang diedarkan di China

Dalam aplikasi kejuruteraan dan penyelidikan saintifik, Suhu ialah kuantiti rujukan yang sangat penting, menduduki kedudukan penting. Penderia suhu tradisional terutamanya terdiri daripada termokopel, semikonduktor, dan aloi platinum, yang mempunyai prinsip pengukuran yang mudah dan kos yang rendah. Itu, Mereka digunakan secara meluas dalam aplikasi praktikal. Berbanding dengan penderia suhu tradisional, Penderia suhu gentian optik menggunakan spektrum penyerapan beberapa bahan untuk berubah mengikut suhu, dan kemudian menganalisis spektrum yang dihantar oleh gentian optik untuk mengukur perubahan suhu dalam masa nyata. Ketepatan pengukurannya lebih tinggi dan sensitivitinya boleh laras dalam masa nyata.

Penderia gentian optik mempunyai ciri-ciri saiz kecil, Berat ringan, sensitiviti tinggi, tiada gangguan elektromagnet, dan rintangan kakisan berbanding penderia lain, menjadikan pelbagai aplikasi mereka luas, melibatkan pertahanan negara, ekonomi negara, dan kehidupan seharian orang ramai. Terdapat banyak jenis penderia suhu gentian optik, terutamanya termasuk sensor suhu jeriji gentian optik, gentian optik Penderia suhu interferometrik FabryPerot, Penderia suhu pendarfluor gentian optik, Penderia suhu gentian optik Raman, Dll.

Ciri-ciri dan kelebihan penderia gentian optik

Penderia gentian optik ialah peranti berdasarkan gentian optik yang digunakan untuk mengesan kuantiti, biasanya suhu atau ketegangan mekanikal, tetapi kadang-kadang juga termasuk anjakan, Getaran, Tekanan, Pecutan, Putaran (diukur menggunakan giroskop optik berdasarkan kesan Sagnac), atau kepekatan bahan kimia. Prinsip umum peranti ini ialah cahaya dari laser (biasanya laser gentian frekuensi tunggal) atau daripada sumber cahaya super dihantar melalui gentian, mengalami perubahan halus dalam parameternya dalam gentian atau satu atau lebih gentian Bragg gratings, dan kemudian mencapai peranti pengesan untuk mengukur perubahan ini.

Penderia yang membezakan antara faktor dalaman dan luaran. Penderia yang wujud ialah gentian optik itu sendiri (yang mungkin merupakan bentuk yang diubah suai, seperti mengandungi jeriji Bragg) sebagai sensor. Penderia luaran hanya menggunakan gentian optik untuk menghantar cahaya ke atau dari penderia sebenar.

Banyak penderia gentian optik adalah berdasarkan satu gentian, manakala penderia gentian optik lain dibuat menggunakan berkas gentian. Sebagai contoh, Terdapat penderia luaran di mana beberapa cahaya pencahayaan dihantar ke sampel melalui beberapa gentian optik rasuk, dan cahaya yang dipantulkan atau pendarfluor yang digunakan dihantar semula melalui gentian optik lain.

Berbanding dengan jenis penderia lain, Penderia gentian optik mempunyai banyak kelebihan:

Mereka terdiri daripada bahan penebat elektrik (tanpa memerlukan kabel), yang menjadikannya sesuai untuk digunakan dalam persekitaran voltan tinggi, sebagai contoh.
Ia boleh digunakan dengan selamat dalam persekitaran letupan kerana tiada risiko percikan elektrik walaupun berlaku kecacatan.
Mereka tidak terjejas oleh gangguan elektromagnet (EMI), dan juga sambaran kilat berdekatan tidak akan menyebabkan kejutan elektrik pada peranti lain.
Bahan mereka boleh menjadi pasif secara kimia, bermakna mereka tidak mencemarkan persekitaran sekeliling mereka dan tidak tertakluk kepada kakisan.
Mereka mempunyai julat suhu operasi yang sangat luas (jauh lebih luas daripada yang mungkin ada pada banyak peranti elektronik).
Mereka mempunyai fungsi pemultipleksan: Berbilang penderia dalam satu talian gentian optik boleh ditanya melalui satu sumber cahaya.
Sensor Grating Fiber Bragg

Penderia gentian optik biasanya berdasarkan jeriji gentian Bragg. Prinsip asas banyak penderia gentian optik ialah panjang gelombang Bragg (Iaitu. panjang gelombang pantulan maksimum) daripada gentian Bragg grating bergantung bukan sahaja pada tempoh grating Bragg, tetapi juga pada suhu dan ketegangan mekanikal.

Untuk penderia terikan optik berdasarkan gentian silika, tindak balas pecahan panjang gelombang Bragg kepada terikan adalah kira-kira 20% lebih kecil daripada ketegangan itu sendiri, kerana kesan langsung ketegangan dikurangkan sedikit sebanyak dengan pengurangan indeks biasan. Kesan suhu adalah hampir dengan kesan suhu yang dijangkakan bagi pengembangan haba individu. Kesan ketegangan dan suhu boleh dibezakan melalui pelbagai teknik (seperti menggunakan jeriji rujukan yang tidak terjejas oleh ketegangan, atau menggabungkan pelbagai jenis gentian Bragg gratings) untuk mendapatkan kedua-dua kuantiti secara serentak.

Apakah resolusi untuk penderiaan terikan tulen μ Julat s (Iaitu., variasi panjang relatif adalah beberapa kali 10-6), dan ketepatannya mungkin tidak jauh lebih rendah. Untuk pengukuran dinamik (seperti fenomena akustik), adalah mungkin untuk mencapai prestasi yang lebih baik daripada 1n dalam lebar jalur 1Hz ε Sensitiviti.

Terdapat juga sensor laser parut Bragg, yang melaksanakan laser gentian yang terdiri daripada dua jeriji dan gentian doped nadir bumi di antara mereka. Sebagai alternatif, boleh ada FBG dan reflektor jalur lebar di seberang. Apabila lampu pam disediakan, peranti ini menghasilkan output dengan panjang gelombang yang hampir dengan panjang gelombang Bragg.

Penderiaan kuasi teragih

Satu gentian optik boleh mengandungi banyak penderia jeriji bersambung siri (Lihat di atas) untuk memantau suhu dan taburan terikan di sepanjang keseluruhan gentian optik. Ini dipanggil penderiaan kuasi teragih. Terdapat teknik yang berbeza untuk menyelesaikan jeriji individu (serta kedudukan tertentu di sepanjang gentian):

Dalam teknik yang dipanggil pemultipleksan pembahagian panjang gelombang (WDM) atau reflektor domain frekuensi optik (OFDR), Gratings mempunyai panjang gelombang Bragg yang sedikit berbeza. Unit soal siasat dalam laser boleh laras panjang gelombang boleh ditala kepada panjang gelombang grating tertentu, dan pemantulan panjang gelombang maksimum mewakili pengaruh terikan atau suhu, sebagai contoh. Sebagai alternatif, Sumber cahaya jalur lebar (seperti superemitter) boleh digunakan bersama dengan pengesan foto pengimbasan panjang gelombang (seperti gentian optik Fabry P é rot berasaskan) atau spektrometer berasaskan CCD.. Walau apa pun, bilangan maksimum gratings biasanya antara 10 Dan 50, Dihadkan oleh julat penalaan atau lebar jalur sumber cahaya dan selang panjang gelombang yang diperlukan untuk setiap jeriji gentian.
Teknik lain yang dipanggil Pemultipleksan Pembahagian Masa (TDM) menggunakan jeriji pantulan lemah yang sama untuk menyoal siasat dengan denyutan cahaya pendek. Kemudian, Pantulan dari jeriji yang berbeza dibezakan oleh masa ketibaan mereka. Pemultipleksan pembahagian masa biasanya digabungkan dengan pemultipleksan pembahagian panjang gelombang untuk mendarabkan bilangan saluran yang berbeza dengan beratus-ratus atau bahkan ribuan.
Suis optik membolehkan orang ramai memilih antara litar gentian optik yang berbeza, meningkatkan lagi bilangan penderia yang mungkin.
Penderiaan teragih

Penderia gentian optik lain tidak menggunakan jeriji gentian Bragg sebagai penderia, tetapi sebaliknya gunakan gentian itu sendiri. Kemudian, prinsip penderiaan boleh berdasarkan penyebaran Rayleigh, Taburan Raman, atau taburan Brillouin. Sebagai contoh, Reflektometer domain masa optik ialah kaedah yang menggunakan isyarat pengesanan nadi untuk mengesan pantulan yang lemah. Sebagai contoh, pergantungan suhu atau ketegangan anjakan frekuensi Brillouin juga boleh digunakan.

Dalam sesetengah kes, kuantiti yang diukur ialah purata keseluruhan panjang gentian. Perkara yang sama berlaku untuk beberapa penderia suhu, tetapi juga kepada interferometer Sagnac yang digunakan sebagai giroskop. Dalam kes lain, mengukur kuantiti berkaitan kedudukan (seperti suhu atau ketegangan). Ini dipanggil penderiaan teragih.

Untuk maklumat lebih terperinci, Sila rujuk artikel mengenai penderia suhu optik dan penderia terikan optik

Kaedah lain

Sebagai tambahan kepada kaedah di atas, Terdapat banyak teknologi alternatif. Beberapa contoh ialah:

Gratings Fiber Bragg boleh digunakan untuk penderia gentian optik interferometrik, di mana ia hanya digunakan sebagai reflektor dan anjakan fasa yang diukur dijana oleh rentang gentian di antara mereka.
Terdapat sensor laser parut Bragg, di mana jeriji sensor membentuk cermin hujung resonator laser gentian, yang termasuk, sebagai contoh, Beberapa gentian doped erbium yang menerima cahaya pam 980nm melalui garisan gentian. Panjang gelombang Bragg bergantung kepada faktor seperti suhu atau ketegangan, Menentukan panjang gelombang pelepasan laser. Kaedah ini mempunyai banyak perubahan selanjutnya, Oleh kerana lebar garisan kecil laser gentian ini, Ia mempunyai resolusi yang sangat tinggi dan sensitiviti yang tinggi.
Dalam sesetengah kes, jeriji Bragg berpasangan digunakan sebagai interferometer gentian optik Fabry Perot, yang boleh bertindak balas terutamanya sensitif terhadap pengaruh luaran. Interferometer Fabry Perot juga boleh dihasilkan menggunakan kaedah lain, seperti mempunyai jurang udara berubah-ubah dalam gentian optik.
Jeriji Bragg gentian jangka panjang amat berguna untuk penderiaan berbilang parameter, seperti suhu dan ketegangan, dan juga untuk penderiaan terikan dengan kepekaan yang sangat rendah terhadap perubahan suhu.
Permohonan

Walaupun selepas bertahun-tahun pembangunan, Penderia gentian optik masih belum mencapai kejayaan komersial yang ketara kerana walaupun dengan batasan tertentu, mereka sukar untuk menggantikan teknologi matang. Walau bagaimanapun, untuk kawasan aplikasi tertentu, Penderia gentian optik semakin diiktiraf sebagai teknologi dengan kemungkinan yang sangat menarik. Ini amat sesuai untuk persekitaran yang keras, seperti penderiaan dalam jentera tekanan tinggi dan berkuasa tinggi atau ketuhar gelombang mikro. Penderia jeriji Bragg juga boleh digunakan untuk memantau keadaan pada sayap pesawat, turbin angin, Jambatan, empangan besar, telaga minyak, dan saluran paip. Bangunan dengan penderia gentian optik bersepadu kadangkala dirujuk sebagai “Struktur pintar”;