Princip rada opti?kih senzora. Opti?ki senzori. Princip rada opti?kog senzora

Uvod

Razli?iti pretvara?i neelektri?nih veli?ina u elektri?ne veli?ine ?vrsto su zauzeli svoje mjesto u mnogim podru?jima ljudskog znanja, a jo? vi?e u medicini. Te?ko je zamisliti modernog doktora koji se bavi dijagnostikom razne bolesti i njihov tretman, koji se ne zasniva na velikom broju dostignu?a u naukama kao ?to su radio elektronika, mikroelektronika, metrologija, nauka o materijalima. Iako su senzori jedno od najsporije razvijaju?ih podru?ja medicinske elektronike, pa i cijele elektronike op?enito, velika ve?ina dijagnosti?kih i terapijskih ure?aja i sistema direktno ili indirektno sadr?i mnogo razli?itih pretvara?a i elektroda, bez kojih je rad ovog sistema nemogu?e. ponekad nezamislivo.

Neke vrste senzora ?e biti razmotrene u predstavljenom radu. Odre?ena pote?ko?a le?i u ogromnoj raznolikosti medicinskih senzora, kao iu prili?no malom broju publikacija koje se odnose na ovu temu.

opti?ki senzori

Optoelektronika je prili?no nova oblast nauke i tehnologije koja se pojavila na razme?u optike i elektronike. Treba napomenuti da je u razvoju radiotehnike od samog po?etka dvadesetog veka postojala stalna te?nja da se ovlada elektromagnetnih talasa sve ve?a frekvencija.

Va?an momenat u razvoju optoelektronike je stvaranje opti?ka vlakna. Istra?ivanja su postala posebno intenzivna krajem 1960-ih, a razvoj kvarcnog vlakna niskog prigu?enja (20 dB/km) od strane ameri?ke kompanije Corning 1970. bio je zna?ajan doga?aj i poslu?io je kao poticaj za pove?anje tempa istra?ivanja i razvoja tokom 1970-ih godina.

Opti?ko vlakno je obi?no jedna od dvije vrste: jednomodna, u kojoj se ?iri samo jedan mod (tip distribucije oda?iljenog elektromagnetno polje), i multimode - s prijenosom mnogih (oko stotinu) na?ina.

Strukturno, ove vrste vlakana se razlikuju samo u promjeru jezgre - dijela koji vodi svjetlo, unutar kojeg je indeks loma ne?to ve?i nego u perifernom dijelu - ljusci.

AT medicinska tehnologija koriste se i multimodna i jednomodna opti?ka vlakna. Vi?emodna vlakna imaju veliki (oko 50 µm) pre?nik jezgre, ?to olak?ava njihovo me?usobno povezivanje. Ali po?to je grupna brzina svjetlosti razli?ita za svaki mod, kada se prenosi uski svjetlosni impuls, on se ?iri (pove?anje disperzije). U pore?enju sa multimodnim vlaknima, prednosti i nedostaci jednomodnih vlakana su obrnuti: disperzija se smanjuje, ali mali (5-10 mm) pre?nik jezgre znatno ote?ava povezivanje vlakana ovog tipa i uvo?enje laserskog snopa svetlosti u njima.

Kao rezultat toga, monomodna opti?ka vlakna se prete?no koriste u komunikacijskim linijama koje zahtijevaju visoku brzinu prijenosa informacija (visoko rangirane linije u hijerarhijskoj strukturi komunikacijskih linija), a multimodna opti?ka vlakna se naj?e??e koriste u komunikacijskim linijama sa relativnom niska brzina prenosa informacija. Postoje takozvane koherentne opti?ke veze za koje su prikladna samo jednomodna vlakna. U vi?emodnom opti?kom vlaknu koherencija primljenih svjetlosnih valova se smanjuje, pa je njegova upotreba u koherentnim komunikacijskim linijama neprakti?na, ?to je predodredilo upotrebu samo jednomodnih opti?kih vlakana u takvim linijama.

Naprotiv, iako se pri kori?tenju opti?kih vlakana za senzore javljaju i navedeni faktori, ali je u mnogim slu?ajevima njihova uloga ve? druga?ija. Konkretno, kada se opti?ka vlakna koriste za koherentna mjerenja, kada ova vlakna formiraju interferometar, va?na prednost jednomodnih vlakana je mogu?nost prijenosa informacija o fazi opti?kog vala, ?to nije izvodljivo kod multimodnih vlakana. Stoga je u ovom slu?aju potrebno samo jednomodno opti?ko vlakno, kao u koherentnim komunikacijskim linijama.

Me?utim, u praksi je upotreba jednomodnog opti?kog vlakna u mjerenjima netipi?na zbog njegove male disperzije. Tako se u senzornoj optoelektronici, sa izuzetkom interferometarskih senzora, koriste vi?emodna opti?ka vlakna. Ova okolnost se obja?njava i ?injenicom da je du?ina opti?kih vlakana koja se koriste u senzorima mnogo manja nego u sistemima. opti?ka komunikacija.

Treba napomenuti op?te prednosti opti?kih vlakana:

?irokopojasni (treba da bude do nekoliko desetina teraherca);
· niski gubici (minimalno 0,154 dB/km);
· mali (oko 125 mikrona) pre?nik;
· mala (oko 30 g/km) masa;
elasti?nost (minimalni radijus savijanja 2 mm);
mehani?ka ?vrsto?a (izdr?i vla?no optere?enje od pribli?no 7 kg);
· odsustvo me?usobne smetnje (preslu?avanje tipa poznatog u telefoniji kao "prijelazni razgovori");
neinduktivno (prakti?no bez utjecaja elektromagnetna indukcija, a samim tim i negativne pojave povezane sa pra?njenjem groma, blizinom dalekovoda, strujnim impulsima u elektroenergetskoj mre?i);
sigurnost od eksplozije (zagarantovana apsolutnom nesposobno??u vlakna da izazove iskru);
visoka elektri?na izolaciona ?vrsto?a (na primjer, vlakno du?ine 20 cm mo?e izdr?ati napon do 10.000 V);
· visoka otpornost na koroziju, posebno na hemijska otapala, ulja, vodu.

U praksi, upotreba opti?kih senzora ima najve?a vrijednost posljednja ?etiri nekretnine. Prili?no korisna svojstva kao ?to su elasti?nost, mali promjer i masa. ?irokopojasni i mali gubici zna?ajno pove?avaju mogu?nosti opti?kih vlakana, ali ove prednosti ne prepoznaju uvijek programeri senzora. Me?utim, sa moderne ta?ke gledi?ta, as funkcionalnost opti?kih senzora u bliskoj budu?nosti, ova situacija ?e se postepeno pobolj?avati.

Kao ?to ?e biti prikazano u nastavku, u opti?kim senzorima, opti?ko vlakno se mo?e koristiti jednostavno kao dalekovod, ili mo?e igrati ulogu najosetljivijeg elementa senzora. U potonjem slu?aju koristi se osjetljivost vlakna na elektri?no polje (Kerrov efekat), magnetsko polje(Faradayev efekat), vibracije, temperatura, pritisak, deformacije (npr. savijanje). Mnogi od ovih efekata su opti?ki sistemi veze se ocjenjuju kao nedostaci, dok se kod senzora njihov izgled smatra prije prednosti koju treba razviti.

Moderni opti?ki senzori omogu?avaju vam mjerenje gotovo svega. Na primjer, pritisak, temperatura, udaljenost, polo?aj u prostoru, brzina rotacije, linearna brzina, ubrzanje, vibracija, masa, zvu?ni valovi, nivo teku?ine, deformacija, indeks loma, elektri?no polje, struja, magnetsko polje, koncentracija gasa, doza zra?enja. Cijela tehnika endoskopije bazira se na kori?tenju snopova takvih vlakana.

Ako opti?ke senzore klasifikujemo u smislu upotrebe opti?kog vlakna u njima, onda se oni ugrubo mogu podeliti na senzore u kojima se opti?ko vlakno koristi kao prenosni vod i senzore u kojima se koristi kao senzorski element. Senzori tipa "transmisiona linija" uglavnom koriste multimodna opti?ka vlakna, dok senzori tipa senzora naj?e??e koriste jednomodna opti?ka vlakna.

Sa opti?kim senzorima sa vlaknima kao dalekovodom, mogu se izmjeriti sljede?e fizi?ke veli?ine:

· senzor prolaznog tipa: temperatura (na osnovu merenja promene konstantne luminiscencije u multimodnim vlaknima, u opsegu 0 - 70 °C sa ta?no??u od ± 0,04 °C);
Senzor reflektivnog tipa: koncentracija kiseonika u krvi (dolazi do promene spektralnih karakteristika, detektuje se intenzitet reflektovane svetlosti, opti?ko vlakno je snop, sa pristupom kroz kateter).

Ako se opti?ko vlakno u senzoru koristi kao osjetljivi element, onda je to mogu?e sljede?e aplikacije:

· Michelsonov interferometar omogu?ava mjerenje pulsa, brzine protoka krvi: pomo?u Doplerovog efekta mo?emo otkriti frekvenciju otkucaja – koriste se i jednomodna i vi?emodna vlakna; mjerni opseg: 10 -4 - 10 8 m/s.
na osnovu neinterferometrijske strukture, mogu?e je napraviti senzor koji vam omogu?ava da odredite dozu jonizuju?e zra?enje, fizi?ki fenomen koji se koristi je formiranje centra za bojenje, detektovana vrijednost je intenzitet propu?tene svjetlosti.

Sumiraju?i, mora se re?i da su glavni elementi opti?kog senzora: opti?ko vlakno, ure?aji za emitiranje svjetlosti (izvor svjetlosti) i ure?aji za primanje svjetlosti, te opti?ki senzorski element.

Osim toga, potrebne su posebne linije za komunikaciju izme?u ovih elemenata ili za formiranje mjernog sistema sa senzorom. Dalje, za prakti?nu implementaciju opti?kih senzora potrebni su elementi sistemske tehnologije, koji zajedno sa navedenim elementima i komunikacijskom linijom ?ine mjerni sistem.

Klasifikacija glavnih struktura opti?kih senzora:

s promjenom karakteristika vlakana (uklju?uju?i posebna vlakna);
s promjenom parametara propu?tenog svjetla;
sa osjetljivim elementom na kraju vlakna.

Fotoelektri?ni senzori

opti?ki senzor o?ima moderne automatizovane proizvodnje. Ve?ina fotosenzora radi u infracrvenom podru?ju spektra. Fotoelektri?ni senzori se dijele u tri glavna tipa:

T-tip ili THRU-BEAM(razmaknuta optika) ili senzori za prekid opti?kog snopa. Sastoje se od prijemnika i emitera postavljenih jedan naspram drugog. Objekt, prolaze?i izme?u prijemnika i emitera, prekida opti?ki snop, ?to dovodi do promjene stanja izlaznog klju?a prijemnika.

R - tip ili RETRO(sa refleksijom reflektora/reflektora). Emiter i prijemnik su u istom ku?i?tu. Opti?ki impuls koji ?alje emiter odbija se od reflektora i poga?a prijemnik. Prekid zraka od strane objekta koji se nalazi izme?u reflektora i senzora dovodi do promjene stanja izlaznog klju?a senzora.

D-tip ili DIFFUSE(sa odrazom od objekta). Refleksija opti?kog snopa se javlja direktno od objekta detekcije. U odsustvu objekta opti?ka linija otvoren, pri pribli?avanju senzoru objekta, dio energije (u zavisnosti od boje objekta i njegove hrapavosti) opti?kog impulsa se odbija od objekta i ulazi u prijemnik senzora koji se nalazi u istom ku?i?tu sa emiterom, ?to dovodi do promjena u stanju izlaznog klju?a.

Na malim udaljenostima, unutar "mrtve zone" senzori tipa R percipiraju objekt kao reflektor, zbog ?ega se objekt ne detektuje. Da biste izbjegli takve slu?ajeve, treba koristiti senzore s polarizacijskim filterom.

Knjiga je uvodni kurs u brzo razvijaju?e polje opti?kih senzora koji pokriva nova podru?ja primjene. Svaki od tri odjeljka - "Glavne komponente", "Tehnologija" i "Aplikacije" - daje pojedina?ne primjere velikog napretka u ovoj oblasti. Zajedno, oni pru?aju in?enjerima, nau?nicima, dodiplomskim i postdiplomskim studentima potpuno razumijevanje opti?kih senzora.
Knjiga se mo?e koristiti kao pomo?no sredstvo za ?itanje obuke, kao i na industrijskim seminarima o opti?kim senzorima.

Vrste opti?kih vlakana.

?ini se da su ljudi po?eli koristiti svjetlost kao sredstvo komunikacije otkako su nau?ili koristiti vatru. Signalni po?ari i dimni signali se koriste hiljadama godina. Izumom ogledala za prijenos signala na znatne udaljenosti, sunce se po?elo koristiti kao izvor svjetlosti. Ljudi koji su primili poruke su ih protuma?ili na odgovaraju?i na?in. Takve metode su se vekovima pobolj?avale i razvijale. Poznat je videotelefon Alexandera Grahama Bella, koji se koristio za prijenos poruka pomo?u svjetlosnog snopa na udaljenosti od oko 200 m. Razvoj ovakvih metoda bio je sputan nedostatkom dobrih izvora svjetlosti i pouzdanih kanala za prijenos sa malim gubicima. Situacija se potpuno promijenila 1962. izumom lasera. U slobodnom prostoru, koherentnu svjetlost koju emituje takav izvor mo?e primiti udaljeni prijemnik stotinama hiljada kilometara. Nedostatak odgovaraju?eg medija za prenos, me?utim, nastavio je da ko?i razvoj opti?kih komunikacija, sve dok Capron i saradnici nisu pokazali da je slabljenje svetlosti u fuzionisanom silicijumskom vlaknu toliko nisko da dozvoljava stvaranje produ?enih komunikacionih linija. Koriste?i duga?ka vlakna tanka kao dlaka, mogu?e je polo?iti mnogo kilometara vlaknastih linija za prijenos signala
sa modulisanim lasersko zra?enje.

Na sl. Slika 2.2 pokazuje kako se svjetlost prenosi kroz vlakno. Zamislite pliva?a na dnu jezera. Ako gleda na povr?inu vode pod dovoljno malim uglom, dno rezervoara ?e se u potpunosti odraziti na interfejs voda-vazduh. Otprilike ista stvar se de?ava unutar vlakna; svjetlost se prenosi zbog mnogih unutra?njih refleksija. Unutar vlakna, svjetlost se odbija od materijala opti?kog omota?a, koji ima ni?i indeks prelamanja, natrag prema jezgri. Dakle, kontinuirane unutra?nje refleksije omogu?avaju ?irenje svjetlosti u smjeru putovanja. Istovremeni po?etak proizvodnje od strane Corning Inc. i Bell Labs vlakna s malim gubicima otvorila su vrata opti?kim komunikacijama i jeftinim opti?kim senzorima koji su sposobni za visoke performanse.

Sadr?aj
Predgovor
Poglavlje 1
Pojava tehnologije opti?kih senzora
Poglavlje 2
Opti?ko vlakno
2.1. Uvod
2.2. Vrste opti?kih vlakana
2.2.1. Snelov (Snellov) zakon prelamanja i totalne unutra?nje refleksije
2.2.2. Vi?emodno vlakno stepenasti profil (stepeni indeks loma)
2.2.3. Jednomodno stepenasto indeksno vlakno
2.2.4. Pro?irenje pulsa
2.2.5. Opti?ko vlakno sa stepenastim profilom indeksa prelamanja
2.2.6. Jednomodno vlakno koje odr?ava polarizaciju
2.3. Tehnologije proizvodnje opti?kih vlakana
2.3.1. Modificirana metoda hemijskog talo?enja parom
2.3.2. Metoda eksterne hemijske precipitacije
2.3.3. Metoda aksijalnog talo?enja (VAD)
2.3.4. staklene ?ipke
2.3.5. Slabljenje u talasovodima opti?kih vlakana
2.4. Kori?tenje svojstava opti?kih vlakana za stvaranje senzora
2.4.1. bend
2.4.2. Komunikacija prigu?enih oscilacija i senzor izgra?en na ovom principu
2.4.3. Usmjereni razdjelnici i njihova upotreba za izgradnju senzora
2.5. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 3
Izvori svjetlosti
3.1. Uvod
3.2. Osnovna svojstva izvora svjetlosti
3.2.1. Spontana emisija
3.2.2. Stimulirana emisija
3.2.3. superradiance
3.3. Du?ina koherencije
3.4. Poluprovodni?ki izvori svjetlosti
3.4.1. Diode koje emituju svetlost
3.4.2. Laserske diode
3.4.3. Super-emitiraju?e diode
3.4.4. Laseri i poja?ala sa opti?kim vlaknima
3.5. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 4
Prijemnici opti?kog zra?enja
4.1. Uvod
4.2. Teorijska osnova
4.2.1. Statistika registracije opti?kog zra?enja
4.2.2. Osnovni principi rada poluprovodnika
4.3. Poluprovodni?ke fotodiode
4.4. Avalanche photodiodes
4.5. Buka
4.5.1. Mathematical Foundations
4.5.2. ?um zbog strujanja jednosmjernih struja u krugu detektora
4.5.3. Buka zbog termi?kih efekata
4.5.4. Odnos signala i ?uma
4.6. Registracija spektra
4.7. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 5
Opti?ki modulatori za opti?ke senzore
5.1. Uvod
5.2. Elektro-opti?ki efekat
5.3. Modulatori volumena
5.3.1. Elektroopti?ka fazna modulacija
5.3.2. Elektroopti?ka modulacija intenziteta
5.3.3. Volumetrijski akusto-opti?ki pomak frekvencije
5.4. Integrisani opti?ki modulatori
5.4.1. Fazna modulacija
5.4.2. Interferometrijska modulacija intenziteta
5.4.3. Integrirani opti?ki pretvara?i frekvencije
5.5. ?isti opti?ki modulatori
5.5.1. Fazna modulacija
5.5.2. Odstupanje frekvencije
Knji?evnost
Poglavlje 6
Senzori zasnovani na mjerenju intenziteta i Fabry-Perot interferometru
6.1. Senzori intenziteta
6.2. Senzori temperature sa poluvodi?kim senzorskim elementom
6.3. Dava?i polo?aja
6.4. Multimode Fabry-Perot senzori
6.4.1. Istorija razvoja multimodnih Fabry-Perot senzora
6.4.2. Principi rada
6.4.3. Dizajn senzora
6.4.4. Metode ?itanja
6.5. Jednomodni Fabry-Perot senzori
6.5.1. Opcije ?ita?a za jednostruke senzore
Knji?evnost
Poglavlje 7
Vi?emodni difrakcijski senzori
7.1. Uvod
7.2. Teorijska osnova
7.2.1. Metode opti?kog kodiranja
7.3. Senzori zasnovani na relativnom kretanju nizova jedan naspram drugog
7.4. Senzori bazirani na modulaciji perioda re?etke
7.5. Status razvoja senzora
7.6. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 8
Multimode polarizacijski senzori
8.1. Uvod
8.2. Teorijska osnova
8.2.1. Fenomenolo?ki opis polarizacije i ka?njenja
8.2.2. Poincar? sfera
8.2.3. Muller i Jones formalizmi
8.2.4. Ka?njenje i posebna svojstva polutalasne plo?e
8.2.5. Efekat fotoelasti?nosti
8.2.6. Opti?ko odbijanje zajedni?kog moda
8.2.7. Metode opti?kog kodiranja
8.2.8. Rezolucija i ?um
8.3. Senzori zasnovani na efektu fotoelasti?nosti
8.4. Senzori fazne plo?e
8.5. Status razvoja senzora
Knji?evnost
Poglavlje 9
Opti?ki senzori bazirani na Sagnac interferometru i pasivnom prstenastom rezonatoru
9.1. Uvod
9.2. Kratka recenzija senzori opti?ke rotacije i Sagnac efekta
9.3. Prstenasti laserski ?iroskop
9.3.1. Rje?avanje problema blokiranja
9.4. ?iroskop sa pasivnim prstenastim rezonatorom
9.5. opti?ki ?iroskop
9.6. Kompromis izme?u prstenastog lasera, pasivnog prstenastog rezonatora i opti?kog interferometra kada se koristi kao senzor rotacije
9.6.1. Raspored i proizvodne mogu?nosti
9.6.2. Pitanja pouzdanosti i primjene
9.7. Senzori parametara spolja?nje okru?enje koriste?i Sagnac interferometar
9.7.1. Ekolo?ki fenomeni koji se brzo mijenjaju: detekcija akusti?nih vibracija
9.7.2. Akusti?ni senzor baziran na Sagnac interferometru koji koristi izvor svjetlosti kao poja?alo
9.7.3. Konfiguracije opti?kih koluta
9.7.4. Fazna i polarizaciona modulacija
9.7.5. Mehani?ki stres
9.7.6. Merenje talasne du?ine
9.7.7. zaklju?ci
Knji?evnost
Poglavlje 10
Opti?ki senzori bazirani na interferometrima Mach-Zehnder i Michelson
10.1. Uvod
10.2. Princip rada
10.2.1. Dvostruka interferometrija
10.2.2. Demodulacija
10.2.3. Buka
10.2.4. Polarizacija
10.3. ?eme fiber interferometara
10.4. Prijave
10.4.1. Dinami?ke aplikacije
10.4.2. Stati?ke aplikacije
10.5. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 11
Distribuirani i multipleksirani opti?ki senzori
11.1. Uvod
11.2. Distribuirana mjerenja
11.2.1. Opti?ki raspon u sistemima vlakana
11.2.2. Rejlijeve metode merenja povratnog rasejanja
11.2.3. Ramanovo mjerenje temperature povratnog raspr?enja
11.2.4. Distribuirana mjerenja zasnovana na interakciji modova
11.2.5. Kvazi-distribuirani senzori
11.3. Osnovni principi multipleksiranja senzora
11.3.1. Osnove telemetrije: Mre?e
11.3.2. Mre?e senzora intenziteta
11.4. Multipleksiranje interferometrijskih senzora
11.4.1. Interferometrijske tehnike demodulacije za multipleksno spregnute senzore
11.4.2. Multipleksna topologija interferometrijskih senzora
Knji?evnost
Poglavlje 12
Senzori magnetnog polja opti?kih vlakana
12.1. Uvod
12.2. Senzori zasnovani na Faradejevom efektu
12.2.1. Faradayev efekat u opti?kim vlaknima
12.2.2. Buka
12.2.3. Senzorske strukture
12.3. Magnetostriktivni senzori
12.3.1. Magnetostrikcija
12.3.2. Magnetostriktivni pretvara?i
12.3.3. ?um u magnetostriktivnim senzorima
12.3.4. Senzorske strukture
12.4. Senzori zasnovani na Lorencovoj sili
Knji?evnost
Poglavlje 13
Industrijska primjena opti?kih senzora
13.1. Uvod
13.2. Osnove
13.3. Merenje temperature
13.4. Merenje pritiska
13.5. Merenje nivoa te?nosti
13.6. Merenje protoka
13.7. Merenje polo?aja
13.8. Merenje vibracija
13.9. Hemijska analiza
13.10. Mjerenje struje i napona
13.11. Va?ne napomene za industrijsku primjenu
13.12. Sa?etak
Knji?evnost
Poglavlje 14
Pametne strukture opti?kih vlakana
14.1. Uvod
14.2. Sistemi opti?kih senzora
14.3. Primjena pametnih struktura i ?koljki iz opti?kih vlakana
14.4. Primjer kori?tenja opti?kog senzora u pametnim strukturama
14.5. Zaklju?ak
Knji?evnost
Dodatak A
Poglavlje A.1
Zero shift
Poglavlje A.2
Opti?ki elementi
Aplikacija
Knji?evnost
Dodatak B
Knji?evnost.

Stranica 1

Opti?ki senzori trenutno su jedno od podru?ja optoelektronike koji se najdinami?nije razvija. U proteklih 30 godina do?lo je do brzog prelaska sa najjednostavnijih dizajna opti?kih senzora temperature i pritiska na stvaranje ?irokog spektra senzora fizi?ke veli?ine, koji nau?nici i in?enjeri danas koriste u razli?itim oblastima nauke i tehnologije. Intenzivan razvoj i unapre?enje opti?kih senzora uvelike je stimulisan sve ?irim procesom uvo?enja opti?kih telekomunikacionih mre?a u svakodnevni ?ivot. Pored stalnog pobolj?anja karakteristika elementarne baze opti?ka vlakna, koji se direktno koristi u tehnologiji proizvodnje opti?kih senzora, ovo otvara ?iroke izglede za stvaranje razgranatih mjernih sistema koji organski kombinuju svojstva komunikacionih sistema i sistema za pra?enje, ?ija se konfiguracija mo?e kontinuirano pobolj?avati bez uklju?ivanja dodatnih komunikacionih linija. . Va?na prednost opti?kih senzora je i uvo?enje novih kvaliteta u merne sisteme, kao ?to su: mala veli?ina, otpornost na nekontrolisane i agresivne uticaje okru?enje i na elektromagnetne smetnje, visoku osjetljivost, mjernu udaljenost i mogu?nost multipleksiranja pojedina?nih senzora u slo?ene mjerne sisteme, mogu?nost proizvodnje i potencijalno niske cijene.

Opti?ki senzori bazirani na SFIFP i VFIFP obi?no su malih dimenzija i najpogodniji su za lokalna mjerenja parametara fizi?kih polja.

Amplitudni opti?ki senzori, kod kojih, kao rezultat vanjskog fizi?kog utjecaja, dolazi do direktne modulacije intenziteta opti?kih signala koji se ?ire kroz svjetlovode, najjednostavniji su i najlak?i za kori?tenje dizajni FOS-a. Do danas su razvijeni razli?iti dizajni amplitudnih fizi?kih veli?ina FOS, koje se uslovno mogu podijeliti u dvije glavne klase. Prva klasa senzora uklju?uje amplitudnu FOS, u kojoj opti?ka vlakna obavljaju pasivnu funkciju povezanu samo s dovodom i uklanjanjem zra?enja iz osjetljivog elementa. Takvi dizajni su vrlo osjetljivi i prili?no jednostavni, ali imaju niz nedostataka koji ne dopu?taju njihovu upotrebu u distribuiranim mre?ama. merni sistemi. Ovi nedostaci le?e u potrebi da se prekine kontinualna vlaknasta linija kako bi se osiguralo uno?enje zra?enja u osjetljivi element senzora, ?to dovodi do zna?ajnih gubitaka svjetlosne snage na elementima me?upovezivanja, osim toga, kori?tenje razli?itih opti?ke komponente uzrokuje nisku mehani?ku stabilnost karakteristika mjernih ure?aja.

U opti?kim senzorima, VOBR rade u na?inu refleksije zra?enja.

Ostale komponente opti?kih senzora, kao ?to su razdjelnici vlakana, mogu raditi bez promjene svojih svojstava do temperatura od 200 - 300 C, a izvori zra?enja, fotodetektori i modulatori do temperatura od 100 - 150 C. Iz tog razloga, izvori zra?enja zra?enje, multipleksiranje senzora i obrada signala u sistemima telemetrije sa opti?kim vlaknima u vazduhoplovstvu moraju biti zatvoreni u posebnim hla?enim jedinicama.

Zna?ajno mjesto me?u opti?kim senzorima mogu zauzeti polarizacijski senzori i senzori bazirani na multimodnim interferometrima s jednim vlaknom, koji, kao i Fabry-Perot fiber interferometri, zahtijevaju samo jednu mjernu putanju vlakana i ne zahtijevaju dodatnu referentnu ruku, ?to uvelike pojednostavljuje projektovanje mernih sistema.

Opti?ka vlakna za opti?ke senzore Trenutno, glavni prioritet industrije opti?kih vlakana je razvoj opti?kih vlakana za telekomunikacijske aplikacije. Ova vlakna imaju nisko slabljenje od 0,5 dB/km i optimizirana su za upotrebu u spektralnom opsegu oko 13 i 155 µm. Ove dvije talasne du?ine zra?enja su od interesa sa stanovi?ta prisustva nulte disperzije materijala (1 3 mm) i minimalnih gubitaka (1 55 mm) za jednomodna kvarcna vlakna. Istovremeno, stvaranje opti?kih senzora zahtijeva kori?tenje zra?enja iz drugih podru?ja spektra, kao i multimodnih opti?kih vlakana. Za opti?ke senzore tako?e je od velike va?nosti da se optimizuje izbor pre?nika jezgre, njenog materijala i razlike izme?u indeksa prelamanja jezgre i omota?a.

Izvori zra?enja u opti?kim senzorima su laseri (plinski, ?vrsti i poluvodi?ki laseri), diode koje emituju svjetlost, superluminiscentni i laserski opti?ki emiteri. Diode koje emituju svjetlost i superluminiscentni emiteri od vlakana temelje se na spontanoj emisiji svjetlosti, zbog ?ega imaju vi?e ?irok raspon zra?enja i mnogo kra?u du?inu koherentnosti svjetlosti koju emituju. Osim toga, statistika spontane emisije ovih izvora svjetlosti bliska je statistici izvora toplinskog zra?enja, ?to ?ini fluktuacije intenziteta svjetlosti odlu?uju?im za njih. Izvori laserskog zra?enja, sa relativno niskim intenzitetom ?uma i uskim spektralnim opsegom emitovane svetlosti, su visoko koherentni izvori svetlosti, ?to ih ?ini izvorima buke intenziteta i izvorima faznog ?uma.

Prostorna rezolucija distribuiranih SMBS opti?kih senzora odre?ena je trajanjem sondiraju?eg laserskog impulsa, dok ta?nost mjerenja temperature i deformacije vlakna ovisi o odnosu signal-?um u mjernom sistemu i ta?nosti mjerenja temperature i deformacije vlakna. mjerenje Brillouinovog pomaka frekvencije u spektru zra?enja.

Takvi nezavisni senzori mogu biti opti?ki senzori temperature zasnovani na Raman efektu ili SBS rasejanju.

Brojni radovi se odnose na stvaranje opti?kih senzora temperature, ?iji se rad zasniva na pomaku opti?ke apsorpcione ivice poluvodi?a.

Kao marketing perspektive za uvo?enje razvoja opti?kih senzora u tehnologiju i industrijska proizvodnja, njihovo tr?i?te je samo u sjeverna amerika do 2010. godine ?e se pove?ati na 5 milijardi dolara. Najve?i izgledi za upotrebu opti?kih senzora vide se u industrijama kao ?to su: hemijska industrija i industrija prerade nafte, vazduhoplovna i svemirska tehnologija, transport, gra?evinarstvo, biomedicinska industrija, vojna primena, itd. u kombinaciji sa digitalnim kartama i Globalni satelitski komunikacijski sistem omogu?io je stvaranje kvalitativno novih navigacijskih sistema za avione i automobile, koji su po svojim karakteristikama znatno superiorniji od svojih elektronskih kolega. Danas se vlaknasti ?iroskopi ve? po?inju uvoditi u sisteme pozicioniranja robotskih ure?aja.

Razvoj opti?kih senzora je promoviran i promoviran, prije svega, napretkom u proizvodnji staklenih vlakana i komponenti njihovih sistema (konektori, izvori svjetlosti, detektori itd.). Svjetlosni snop koji ulazi u opti?ki detektor iz izvora svjetlosti (slika 10.37) pod utjecajem mjerenog parametra (na primjer, pritisak, temperatura, nivo, itd.) podlije?e promjeni intenziteta, polarizacije, faze ili boje u detektor i na taj na?in obezbe?uje prijem informacija. ?irenje svjetlosne volje unutar senzora vr?i se du? staklenih vlakana, koja se koriste, na primjer, u komunikacijskoj tehnologiji. Ovi novi tipovi senzora se prvenstveno koriste u prisustvu agresivnih para ili eksplozivnih me?avina gasa, u podru?jima pove?ane radioaktivnosti i jakih elektromagnetnih polja. Od mnogih opti?kih senzora koji se trenutno koriste, u nastavku su opisana tri karakteristi?na tipa.

Rice. 10.37. Dijagram opti?kog senzora za mjerenje razli?itih parametara (temperatura, nivo, pritisak, itd.).

Rice. 10.38. Dizajnerske verzije opti?kih senzora nivoa:

LWL - svjetlovod; I - oba senzora su suha; II - senzor 2 je uronjen; III - oba senzora su uronjena.

Na sl. 10.38, a prikazuje opti?ki senzor koji obezbe?uje precizno merenje nivo, tj. njegov vi?ak ili potcjenjivanje u odnosu na postavljenu vrijednost. Svjetlost iz LED-a se usmjerava kroz svjetlosnu vodilicu do konusnog kraja senzora i, reflektiraju?i se od njega, poga?a detektor. Kada je konusni kraj senzora uronjen u teku?inu, razlika u indeksima loma se mijenja, a prethodno odstupa zbog totalna refleksija svjetlost izlazi iz konusnog kraja senzora i vi?e ne sti?e do detektora. Rezultiraju?a promjena intenziteta svjetlosti slu?i kao signal da je dostignut unaprijed odre?eni nivo. Princip rada senzora nivoa u obliku slova U je sli?an (slika 10.38, b); ?im se savijeni dio svjetlovodnog vlakna oslobo?enog omota?a uroni u teku?inu, detektor registruje promjenu intenziteta svjetlosti. Imajte na umu da se ulaz i izlaz zra?enja mogu vr?iti kroz dva razli?ita vlakna, kao ?to je prikazano na sl. 10.38, b. U ovom slu?aju, svjetlost se odbija od prizme.

Za merenje nivoa on-off, ure?aj prikazan na sl. 10.38, G. Ovde intenzitet na detektoru do?ivljava dva skoka, odnosno kada su senzori 1 i 2 uronjeni, respektivno (vidi sliku 10.38, d).

Ova ?ema se mo?e pro?iriti povezivanjem nekoliko ovih krajnjih prekida?a (svaki sa dvije mjerne to?ke) u jedan sistem. Kao rezultat, 10 ta?aka se mo?e nadgledati sa 5 krajnjih prekida?a, obezbe?uju?i gotovo kontinuiranu kontrolu nivoa.

U pore?enju sa konvencionalnim metodama, mjerenje temperature opti?kim senzorima je mnogo radno intenzivnije. Me?utim, za odre?ene primjene ovi tro?kovi su opravdani, jer su poznate metode podlo?ne smetnjama. One prvenstveno uklju?uju sljede?a podru?ja primjene:

u industrijskoj upotrebi RF i mikrotalasne tehnologije (prehrambena industrija, vulkanizacija, zagrevanje lepkova, primena plasti?ne obloge, indukcijsko grijanje itd.);

in hemijska tehnologija(mjerenje temperature u visoko korozivnim sredinama, u elektrohemijskim procesima, u slu?aju eksplozivnih i lako zapaljivih materijala);

u elektri?noj i elektronskoj industriji (komponente kola visokog napona, termi?ke karakteristike upravlja?kih kola i elektronskih komponenti, merenja u proizvodnji poluprovodnika, vru?e ta?ke u transformatorima velike snage itd.);

u biologiji i medicini (biolo?ki efekti pri izlaganju elektromagnetnom zra?enju, pregrijavanje zbog izlaganja mikrovalnom zra?enju itd.);

u istra?iva?koj praksi (mjerenje najmanjih uzoraka, mjerenja u prisustvu elektri?nih polja, plazme ili elektronskih zraka, precizno mjerenje povr?ina materijala sa slabom elektri?nom provodljivo??u).

Princip rada opti?kog senzora temperature zasniva se na temperaturnoj zavisnosti intenziteta razli?itih fluorescentnih linija nekih fosfora. Ure?aj takvog senzora prikazan je na sl. 10.39. Preko sistema displeja (L 1 , F, D 1 ...D 3 , L 3) koje emituje izvor (St) UV zra?enje se fokusira u kvarcni svetlovod, ?iji je kraj prekriven slojem teflona PFA (spoljni pre?nik 0,7 mm). Na kraju svetlosnog vodi?a nalazi se fosforni sloj (La 2 O 2 S:Eu) debljine 0,13 mm, koji pod dejstvom UV zra?enja emituje fluorescentno zra?enje u spektralnom opsegu od 500...600 nm. Ovo zra?enje se opet usmjerava kroz vlakno do opti?kog sistema, gdje su dvije specifi?ne linije Y i R odvojene od njega filterima IF 1 i IF 2. Odnos intenziteta Y/R, odre?en elektronski, je monotona funkcija temperature u rasponu od -50 do +250°C. Rezolucija je 0,1°C sa gre?kom od ±2°C.

Na sl. 10.40 prikazuje senzor za beskontaktno mjerenje struje u opsegu od 0,2 ... 6000 A. Ovdje kori?ten princip mjerenja zasniva se na Faradejevom efektu.

Linearno polarizirani laserski snop se uvodi u zavojnicu iz opti?kog vlakna, du? ?ije ose prolazi strujni kabel. Pod uticajem struje I, ravan polarizacije svetlosti rotira (Faradayev efekat) za ugao a(I) = 2NVI, gde je N broj zavoja vlakna oko kabla, V je Verdetova konstanta vlakna materijal.

Zatim se pomo?u Wollaston prizme (WP) me?usobno okomite polarizacijske komponente usmjeravaju na detektore D 1 i D 2 . Signali detektora se dalje unose u ra?unarski ure?aj. Kao rezultat toga, rezultati mjerenja imaju odstupanje od linearnosti manje od 1%.

Rice. 10.39. Opti?ki senzor temperature ( a), ovisnost intenziteta spektralnih linija Y i R od temperature ( b) i raspodjelu intenziteta ekscitatornog fluorescentnog zra?enja ( in).