Волоконно-оптичний датчик

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Версія від 20:24, 27 березня 2012, створена Kashevarova (обговорення | внесок) (Створена сторінка: '''Волоконно-оптичний датчик''' — датчик, який використовує оптичне волокно або у якості...)
(різн.) ← Попередня версія | Поточна версія (різн.) | Новіша версія → (різн.)
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Волоконно-оптичний датчик — датчик, який використовує оптичне волокно або у якості чутливого елемента («внутрішні датчики»), або у якості засобу ретрансляції сигналів від дистанційного датчика до електронного блоку, який обробляє сигнали («зовнішні датчики»). Існує безліч способів використання волокна для дистанційного зондування. Залежно від необхідності, такі датчики використовуються через їх невеликий розмір, або тому, що вони не потребують електричної напруги у віддаленому місці, або тому, що багато датчиків можуть бути мультиплексовані по довжині волокна з використанням світла з різною довжиною хвилі для кожного датчика, або вимірюючи час затримки, за який світло проходить уздовж волокна через кожен датчик. Час затримки може бути визначений з використанням пристроїв, таких як оптичний часовий рефлектометр.

== Внутрішні датчики == Оптичні волокна можуть бути використані в якості датчиків для вимірювання напруги, температури, тиску та інших величин, змінюючи волокно таким чином, що величина буде вимірюватись модуляцією інтенсивності, фази, поляризації, довжини хвилі або часу проходження світла в волокні. Датчики, в яких змінюється інтенсивність світла є простими, бо мають тільки простє джерело сигналу та відповідний приймач. Дуже корисна особливість внутрішніх волоконно-оптичних датчиків заключається в тому, що вони можуть, при необхідності, забезпечувати розподілене зондування на дуже великих відстанях.

Температура може бути виміряна за допомогою волокна, у якого втрати близькі до нуля і змінюються залежно від температури або на основі аналізу комбінаційного розсіювання світла в оптичному волокні. Електрична напруга може детектуватися за допомогою нелінійно-оптичних ефектів у особливим чином легованому волокні, які змінюють поляризацію світла в залежності від напруги або електричного поля. Датчики вимірювання кута можуть бути засновані на ефекті Сан'яка.

Спеціальні волокна, такі як довгоперіодні волоконні решітки можуть бути використані для розпізнавання напряму[1]. Photonics Research Group з Університету Астона у Великобританії має ряд публікацій з застосування датчика вектору вигину.[2][3]

Оптичні волокна використовуються також в якості гідрофону для детектування сейсмічних коливань та у гідролокаторі. На волоконно-оптичному кабелі було розроблено гідрофонні системи з більш ніж стома датчиками. Гідрофонні сенсорні системи використовуються в нафтовій промисловості настількі ж успішно, як і в військово-морських силах декількох країн. Обидва гыдрофонны масиви знімні при використанні буксируються системами стример. Німецька компанія Sennheiser розробили лазерний мікрофон для використання в оптичних волокнах.
Волоконно-оптичний мікрофон та навушники для роботи з волоконно-оптичною середою передачі данних корисні в районах з сильними електричними або магнітними полями. Вони використовуються, наприклад, для зв'язку між групою людей, що працюють з пацієнтом в машині магнітно-резонансної томографії (МРТ) під час МРТ-керованої операції.[4]

Волоконно-оптичні датчики температури і тиску були розроблені для свердловинних вимірювань в нафтових свердловинах.[5][6] Волоконно-оптичний датчик добре підходить для цього середовища, бо він функціонує за дуже високих температур, за яких не може функціонувати напівпровідникові сенсори розподіленого вимірювання температури.

З оптичних волокон можуть бути зроблені інтерферометричні датчики, наприклад, волоконно-оптичний гіроскоп, який використовується в Boeing 767, в деяких моделях автомобілів (для навігації). Вони також використовуються, щоб зробити водневі датчики.

Волоконно-оптичні датчики були розроблені і для одночасного вимірювання температури і напруги з дуже високою точністю за допомогою волоконно брегговської решітки.[7]. Це особливо корисно при отриманні інформації від невеликих складних структур. Розсіювання Бріллюена може бути використане для визначення напруги і температури на великих відстанях (20-30 км).[8]
== Інші приклади ==
Волоконно-оптичних датчики постійної та перемінної напруги в середньому і високому діапазоні напруг (100—2000 В) можуть бути створені шляхом виклику помірної кількості Керр-нелінійності в одномодовому оптичному волокні, піддаючи розраховану довжину волокна дії зовнішнього електричного поля.[9].Методика вимірювань заснована на поляриметричному виявленні, що дозволяє досягати високої точності у ворожих промислових умовах.

Електромагнітні поля високої частоти (5 МГц, 1 ГГц), можуть бути виявлені за допомогою індукованих нелінійних ефектів у волокні з відповідною структурою. Використовувані волокна, побудовані так, що Ефект Фарадея та ефект Керра є причиною значних змін фази в присутності зовнішнього поля[10]. За відповідної конструкції датчика, цей тип волокна може бути використаний для вимірювання різних електричних і магнітних величин і різних внутрішніх параметрів матеріалу самого волокна.

Електроенергія може бути виміряна в волокні за допомогою структурованої маси волокон ампер датчика в поєднанні з належною обробкою сигналу в поляризаційній схемі виявлення. Експерименти були проведені за допомогою техніки.[11]

Волоконно-оптичні датчики використовуються в електричних розподільних пристроях, щоб передати світло від електричного дугового в цифрові реле захисту для швидкого відключення вимикача для зменшення енергії в дузі вибуху[12].
==Зовнішні датчики==

Зовнішні волоконно-оптичні датчики використовують волоконно-оптичний кабель, як правило, одне багатомодове оптичне волокно для передачі модульованого світла від кожного оптичного датчика або електронного датчика, підключених до оптичниго кабеля — передатчика. Основною перевагою зовнішніх датчиків є їх здатність досягати важкодосяжних місць. Прикладом може слугувати вимірювання температури усередині реактивного двигуна літака за допомогою волокон для передачі випромінювання до випромінювання пірометра, що знаходиться за межами двигуна. Зовнішні датчики можуть бути використані таким же чином, для вимірювання внутрішньої температури електричного трансформатора, де велике електромагнітне поле і цього зробити іншими методами вимірювання неможливо.

Зовнішні волоконно-оптичні датчики забезпечують чудовий захист вимірюванного сигналу від шуму. На жаль, багато звичайних датчиків виробляють електричну потужність, яка повинна бути перетворена в оптичний сигнал для роботи з волокном. Наприклад, у випадку платинових термометрів опору(ПТО), зміни температури будуть переведені на зміну опору. Тому ПТО повинні мати электроживлення. Модульований рівень напруги на виході ПТО може бути введений в світловод через звичайний тип передавача. Це ускладнює процес виміру і означає, що низьковольтні кабелі повинні бути прокладені через перетворювач.

Зовнішні датчики використовуються для вимірювання вібрації, обертання, переміщення, швидкості, прискорення, крутного моменту, і скручування.[13]

  1. Bend Sensors with Direction Recognition Based on Long-Period Gratings Written in D-Shaped Fiber by D. Zhao etc. 
  2. Implementation of vectorial bend sensors using long-period gratings UV-inscribed in special shape fibres. 
  3. Use of Dual-Grating Sensors Formed by Different Types of Fiber Bragg Gratings for Simultaneous Temperature and Strain Measurements. 
  4. Case Study: Can You Hear Me Now?. rt image. Valley Forge Publishing. с. 30–31. Процитовано 2010-03-11. 
  5. Sensornet. Upstream oil & gas case study (pdf). Процитовано 2008-12-19. 
  6. Schlumberger. Wellwatcher DTS Fibre Optic Monitoring product sheet (pdf). Процитовано 2010-09-22. 
  7. Trpkovski, S.; Wade, S. A.; Baxter, G. W.; Collins, S. F. (2003). Dual temperature and strain sensor using a combined fiber Bragg grating and fluorescence intensity ratio technique in Er3+-doped fiber. Review of Scientific Instruments 74 (5): 2880. doi:10.1063/1.1569406. Процитовано 2008-07-04. 
  8. Measures, Raymond M. (2001). Structural Monitoring with Fiber Optic Technology. San Diego, California, USA: Academic Press. с. Chapter 7. ISBN 0-12-487430-4. 
  9. Ghosh, S.K.; Sarkar, S.K.; Chakraborty, S. (2002). Design and development of a fiber optic intrinsic voltage sensor. Proceedings of the 12th IMEKO TC4 international symposium Part 2 (Zagreb, Croatia): 415–419. 
  10. Ghosh, S.K.; Sarkar, S.K.; Chakraborty, S.; Dan, S. (2006). High frequency electric field effect on plane of polarization in single mode optical fiber. Proceedings, Photonics 2006. [неавторитетне джерело]
  11. Ghosh, S.K.; Sarkar, S.K.; Chakraborty, S. (2006). A proposal for single mode fiber optic watt measurement scheme. Journal of Optics (Calcutta) (Optical Society of India) 35 (2): 118–124. ISSN 0972-8821. 
  12. Zeller, M.; Scheer, G. (2008). Add Trip Security to Arc-Flash Detection for Safety and Reliability, Proceedings of the 35rd Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA. 
  13. Переклад статті з Wikipedia

==References==