Принцип классификации и характеристики волоконно-оптических датчиков-ИННО

Оптоволоконные датчики имеют преимущества защиты от электромагнитных помех, сильная устойчивость к авариям, миниатюризация, и высокая точность. Содействовать применению волоконно-оптических датчиков в большем количестве отраслей промышленности., подведены итоги исследований волоконно-оптических датчиков. FJINO представила основные компоненты и принципы работы оптоволоконных датчиков, и обобщены классификационные характеристики оптоволоконных датчиков. По роли оптических волокон в датчиках, их можно разделить на функциональные (все волокна) оптоволоконные датчики, волоконно-оптические датчики типа передачи, и волоконно-оптические датчики сенсорного типа. По методу модуляции световых волн, Его можно разделить на оптоволоконные датчики с модуляцией интенсивности., Волоконно-оптические датчики с частотной модуляцией, Волоконно-оптические датчики с модуляцией длины волны, Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией, и волоконно-оптические датчики с поляризационной модуляцией. По распределению сенсорных целей, его можно разделить на оптоволоконные датчики точечного типа, квази распределенное оптоволокно датчики, и распределенные оптоволоконные датчики. Оптоволоконные датчики имеют широкий спектр применения в области измерения температуры., перемещение, и измерение газа, и будущая тенденция развития оптоволоконных датчиков показывает сильное направление.

Датчики широко используются в повседневной жизни людей.. С появлением нового поколения оптических волокон среды передачи, датчики получили дальнейшее развитие, и появились оптоволоконные датчики.. Бурное развитие оптоволоконных датчиков началось в 1977 и по сей день становится все более зрелым. Влияние этой новой технологии в настоящее время очень очевидно и является одним из важных признаков процесса информатизации человечества.. Оптоволокно является превосходным чувствительным компонентом, который подходит для удаленной передачи и имеет широкий диапазон мониторинга.; Во-вторых, оптические волокна имеют небольшой объем, легкий вес, и может противостоять электромагнитным помехам и излучению при передаче оптического сигнала, что делает их пригодными для мониторинга в суровых условиях, таких как легковоспламеняющиеся, взрывчатый, и электромагнитные помехи. Поэтому, волоконно-оптические датчики были исследованы и применены в различных областях., стать лидером в индустрии датчиков.

В этой статье в основном представлены основные компоненты и принципы работы оптоволоконных датчиков., и подробно описывает классификацию оптоволоконных датчиков в соответствии с различными методами классификации., а также их применение при температуре, перемещение, и газ. Окончательно, обсуждаются будущие тенденции развития оптоволоконных датчиков.

Принцип оптоволоконного датчика

Оптоволокно датчики используются для преобразования измеренной информации в измеримые оптические сигналы., и их основная структура состоит из источника света, чувствительные компоненты, оптоволокно и фотодетектор, и система обработки сигналов. Оптоволоконные датчики имеют функции модуляции и демодуляции информации.. Часть, в которой модулируются оптические параметры оптоволоконного датчика, называется зоной модуляции., а фотодетектор и часть обработки сигнала называются зоной демодуляции.. Когда свет, излучаемый источником света, попадает в оптическое волокно и попадает в зону модуляции через волокно, его оптические свойства меняются (такие как интенсивность, частота, длина волны, фаза, состояние поляризации, и т. д.) за счет влияния измеряемого света в зоне модуляции, становится модулированным сигнальным светом. После передачи по оптическим волокнам на фотодетектор, the photodetector receives the incoming optical signal and performs photoelectric conversion to output an electrical signal. Окончательно, the signal processing system processes the electrical signal to obtain the relevant parameters being measured, which is demodulation.

Classification of Fiber Optic Sensors

Classified by the role of optical fibers in sensors

According to the role of fiber optic in sensors, fiber optic sensors can be divided into functional fiber optic sensors, transmission fiber optic sensors, and pickup fiber optic sensors.

① Functional fiber optic sensor.

Functional fiber optic sensors, also known as all fiber optic sensors, consist of a continuous optical fiber that couples the emitting fiber of the light source and the receiving fiber of the light detector. They have two functions: transmission and sensing. The measured parameters are modulated by directly changing certain transmission characteristic parameters of the optical fiber. This type of sensor has a compact structure and high sensitivity, but requires the use of special optical fibers and advanced sensing technologies, such as fiber optic gyroscopes, fiber optic hydrophones, и т. д..

② Optical fiber sensor for transmitting light.

The optical fiber of the transmission type fiber optic sensor only plays the role of transmitting light waves, and its modulation region is outside the optical fiber. The transmitting fiber and the receiving fiber do not have continuity. The principle is that the light is modulated by the measured parameter when it is irradiated on the external modulation device (sensitive element). The advantages of this type of sensor are simple structure, бюджетный, 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. Кроме того, 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. Основной принцип заключается в том, что измеряемый параметр модулирует проходящий свет в оптическом волокне, изменяя интенсивность света., а затем измеряет измеренный параметр, определяя изменение интенсивности света (то есть. демодуляция). Большинство оптоволоконных датчиков с модуляцией интенсивности основаны на отражательной модуляции интенсивности.. Этот тип датчика имеет простую конструкцию., бюджетный, и легко реализовать, но он чувствителен к колебаниям интенсивности источника света. Разработка и применение волоконно-оптических датчиков с модуляцией интенсивности начались раньше., и в последние годы, исследования постоянно прорывались и внедряли инновации.

② Волоконно-оптический датчик с частотной модуляцией.

Под оптической частотной модуляцией понимается модуляция частоты передаваемого света в оптическом волокне с помощью измеряемого параметра., and the detection of the measured parameter through frequency offset. В настоящий момент, frequency modulated fiber optic sensors are mostly used to measure displacement and velocity.

③ Wavelength modulated fiber optic sensor.

The measured signal changes the wavelength of the transmitted light through frequency selection, фильтрация, and other methods, which is called optical wavelength modulation. Traditional optical wavelength modulation fiber sensors include cascaded fiber interferometer temperature sensors based on the cursor effect. Although the temperature measurement range of this sensor is small, its enormous sensitivity enables it to meet certain special requirements, 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. Затем, an interferometer is used to detect this phase change to obtain the measured parameter. This type of sensor has the advantages of high sensitivity, быстрый ответ, and large dynamic measurement range, но это требует высокой точности источника света и системы обнаружения..

⑤ Волоконно-оптический датчик с поляризационной модуляцией.

Волоконно-оптические датчики с поляризационной модуляцией не зависят от интенсивности источника света., иметь простую структуру, и высокая чувствительность. Датчик тока, использующий эффект Фарадея, является одной из основных областей его применения..

Классифицировать по целевому распределению

По распределению целей обнаружения, Датчики можно разделить на оптоволоконные датчики точечного типа., квазираспределенные оптоволоконные датчики, и распределенные оптоволоконные датчики.

① Оптоволоконный датчик точечного типа.

Оптоволоконные датчики точечного типа могут измерять физические величины только в определенной точке., и к оптоволоконному датчику подключен только один очень маленький чувствительный элемент, обычно оптоволоконный датчик передающего типа. The advantages and disadvantages of this type of sensor are obvious, with high detection performance, but it cannot perform multi-point distribution detection on the object being tested.

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. Однако, the number of points that can be simultaneously sensed by current quasi distributed fiber optic sensors is limited.

③ Distributed fiber optic sensors.

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. Например, 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, большое расстояние, and long time can be achieved.

В настоящий момент, the main types of distributed fiber optic sensors include interferometric fiber optic sensors, волоконные датчики с брэгговской решеткой, и т. д.. In engineering applications, distributed fiber optic sensing technology can continuously and dynamically monitor the force changes of target objects without interruption, with high accuracy and strong anti-interference ability in monitoring results.

Application of Fiber Optic Sensors

Fiber optic sensors can achieve a wide range of sensing physical quantities and can measure many external parameters. Среди них, the measurement applications for temperature, перемещение, and gas are particularly prominent and widely used in various industries, with a very broad market and prospects.

1. Оптоволоконный датчик температуры

2. Fiber optic displacement sensor.

3. Fiber optic gas sensor.

In the past two decades, with the development of technological facilities, fiber optic sensors based on the inherent characteristics of optical fibers have been widely used. Fiber optic sensors will continue to develop, affecting social development and various aspects of people’s lives. Кроме того, 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. В теории, an all fiber optic sensing system can be constructed to fully leverage the advantages of fiber optic sensors, such as high accuracy, миниатюризация, distributed anti electromagnetic interference, и искробезопасность. В будущем, для удовлетворения требований приложений автоматизации, Технология оптоволоконной беспроводной сенсорной сети является ключом к достижению автоматизации. Он может обеспечить мониторинг в реальном времени, что способствует достижению автоматизации производства. Оптоволоконные беспроводные датчики будут иметь широкие перспективы применения.