Princípio de classificação e características dos sensores de fibra óptica-INNO

Sensores de fibra óptica tem as vantagens da interferência anti-eletromagnética, forte resistência a acidentes, miniaturização, e alta precisão. Promover a aplicação de sensores de fibra óptica em mais indústrias, o progresso da pesquisa de sensores de fibra óptica foi resumido. FJINO apresentou os componentes básicos e princípios dos sensores de fibra óptica, e resumiu as características de classificação dos sensores de fibra óptica. De acordo com o papel das fibras ópticas em sensores, eles podem ser divididos em funcionais (toda fibra) sensores de fibra óptica, sensores de fibra óptica tipo transmissão, e sensores de fibra óptica tipo captador. De acordo com o método de modulação de ondas de luz, pode ser dividido em sensores de fibra óptica do tipo modulação de intensidade, sensores de fibra óptica tipo modulação de frequência, sensores de fibra óptica tipo modulação de comprimento de onda, sensores de fibra óptica tipo modulação de fase, and polarization modulation type fiber optic sensors. According to the distribution of sensor targets, it can be divided into point type fiber optic sensors, quasi fibra óptica distribuída sensores, and distributed fiber optic sensors. Fiber optic sensors have a wide range of applications in temperature, deslocamento, and gas measurement, and the future development trend of fiber optic sensors shows a strong direction.

Sensors have been widely used in people’s daily lives. With the emergence of a new generation of transmission medium optical fibers, sensors have further developed and fiber optic sensors have emerged. The rapid development of fiber optic sensors began in 1977 and has become increasingly mature to this day. The impact of this new technology is currently very evident and is one of the important signs of human informatization process. A fibra óptica é um excelente componente sensível, adequado para transmissão remota e possui uma ampla faixa de monitoramento; Em segundo lugar, fibras ópticas têm pequeno volume, peso leve, e pode resistir à interferência eletromagnética e à radiação na transmissão de sinal óptico, tornando-os adequados para monitoramento em ambientes agressivos, como materiais inflamáveis, explosivo, e interferência eletromagnética. Portanto, sensores de fibra óptica têm sido pesquisados e aplicados em vários campos, tornando-se líder na indústria de sensores.

Este artigo apresenta principalmente os componentes básicos e princípios dos sensores de fibra óptica, e detalha a classificação dos sensores de fibra óptica de acordo com diferentes métodos de classificação, bem como suas aplicações em temperatura, deslocamento, e gás. Finalmente, as futuras tendências de desenvolvimento de sensores de fibra óptica são discutidas.

Princípio do Sensor de Fibra Óptica

Fibra óptica 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 (como intensidade, freqüência, comprimento de onda, fase, estado de polarização, etc.) 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, o fotodetector recebe o sinal óptico de entrada e realiza a conversão fotoelétrica para emitir um sinal elétrico. Finalmente, o sistema de processamento de sinal processa o sinal elétrico para obter os parâmetros relevantes que estão sendo medidos, que é demodulação.

Classificação de sensores de fibra óptica

Classificado pelo papel das fibras ópticas em sensores

De acordo com o papel da fibra óptica em sensores, sensores de fibra óptica podem ser divididos em sensores de fibra óptica funcionais, sensores de fibra óptica de transmissão, e sensores de fibra óptica de captação.

① Sensor funcional de fibra óptica.

Sensores funcionais de fibra óptica, também conhecidos como todos os sensores de fibra óptica, consistem em uma fibra óptica contínua que acopla a fibra emissora da fonte de luz e a fibra receptora do detector de luz. Eles têm duas funções: transmissão e detecção. Os parâmetros medidos são modulados alterando diretamente certos parâmetros característicos de transmissão da fibra óptica. Este tipo de sensor possui estrutura compacta e alta sensibilidade, mas requer o uso de fibras ópticas especiais e tecnologias de detecção avançadas, como giroscópios de fibra óptica, hidrofones de fibra óptica, etc..

② Sensor de fibra óptica para transmissão de luz.

A fibra óptica do sensor de fibra óptica do tipo transmissão desempenha apenas a função de transmitir ondas de luz, e sua região de modulação está fora da fibra óptica. A fibra transmissora e a fibra receptora não têm continuidade. O princípio é que a luz é modulada pelo parâmetro medido quando é irradiada no dispositivo de modulação externo (elemento sensível). As vantagens deste tipo de sensor são estrutura simples, baixo custo, e fácil implementação, mas sua sensibilidade é inferior à dos sensores funcionais de fibra óptica. A maioria dos sensores de fibra óptica disponíveis comercialmente pertence atualmente aos sensores de fibra óptica do tipo transmissão.

③ Sensor de fibra óptica tipo captador.

O sensor de fibra óptica tipo captador utiliza fibras ópticas como sondas para receber a luz irradiada pelo objeto medido ou a luz refletida ou espalhada por ele e transmiti-la ao fotodetector. Após o processamento do sinal, o parâmetro medido é obtido. O velocímetro Doppler a laser de fibra é um sensor de fibra do tipo captador típico. A turbidez do fluido que pode medir é pelo menos 5 vezes maior do que a dos fluidos medidos anteriormente, alcançar a medição da velocidade local de fluidos opacos. Além disso, Doppler velocimeters are also used for measuring the speed of trains. Reflective fiber optic temperature sensors are also one of the representatives of pickup type fiber optic sensors.

Classified by light wave modulation method

According to the changes in the physical characteristic parameters of light waves modulated by external signals, fiber optic sensors can be divided into five types: intensity modulation fiber optic sensors, phase modulation fiber optic sensors, frequency modulation fiber optic sensors, wavelength modulation fiber optic sensors, and polarization modulation fiber optic sensors.

① Intensity modulated fiber optic sensor.

Intensity modulation is a relatively simple and widely used modulation method in fiber optic sensing. O princípio básico é que o parâmetro medido modula a luz transmitida na fibra óptica para alterar a intensidade da luz, e então mede o parâmetro medido detectando a mudança na intensidade da luz (ou seja. demodulação). A maioria dos sensores de fibra óptica com intensidade modulada são baseados na modulação de intensidade reflexiva. Este tipo de sensor possui uma estrutura simples, baixo custo, e é fácil de implementar, mas é suscetível a flutuações na intensidade da fonte de luz. O desenvolvimento e aplicação de sensores de fibra óptica com intensidade modulada começaram mais cedo, e nos últimos anos, a pesquisa vem constantemente avançando e inovando.

② Sensor de fibra óptica modulada em frequência.

Modulação de frequência óptica refere-se à modulação da frequência da luz transmitida em uma fibra óptica pelo parâmetro medido, and the detection of the measured parameter through frequency offset. Atualmente, sensores de fibra óptica modulados em frequência são usados principalmente para medir deslocamento e velocidade.

③ Sensor de fibra óptica modulado em comprimento de onda.

O sinal medido altera o comprimento de onda da luz transmitida através da seleção de frequência, filtragem, e outros métodos, que é chamado de modulação óptica de comprimento de onda. Os sensores de fibra de modulação de comprimento de onda óptico tradicionais incluem sensores de temperatura de interferômetro de fibra em cascata com base no efeito do cursor. Embora a faixa de medição de temperatura deste sensor seja pequena, a sua enorme sensibilidade permite-lhe satisfazer determinados requisitos especiais, como instrumentos científicos que exigem controle preciso de temperatura. O desempenho das fontes de luz e dos analisadores de espectro afeta muito a tecnologia de detecção de comprimento de onda de fibra óptica. 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. Então, an interferometer is used to detect this phase change to obtain the measured parameter. This type of sensor has the advantages of high sensitivity, resposta rápida, and large dynamic measurement range, but it requires high precision for the light source and detection system.

⑤ Polarization modulation type fiber optic sensor.

Sensores de fibra óptica com modulação de polarização não são afetados pela intensidade da fonte de luz, tem uma estrutura simples, e alta sensibilidade. O sensor de corrente utilizando efeito Faraday é uma de suas principais áreas de aplicação.

Classificar por distribuição alvo

De acordo com a distribuição dos alvos de detecção, sensores podem ser divididos em sensores de fibra óptica tipo ponto, sensores de fibra óptica quase distribuídos, and distributed fiber optic sensors.

① Sensor de fibra óptica tipo ponto.

Sensores de fibra óptica do tipo pontual só podem detectar quantidades físicas em um determinado ponto, e apenas um elemento sensível extremamente pequeno está conectado ao sensor de fibra óptica, geralmente um sensor de fibra óptica do tipo transmissão. As vantagens e desvantagens deste tipo de sensor são óbvias, com alto desempenho de detecção, mas não pode realizar detecção de distribuição multiponto no objeto que está sendo testado.

② Quasi distributed fiber optic sensor.

Quasi distributed fiber optic sensors can perform multi-point detection on targets simultaneously, with multiple point type fiber optic sensors connected to the fiber optic cable. Typical application cases of quasi distributed fiber optic sensors include fiber optic hydrophone arrays [24] and fiber optic grating array sensors.

The advantage of quasi distributed fiber optic sensors is the ability to perform simultaneous multi-point sensing, which is an important development trend in fiber optic sensing. No entanto, the number of points that can be simultaneously sensed by current quasi distributed fiber optic sensors is limited.

③ Sensores de fibra óptica distribuídos.

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. Por exemplo, 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.

Atualmente, the main types of distributed fiber optic sensors include interferometric fiber optic sensors, sensores de grade de Bragg de fibra, etc.. In engineering applications, a tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída pode monitorar contínua e dinamicamente as mudanças de força dos objetos alvo sem interrupção, com alta precisão e forte capacidade anti-interferência no monitoramento de resultados.

Aplicação de Sensores de Fibra Óptica

Sensores de fibra óptica podem alcançar uma ampla gama de detecção de grandezas físicas e podem medir muitos parâmetros externos. Entre eles, as aplicações de medição de temperatura, deslocamento, e gás são particularmente proeminentes e amplamente utilizados em diversas indústrias, com um mercado e perspectivas muito amplos.

1. Sensor de temperatura de fibra óptica

2. Sensor de deslocamento de fibra óptica.

3. Sensor de gás de fibra óptica.

Nas últimas duas décadas, com o desenvolvimento de instalações tecnológicas, sensores de fibra óptica baseados nas características inerentes das fibras ópticas têm sido amplamente utilizados. Sensores de fibra óptica continuarão a se desenvolver, affecting social development and various aspects of people’s lives. Além disso, 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. Em teoria, an all fiber optic sensing system can be constructed to fully leverage the advantages of fiber optic sensors, such as high accuracy, miniaturização, distributed anti electromagnetic interference, e segurança intrínseca. No futuro, 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. Sensores sem fio de fibra óptica terão amplas perspectivas de aplicação.