Zasada klasyfikacji i charakterystyka czujników światłowodowych

Światłowodowy czujnik temperatury, Inteligentny system monitorowania, Rozproszony producent światłowodów w Chinach

Czujniki światłowodowe mają zalety przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym, Silna odporność na awarie, Miniaturyzacji, i wysoka precyzja. Promowanie zastosowania czujników światłowodowych w większej liczbie branż, Podsumowano postęp badań nad czujnikami światłowodowymi. Firma FJINO wprowadziła podstawowe komponenty i zasady działania czujników światłowodowych, i podsumował charakterystykę klasyfikacyjną czujników światłowodowych. Zgodnie z rolą światłowodów w czujnikach, Można je podzielić na funkcjonalne (wszystkie włókna) czujniki światłowodowe, Czujniki światłowodowe typu transmisyjnego, i czujniki światłowodowe typu pickup. Zgodnie z metodą modulacji fal świetlnych, Można go podzielić na czujniki światłowodowe z modulacją intensywności, Czujniki światłowodowe z modulacją częstotliwości, Czujniki światłowodowe z modulacją długości fali, Czujniki światłowodowe z modulacją fazy, i czujniki światłowodowe z modulacją polaryzacji. Zgodnie z rozkładem celów czujników, Można go podzielić na punktowe czujniki światłowodowe, quasi-rozproszone czujniki światłowodowe, i rozproszone czujniki światłowodowe. Czujniki światłowodowe mają szeroki zakres zastosowań w zakresie temperatury, przemieszczenie, i pomiar gazu, A przyszły trend rozwoju czujników światłowodowych wskazuje na silny kierunek.

Czujniki są szeroko stosowane w codziennym życiu ludzi. Wraz z pojawieniem się nowej generacji medium transmisyjnego światłowody, Czujniki uległy dalszemu rozwojowi i pojawiły się czujniki światłowodowe. Szybki rozwój czujników światłowodowych rozpoczął się w 1977 i do dziś staje się coraz bardziej dojrzała. Wpływ tej nowej technologii jest obecnie bardzo widoczny i jest jednym z ważnych znaków procesu informatyzacji człowieka. Światłowód jest doskonałym czułym komponentem, który nadaje się do zdalnej transmisji i ma szeroki zakres monitorowania; Po drugie, Światłowody mają małą objętość, Niewielka waga, i jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne i promieniowanie w transmisji sygnału optycznego, dzięki czemu nadają się do monitorowania w trudnych warunkach, takich jak łatwopalne, wybuchowy, i zakłócenia elektromagnetyczne. Więc, Czujniki światłowodowe zostały przebadane i znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach, Zdobycie pozycji lidera w branży czujników.

W tym artykule przedstawiono głównie podstawowe podzespoły i zasady działania czujników światłowodowych, i szczegółowo opisuje klasyfikację czujników światłowodowych według różnych metod klasyfikacji, a także ich zastosowania w temperaturze, przemieszczenie, i gazu. W końcu, Omówiono przyszłe trendy rozwoju czujników światłowodowych.

Zasada działania czujnika światłowodowego

Czujniki światłowodowe służą do konwersji informacji pomiarowych na mierzalne sygnały optyczne, a ich podstawowa struktura składa się ze źródła światła, Wrażliwe komponenty, światłowód i fotodetektor, i system przetwarzania sygnałów. Czujniki światłowodowe posiadają funkcje modulacji i demodulacji informacji. Część, w której modulowane są parametry optyczne w czujniku światłowodowym, nazywana jest strefą modulacji, a fotodetektor i część przetwarzania sygnału nazywane są strefą demodulacji. Gdy światło emitowane przez źródło światła jest sprzężone ze światłowodem i wchodzi do strefy modulacji przez światłowód, zmieniają się jego właściwości optyczne (takie jak intensywność, częstotliwość, długość fali, faza, stan polaryzacji, itd.) ze względu na wpływ mierzonego światła w strefie modulacji, stając się modulowanym światłem sygnalizacyjnym. Po przesłaniu światłowodami do fotodetektora, Fotodetektor odbiera przychodzący sygnał optyczny i wykonuje konwersję fotoelektryczną w celu wyprowadzenia sygnału elektrycznego. W końcu, System przetwarzania sygnału przetwarza sygnał elektryczny w celu uzyskania odpowiednich mierzonych parametrów, co jest demodulacją.

Klasyfikacja czujników światłowodowych

Klasyfikowane ze względu na rolę światłowodów w czujnikach

Zgodnie z rolą światłowodu w czujnikach, Czujniki światłowodowe można podzielić na funkcjonalne czujniki światłowodowe, transmisyjne czujniki światłowodowe, i czujniki światłowodowe do odbioru.

(1) Funkcjonalny czujnik światłowodowy.

Funkcjonalne czujniki światłowodowe, Znany również jako wszystkie czujniki światłowodowe, składają się z ciągłego światłowodu, który sprzęga światłowód emitujący źródło światła i światłowód odbiorczy detektora światła. Pełnią one dwie funkcje: Transmisja i wykrywanie. Mierzone parametry są modulowane poprzez bezpośrednią zmianę niektórych parametrów charakterystycznych transmisji światłowodu. Ten typ czujnika ma zwartą konstrukcję i wysoką czułość, ale wymaga użycia specjalnych światłowodów i zaawansowanych technologii wykrywania, takich jak żyroskopy światłowodowe, hydrofony światłowodowe, itd.

(2) Czujnik światłowodowy do przesyłania światła.

Światłowód czujnika światłowodowego typu transmisyjnego pełni tylko rolę przesyłania fal świetlnych, a jego obszar modulacji znajduje się poza światłowodem. Włókno nadawcze i włókno odbiorcze nie mają ciągłości. Zasada jest taka, że światło jest modulowane przez mierzony parametr, gdy jest naświetlane na zewnętrznym urządzeniu modulującym (Element wrażliwy). Zaletą tego typu czujnika jest prosta budowa, niski koszt, i łatwe wdrożenie, Ale jego czułość jest niższa niż w przypadku funkcjonalnych czujników światłowodowych. Większość dostępnych na rynku czujników światłowodowych należy obecnie do czujników światłowodowych typu transmisyjnego.

(3) Czujnik światłowodowy typu pick-up.

Czujnik światłowodowy typu pickup wykorzystuje światłowody jako sondy do odbierania światła wypromieniowanego przez mierzony obiekt lub światła odbitego lub rozproszonego przez niego i przesyłania go do fotodetektora. Po przetworzeniu sygnału, Uzyskuje się zmierzony parametr. Prędkościomierz dopplerowski z laserem światłowodowym jest typowym czujnikiem światłowodowym typu pickup. Zmętnienie płynu, który może zmierzyć, wynosi co najmniej 5 razy wyższe niż w przypadku poprzednio mierzonych płynów, Osiąganie pomiaru lokalnej prędkości płynów nieprzezroczystych. W dodatku, Prędkościomierze dopplerowskie są również używane do pomiaru prędkości pociągów. Refleksyjne światłowodowe czujniki temperatury są również jednym z przedstawicieli czujników światłowodowych typu pickup.

Klasyfikowane metodą modulacji fal świetlnych

W zależności od zmian fizycznych parametrów charakterystycznych fal świetlnych modulowanych sygnałami zewnętrznymi, Czujniki światłowodowe można podzielić na pięć typów: Czujniki światłowodowe z modulacją intensywności, czujniki światłowodowe z modulacją fazy, Czujniki światłowodowe z modulacją częstotliwości, Czujniki światłowodowe z modulacją długości fali, i czujniki światłowodowe z modulacją polaryzacji.

(1) Czujnik światłowodowy z modulacją intensywności.

Modulacja intensywności jest stosunkowo prostą i szeroko stosowaną metodą modulacji w czujnikach światłowodowych. Podstawowa zasada jest taka, że mierzony parametr moduluje światło przepuszczane w światłowodzie w celu zmiany natężenia światła, a następnie mierzy mierzony parametr, wykrywając zmianę natężenia światła (tj.. Demodulacja). Większość czujników światłowodowych z modulacją intensywności opiera się na modulacji intensywności odbicia. Ten typ czujnika ma prostą konstrukcję, niski koszt, i jest łatwy do wdrożenia, ale jest podatny na wahania natężenia źródła światła. Rozwój i zastosowanie czujników światłowodowych z modulacją intensywności rozpoczęło się wcześniej, i w ostatnich latach, Badania naukowe nieustannie wprowadzają przełomy i innowacje.

(2) Czujnik światłowodowy z modulacją częstotliwości.

Modulacja częstotliwości optycznej odnosi się do modulacji częstotliwości światła przepuszczanego w światłowodzie przez mierzony parametr, oraz wykrywanie mierzonego parametru poprzez przesunięcie częstotliwości. Obecnie, Czujniki światłowodowe z modulacją częstotliwości są najczęściej używane do pomiaru przemieszczenia i prędkości.

(3) Czujnik światłowodowy z modulacją długości fali.

Mierzony sygnał zmienia długość fali przesyłanego światła poprzez dobór częstotliwości, Filtrowanie, i inne metody, co nazywa się optyczną modulacją długości fali. Tradycyjne czujniki światłowodowe z modulacją długości fali optycznej obejmują kaskadowe czujniki temperatury interferometru światłowodowego oparte na efekcie kursora. Chociaż zakres pomiaru temperatury tego czujnika jest mały, Jego ogromna czułość pozwala mu spełnić pewne specjalne wymagania, takie jak instrumenty naukowe, które wymagają precyzyjnej kontroli temperatury. Wydajność źródeł światła i analizatorów widma ma duży wpływ na technologię wykrywania długości fal światłowodowych. Szybki rozwój światłowodowych czujników siatkowych Bragga w ostatnich latach rozszerzył zakres zastosowań funkcjonalnych czujników optycznej modulacji długości fali.

(4) Czujnik światłowodowy z modulacją fazy.

Podstawową zasadą działania czujników światłowodowych z modulacją fazy jest to, że pod wpływem mierzonego parametru na wrażliwy element, zmienia się współczynnik załamania światła lub stała propagacji wrażliwego elementu, powodujące zmianę fazy przepuszczanego światła. Wtedy, Interferometr służy do wykrywania tej zmiany fazy w celu uzyskania mierzonego parametru. Ten typ czujnika ma zalety wysokiej czułości, Szybka reakcja, i duży dynamiczny zakres pomiarowy, Wymaga to jednak dużej precyzji źródła światła i systemu detekcji.

(5) Czujnik światłowodowy z modulacją polaryzacji.

Na czujniki światłowodowe z modulacją polaryzacji nie ma wpływu natężenie źródła światła, mają prostą strukturę, i wysoka czułość. Czujnik prądu wykorzystujący efekt Faradaya jest jednym z jego głównych obszarów zastosowań.

Klasyfikowanie według rozkładu docelowego

Zgodnie z rozkładem wykrywanych celów, Czujniki można podzielić na czujniki światłowodowe typu punktowego, quasi-rozproszone czujniki światłowodowe, i rozproszone czujniki światłowodowe.

(1) Punktowy czujnik światłowodowy.

Punktowe czujniki światłowodowe mogą wykrywać wielkości fizyczne tylko w określonym punkcie, i tylko jeden bardzo mały czuły element jest podłączony do czujnika światłowodowego, Zwykle jest to czujnik światłowodowy typu transmisyjnego. Zalety i wady tego typu czujnika są oczywiste, z wysoką wydajnością wykrywania, Nie może jednak wykonać detekcji rozkładu wielopunktowego na testowanym obiekcie.

(2) Quasi-rozproszony czujnik światłowodowy.

Quasi-rozproszone czujniki światłowodowe mogą jednocześnie wykonywać wielopunktowe wykrywanie celów, z wieloma czujnikami światłowodowymi typu punktowego podłączonymi do światłowodowego. Typowe przypadki zastosowań quasi-rozproszonych czujników światłowodowych obejmują światłowodowe układy hydrofonów [24] i czujniki światłowodowe z siatką.

Zaletą quasi-rozproszonych czujników światłowodowych jest możliwość jednoczesnego wykonywania detekcji wielopunktowej, co jest ważnym trendem rozwojowym w czujnikach światłowodowych. Jednak, Liczba punktów, które mogą być jednocześnie wykrywane przez obecne quasi-rozproszone czujniki światłowodowe, jest ograniczona.

(3) Rozproszone czujniki światłowodowe.

Cały światłowodowy rozproszonego czujnika światłowodowego jest wrażliwym elementem. światłowodowy jest zarówno czujnikiem, jak i medium do przesyłania sygnałów, i nadaje się do wykrywania rozkładu odkształceń struktur. Na przykład, in large structures applied in civil engineering, important parameters such as displacement, internal or surface stress of the structure can be measured quickly and non destructively. Based on the distribution of optical wave parameters along the fiber optic cable, and by simultaneously obtaining the distribution information of the measured signal that varies with time and space in the sensing fiber region, continuous sensing over a large range, long distance, and long time can be achieved.

Obecnie, the main types of distributed fiber optic sensors include interferometric fiber optic sensors, światłowodowe czujniki siatki Bragga, itd. In engineering applications, distributed fiber optic sensing technology can continuously and dynamically monitor the force changes of target objects without interruption, z wysoką dokładnością i silną zdolnością przeciwzakłóceniową w monitorowaniu wyników.

Zastosowanie czujników światłowodowych

Czujniki światłowodowe mogą osiągać szeroki zakres wykrywania wielkości fizycznych i mogą mierzyć wiele parametrów zewnętrznych. Wśród nich, Aplikacje pomiarowe dla temperatury, przemieszczenie, i gaz są szczególnie widoczne i szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, z bardzo szerokim rynkiem i perspektywami.

1. Światłowodowy czujnik temperatury

2. Światłowodowy czujnik przemieszczenia.

3. Światłowodowy czujnik gazu.

W ciągu ostatnich dwóch dekad, wraz z rozwojem zaplecza technologicznego, Czujniki światłowodowe oparte na nieodłącznych cechach światłowodów są szeroko stosowane. Czujniki światłowodowe będą się nadal rozwijać, wpływając na rozwój społeczny i różne aspekty życia ludzi. W dodatku, the key technologies and applications of fiber optic sensors in special fields should be given attention. In the 1990s, foreign countries conducted research on the application of fiber optic sensors in nuclear power plants. Fiber optic sensors can cover the measurement of various parameters in nuclear power plants. In theory, an all fiber optic sensing system can be constructed to fully leverage the advantages of fiber optic sensors, such as high accuracy, Miniaturyzacji, distributed anti electromagnetic interference, and intrinsic safety. In the future, in order to meet the requirements of automation applications, fiber optic wireless sensor network technology is the key to achieving automation. It can achieve real-time monitoring, which is conducive to achieving automated production. Fiber optic wireless sensors will have broad application prospects.