Principio di classificazione e caratteristiche dei sensori a fibra ottica

Sensori in fibra ottica hanno i vantaggi dell'anti-interferenza elettromagnetica, forte resistenza agli incidenti, miniaturizzazione, e alta precisione. Promuovere l'applicazione dei sensori in fibra ottica in più settori, è stato riassunto lo stato di avanzamento della ricerca sui sensori in fibra ottica. FJINO ha introdotto i componenti e i principi di base dei sensori in fibra ottica, e ha riassunto le caratteristiche di classificazione dei sensori in fibra ottica. In base al ruolo delle fibre ottiche nei sensori, possono essere suddivisi in funzionali (tutta fibra) sensori in fibra ottica, sensori in fibra ottica di tipo a trasmissione, e sensori a fibra ottica di tipo pickup. Secondo il metodo di modulazione delle onde luminose, può essere suddiviso in sensori a fibra ottica del tipo a modulazione di intensità, sensori a fibra ottica del tipo a modulazione di frequenza, sensori a fibra ottica del tipo a modulazione di lunghezza d'onda, sensori a fibra ottica del tipo a modulazione di fase, e sensori in fibra ottica del tipo a modulazione di polarizzazione. Secondo la distribuzione degli obiettivi del sensore, può essere suddiviso in sensori a fibra ottica di tipo puntiforme, quasi fibra ottica distribuita sensori, e sensori distribuiti in fibra ottica. I sensori a fibra ottica hanno un'ampia gamma di applicazioni nel campo della temperatura, spostamento, e misurazione del gas, e il futuro trend di sviluppo 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 a fibra ottica ebbe inizio 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 più importanti del processo di informatizzazione umana. La fibra ottica è un eccellente componente sensibile adatto alla trasmissione remota e con un ampio raggio di monitoraggio; In secondo luogo, 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 al monitoraggio in ambienti difficili come quelli infiammabili, esplosivo, e interferenze elettromagnetiche. Perciò, i sensori in fibra ottica sono stati studiati e applicati in vari campi, diventando leader nel settore dei sensori.

Questo articolo introduce principalmente i componenti e i principi di base dei sensori in fibra ottica, e descrive dettagliatamente la classificazione dei sensori in fibra ottica secondo diversi metodi di classificazione, nonché le loro applicazioni in termini di temperatura, spostamento, e gas. Finalmente, vengono discusse le tendenze future di sviluppo dei sensori in fibra ottica.

Principio del sensore a fibra ottica

Fibra ottica i sensori 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 fotorilevatore e la parte di elaborazione del segnale sono chiamati zona di demodulazione. Quando la luce emessa dalla sorgente luminosa viene accoppiata alla 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, ecc.) a causa dell'influenza della luce misurata nella zona di modulazione, diventando la luce di segnalazione modulata. Dopo essere stato trasmesso attraverso le fibre ottiche al fotorivelatore, il fotorilevatore 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 a fibra ottica

Classificato in base al ruolo delle fibre ottiche nei sensori

In base al ruolo della fibra ottica nei sensori, I sensori in fibra ottica possono essere suddivisi in sensori in fibra ottica funzionali, sensori in fibra ottica di trasmissione, e sensori in fibra ottica di raccolta.

① Sensore a fibra ottica funzionale.

Sensori funzionali in fibra ottica, noti anche come tutti i sensori in fibra ottica, sono costituiti da una fibra ottica continua che accoppia la fibra emittente della sorgente luminosa e la fibra ricevente del rilevatore 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 fibra ottica, idrofoni a fibra ottica, ecc.

② Sensore a fibra ottica per la trasmissione della luce.

La fibra ottica del sensore a fibra ottica di tipo a 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 costo, e facile implementazione, ma la sua sensibilità è inferiore a quella dei sensori funzionali in fibra ottica. La maggior parte dei sensori a fibra ottica disponibili in commercio appartengono attualmente ai sensori a fibra ottica del tipo a trasmissione.

③ Sensore a fibra ottica di tipo pick-up.

Il sensore a fibra ottica del tipo pickup utilizza le 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 laser Doppler 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, ottenere la misura della velocità locale di fluidi opachi. Inoltre, I velocimetri Doppler vengono utilizzati anche per misurare la velocità dei treni. I sensori di temperatura a fibra ottica riflettenti sono anche uno dei rappresentanti dei sensori a 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 in fibra ottica possono essere suddivisi in cinque tipi: sensori in fibra ottica a modulazione di intensità, sensori in fibra ottica a modulazione di fase, sensori in fibra ottica a modulazione di frequenza, sensori in fibra ottica con modulazione di lunghezza d'onda, e sensori in fibra ottica con modulazione di polarizzazione.

① Sensore a fibra ottica a intensità modulata.

La modulazione dell'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 (i.e. demodulazione). La maggior parte dei sensori in fibra ottica con intensità modulata si basano sulla modulazione dell'intensità riflettente. Questo tipo di sensore ha una struttura semplice, basso costo, 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 modulazione di intensità sono iniziati prima, e negli ultimi anni, la ricerca è stata costantemente rivoluzionaria e innovativa.

② Sensore a fibra ottica a modulazione di frequenza.

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

③ Sensore a fibra ottica modulato in 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 con modulazione della lunghezza d'onda includono sensori di temperatura con interferometro in fibra in cascata basati sull'effetto cursore. Sebbene l'intervallo di misurazione della temperatura di questo sensore sia ridotto, la sua enorme sensibilità gli consente di soddisfare alcune esigenze particolari, come 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 della fibra ottica. Il rapido sviluppo dei sensori in fibra a reticolo di Bragg negli ultimi anni ha ampliato la gamma di applicazioni dei sensori ottici funzionali di modulazione della lunghezza d'onda.

④ Sensore a 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, cambia l'indice di rifrazione o costante di propagazione dell'elemento sensibile, provocando un cambiamento nella fase della luce trasmessa. Poi, 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 intervallo di misurazione dinamica, ma richiede un'elevata precisione per la sorgente luminosa e il sistema di rilevamento.

⑤ Sensore a fibra ottica del tipo a modulazione di polarizzazione.

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

Classificare per distribuzione target

Secondo la distribuzione degli obiettivi di rilevamento, i sensori possono essere suddivisi in sensori a fibra ottica di tipo puntiforme, sensori a fibra ottica quasi distribuiti, e sensori distribuiti in fibra ottica.

① Sensore a fibra ottica di tipo puntiforme.

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

② Sensore a fibra ottica quasi distribuito.

I sensori in fibra ottica quasi distribuiti possono eseguire il rilevamento multipunto su target simultaneamente, con sensori in fibra ottica di tipo multipunto collegati al cavo in fibra ottica. I tipici casi di applicazione dei sensori in fibra ottica quasi distribuiti includono gli array di idrofoni in fibra ottica [24] e sensori a matrice di reticoli in fibra ottica.

Il vantaggio dei sensori a fibra ottica quasi distribuiti è la capacità di eseguire il rilevamento multipunto simultaneo, che rappresenta un'importante tendenza di sviluppo nel rilevamento in fibra ottica. Tuttavia, il numero di punti che possono essere rilevati simultaneamente dagli attuali sensori a 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 dei segnali, ed è adatto per rilevare la distribuzione delle deformazioni delle strutture. Per esempio, nelle grandi strutture applicate all'ingegneria civile, parametri importanti come lo spostamento, lo stress interno o superficiale della struttura può essere misurato rapidamente e in modo non distruttivo. Basato sulla distribuzione dei parametri dell'onda ottica lungo il cavo in fibra ottica, e ottenendo contemporaneamente l'informazione sulla distribuzione del segnale misurato che varia nel tempo e nello spazio nella regione della fibra di rilevamento, rilevamento continuo su un ampio raggio, lunga distanza, e si può ottenere molto tempo.

Attualmente, i principali tipi di sensori in fibra ottica distribuiti includono sensori in fibra ottica interferometrici, sensori a reticolo di Bragg in fibra, ecc. Nelle applicazioni ingegneristiche, La tecnologia di rilevamento distribuito in fibra ottica può monitorare in modo continuo e dinamico i cambiamenti di forza degli oggetti target senza interruzioni, con elevata precisione e forte capacità anti-interferenza nel monitoraggio dei risultati.

Applicazione dei sensori a fibra ottica

I sensori in fibra ottica possono raggiungere un'ampia gamma di rilevamenti di quantità fisiche e possono misurare molti parametri esterni. Tra loro, le applicazioni di misura della 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 a fibra ottica

2. Sensore di spostamento in fibra ottica.

3. Sensore di gas a fibra ottica.

Negli ultimi due decenni, con lo sviluppo degli impianti tecnologici, sono stati ampiamente utilizzati sensori in fibra ottica basati sulle caratteristiche intrinseche delle fibre ottiche. I sensori in fibra ottica continueranno a svilupparsi, che influenzano lo sviluppo sociale e vari aspetti della vita delle persone. Inoltre, si dovrebbe prestare attenzione alle tecnologie chiave e alle applicazioni dei sensori a fibra ottica in campi speciali. Negli anni '90, paesi stranieri hanno condotto ricerche sull'applicazione dei sensori a fibra ottica nelle centrali nucleari. I sensori in fibra ottica possono coprire la misurazione di vari parametri nelle centrali nucleari. In teoria, 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, antidisturbo elettromagnetico distribuito, e sicurezza intrinseca. In futuro, per soddisfare i requisiti delle applicazioni di automazione, La tecnologia di rete di sensori wireless in fibra ottica è la chiave per raggiungere l'automazione. Può ottenere il monitoraggio in tempo reale, che è favorevole al raggiungimento della produzione automatizzata. I sensori wireless in fibra ottica avranno ampie prospettive di applicazione.

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