Classification principle and characteristics of fiber optic sensors-INNO

Penderia gentian optik have the advantages of anti electromagnetic interference, strong accident resistance, miniaturization, dan ketepatan yang tinggi. To promote the application of fiber optic sensors in more industries, the research progress of fiber optic sensors has been summarized. FJINO introduced the basic components and principles of fiber optic sensors, and summarized the classification characteristics of fiber optic sensors. According to the role of optical fibers in sensors, they can be divided into functional (all fiber) penderia gentian optik, transmission type optical fiber sensors, and pickup type optical fiber sensors. According to the modulation method of light waves, it can be divided into intensity modulation type fiber optic sensors, frequency modulation type fiber optic sensors, wavelength modulation type fiber optic sensors, phase modulation type fiber optic sensors, dan penderia gentian optik jenis modulasi polarisasi. Mengikut pengedaran sasaran sensor, ia boleh dibahagikan kepada sensor gentian optik jenis titik, kuasi gentian optik teragih penderia, dan pengesan gentian optik yang diedarkan. Penderia gentian optik mempunyai pelbagai aplikasi dalam suhu, anjakan, dan pengukuran gas, dan trend pembangunan masa depan penderia gentian optik menunjukkan arah yang kukuh.

Penderia telah digunakan secara meluas dalam kehidupan seharian manusia. Dengan kemunculan gentian optik medium penghantaran generasi baru, sensor telah dibangunkan lagi dan sensor gentian optik telah muncul. Perkembangan pesat penderia gentian optik bermula pada 1977 dan semakin matang sehingga ke hari ini. Kesan teknologi baharu ini pada masa ini amat ketara dan merupakan salah satu tanda penting proses pemformatan manusia. Gentian optik adalah komponen sensitif yang sangat baik yang sesuai untuk penghantaran jauh dan mempunyai julat pemantauan yang luas; Kedua, gentian optik mempunyai isipadu yang kecil, ringan, dan boleh menahan gangguan elektromagnet dan sinaran dalam penghantaran isyarat optik, menjadikannya sesuai untuk pemantauan dalam persekitaran yang keras seperti mudah terbakar, bahan letupan, dan gangguan elektromagnet. Oleh itu, sensor gentian optik telah dikaji dan digunakan dalam pelbagai bidang, menjadi peneraju dalam industri sensor.

Artikel ini terutamanya memperkenalkan komponen asas dan prinsip penderia gentian optik, dan memperincikan klasifikasi penderia gentian optik mengikut kaedah pengelasan yang berbeza, serta aplikasinya dalam suhu, anjakan, dan gas. Akhirnya, trend pembangunan masa depan penderia gentian optik dibincangkan.

Prinsip Penderia Gentian Optik

Gentian optik sensors are used to convert measured information into measurable optical signals, and their basic structure consists of a light source, sensitive components, fiber optic and photodetector, and signal processing system. Fiber optic sensors have information modulation and demodulation functions. The part where the optical parameters in the fiber optic sensor are modulated is called the modulation zone, and the photodetector and signal processing part are called the demodulation zone. When the light emitted by the light source is coupled into the optical fiber and enters the modulation zone through the fiber, its optical properties change (seperti keamatan, kekerapan, panjang gelombang, fasa, keadaan polarisasi, dll.) due to the influence of the measured light in the modulation zone, becoming the modulated signal light. After being transmitted through optical fibers to the photodetector, pengesan foto menerima isyarat optik yang masuk dan melakukan penukaran fotoelektrik untuk mengeluarkan isyarat elektrik. Akhirnya, sistem pemprosesan isyarat memproses isyarat elektrik untuk mendapatkan parameter yang berkaitan yang diukur, iaitu penyahmodulatan.

Klasifikasi Penderia Gentian Optik

Dikelaskan mengikut peranan gentian optik dalam penderia

Mengikut peranan gentian optik dalam sensor, sensor gentian optik boleh dibahagikan kepada sensor gentian optik berfungsi, penderia gentian optik penghantaran, dan penderia gentian optik pikap.

① Sensor gentian optik berfungsi.

Penderia gentian optik berfungsi, juga dikenali sebagai semua sensor gentian optik, terdiri daripada gentian optik berterusan yang menggabungkan gentian pemancar sumber cahaya dan gentian penerima pengesan cahaya. Mereka mempunyai dua fungsi: penghantaran dan penderiaan. Parameter yang diukur dimodulasi dengan menukar secara langsung parameter ciri penghantaran tertentu gentian optik. Penderia jenis ini mempunyai struktur padat dan kepekaan yang tinggi, tetapi memerlukan penggunaan gentian optik khas dan teknologi penderiaan termaju, seperti giroskop gentian optik, hidrofon gentian optik, dll.

② Sensor gentian optik untuk menghantar cahaya.

Gentian optik sensor gentian optik jenis penghantaran hanya memainkan peranan menghantar gelombang cahaya, dan kawasan modulasinya berada di luar gentian optik. Gentian pemancar dan gentian penerima tidak mempunyai kesinambungan. Prinsipnya ialah cahaya dimodulasi oleh parameter yang diukur apabila ia disinari pada peranti modulasi luaran (unsur sensitif). The advantages of this type of sensor are simple structure, kos rendah, and easy implementation, but its sensitivity is lower than that of functional fiber optic sensors. Most of the commercially available fiber optic sensors currently belong to the transmission type fiber optic sensors.

③ Pick up type fiber optic sensor.

The pickup type fiber optic sensor uses optical fibers as probes to receive light radiated by the measured object or light reflected or scattered by it and transmit it to the photodetector. After signal processing, the measured parameter is obtained. Fiber laser Doppler velocimeter is a typical pickup type fiber sensor. The turbidity of the fluid it can measure is at least 5 times higher than that of previous measured fluids, achieving the measurement of local velocity of opaque fluids. Selain itu, Velocimeter Doppler juga digunakan untuk mengukur kelajuan kereta api. Penderia suhu gentian optik reflektif juga merupakan salah satu wakil penderia gentian optik jenis pikap.

Dikelaskan mengikut kaedah modulasi gelombang cahaya

Mengikut perubahan dalam parameter ciri fizikal gelombang cahaya yang dimodulasi oleh isyarat luaran, sensor gentian optik boleh dibahagikan kepada lima jenis: penderia gentian optik modulasi intensiti, penderia gentian optik modulasi fasa, penderia gentian optik modulasi frekuensi, penderia gentian optik modulasi panjang gelombang, dan penderia gentian optik modulasi polarisasi.

① Sensor gentian optik termodulat keamatan.

Modulasi intensiti ialah kaedah modulasi yang agak mudah dan digunakan secara meluas dalam penderiaan gentian optik. The basic principle is that the measured parameter modulates the transmitted light in the optical fiber to change the light intensity, and then measures the measured parameter by detecting the change in light intensity (i.e. demodulation). Most intensity modulated fiber optic sensors are based on reflective intensity modulation. This type of sensor has a simple structure, kos rendah, and is easy to implement, but it is susceptible to fluctuations in light source intensity. The development and application of intensity modulated fiber optic sensors started earlier, and in recent years, research has been constantly breaking through and innovating.

② Frequency modulated fiber optic sensor.

Modulasi frekuensi optik merujuk kepada modulasi frekuensi cahaya yang dihantar dalam gentian optik oleh parameter yang diukur, dan pengesanan parameter yang diukur melalui offset frekuensi. Pada masa ini, penderia gentian optik termodulat frekuensi kebanyakannya digunakan untuk mengukur anjakan dan halaju.

③ Sensor gentian optik termodulat panjang gelombang.

Isyarat yang diukur mengubah panjang gelombang cahaya yang dihantar melalui pemilihan frekuensi, penapisan, dan kaedah lain, yang dipanggil modulasi panjang gelombang optik. Penderia gentian modulasi panjang gelombang optik tradisional termasuk penderia suhu interferometer gentian berlatarkan berdasarkan kesan kursor. Walaupun julat pengukuran suhu sensor ini adalah kecil, sensitivitinya yang besar membolehkannya memenuhi keperluan khas tertentu, such as scientific instruments that require precise temperature control. The performance of light sources and spectrum analyzers greatly affects fiber optic wavelength detection technology. The rapid development of fiber Bragg grating sensors in recent years has expanded the application range of functional optical wavelength modulation sensors.

④ Phase modulated fiber optic sensor.

The basic principle of phase modulation fiber optic sensors is that under the action of the measured parameter on the sensitive element, the refractive index or propagation constant of the sensitive element changes, causing a change in the phase of the transmitted light. Kemudian, an interferometer is used to detect this phase change to obtain the measured parameter. This type of sensor has the advantages of high sensitivity, respon pantas, and large dynamic measurement range, but it requires high precision for the light source and detection system.

⑤ Polarization modulation type fiber optic sensor.

Polarization modulation fiber optic sensors are not affected by light source intensity, have a simple structure, dan sensitiviti yang tinggi. The current sensor utilizing Faraday effect is one of its main application areas.

Classify by target distribution

According to the distribution of detection targets, sensors can be divided into point type fiber optic sensors, quasi distributed fiber optic sensors, dan pengesan gentian optik yang diedarkan.

① Point type fiber optic sensor.

Point type fiber optic sensors can only sense physical quantities at a certain point, and only one extremely small sensitive element is connected to the fiber optic sensor, usually a transmission type fiber optic sensor. Kelebihan dan kekurangan jenis sensor ini adalah jelas, dengan prestasi pengesanan yang tinggi, tetapi ia tidak boleh melakukan pengesanan pengedaran berbilang titik pada objek yang diuji.

② Sensor gentian optik teragih kuasi.

Penderia gentian optik teragih kuasi boleh melakukan pengesanan berbilang titik pada sasaran secara serentak, dengan penderia gentian optik jenis berbilang titik yang disambungkan kepada kabel gentian optik. Kes aplikasi biasa bagi penderia gentian optik teragih kuasi termasuk tatasusunan hidrofon gentian optik [24] dan penderia tatasusunan parut gentian optik.

Kelebihan penderia gentian optik teragih kuasi ialah keupayaan untuk melakukan penderiaan berbilang titik serentak, yang merupakan trend pembangunan penting dalam penderiaan gentian optik. Namun begitu, the number of points that can be simultaneously sensed by current quasi distributed fiber optic sensors is limited.

③ Pengesan gentian optik yang diedarkan.

The entire fiber optic cable of a distributed fiber optic sensor is a sensitive component. The fiber optic cable is both a sensor and a medium for transmitting signals, and is suitable for detecting the strain distribution of structures. Contohnya, 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, jarak jauh, dan masa yang lama boleh dicapai.

Pada masa ini, jenis utama penderia gentian optik teragih termasuk penderia gentian optik interferometrik, penderia parut Bragg gentian, dll. Dalam aplikasi kejuruteraan, teknologi pengesan gentian optik teragih boleh secara berterusan dan dinamik memantau perubahan daya objek sasaran tanpa gangguan, dengan ketepatan yang tinggi dan keupayaan anti-gangguan yang kuat dalam hasil pemantauan.

Penggunaan Penderia Gentian Optik

Penderia gentian optik boleh mencapai julat luas penderiaan kuantiti fizikal dan boleh mengukur banyak parameter luaran. Antaranya, aplikasi pengukuran suhu, anjakan, dan gas amat menonjol dan digunakan secara meluas dalam pelbagai industri, dengan pasaran dan prospek yang sangat luas.

1. Sensor suhu gentian optik

2. Sensor anjakan gentian optik.

3. Sensor gas gentian optik.

Dalam dua dekad yang lalu, dengan pembangunan kemudahan teknologi, penderia gentian optik berdasarkan ciri-ciri sedia ada gentian optik telah digunakan secara meluas. Penderia gentian optik akan terus berkembang, menjejaskan pembangunan sosial dan pelbagai aspek kehidupan rakyat. Selain itu, teknologi utama dan aplikasi penderia gentian optik dalam bidang khas perlu diberi perhatian. Pada tahun 1990-an, negara luar menjalankan penyelidikan mengenai aplikasi penderia gentian optik dalam loji tenaga nuklear. Penderia gentian optik boleh meliputi pengukuran pelbagai parameter dalam loji kuasa nuklear. Secara teori, semua sistem penderiaan gentian optik boleh dibina untuk memanfaatkan sepenuhnya kelebihan penderia gentian optik, seperti ketepatan yang tinggi, miniaturization, gangguan anti elektromagnet yang diedarkan, dan keselamatan intrinsik. Pada masa hadapan, 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.