Uvod u optičke senzore i njihove vrste s aplikacijama

Uvod u optičke senzore i njihove vrste s aplikacijama

1960. godine izumljeno je lasersko svjetlo, a nakon izuma lasera istraživači su pokazali zanimanje za proučavanje primjene komunikacijskih sustava optičkih vlakana za otkrivanje, podatkovnu komunikaciju i mnoge druge primjene. Nakon toga optički komunikacijski sustav je postao konačni izbor za gigabite i izvan gigabitskog prijenosa podataka. Ova vrsta optičke komunikacije koristi se za prijenos podataka, glasa, telemetrije i videa putem komunikacija na velike udaljenosti ili računalnih mreža ili LAN-ova. Ova tehnologija koristi svjetlosni val za prijenos podataka preko vlakna mijenjajući elektroničke signale u svjetlost. Neke od izvrsnih karakterističnih karakteristika ove tehnologije uključuju malu težinu, malo slabljenje, manji promjer, prijenos signala na velike udaljenosti, sigurnost prijenosa itd.



Optički senzori

Optički senzori

Znakovito je da telekomunikacijska tehnologija promijenio je nedavni napredak u tehnologiji optičkih vlakana. Posljednja se revolucija pojavila kao dizajneri koji kombiniraju produktivne rezultate optoelektronski uređaji s optičko-optičko-telekomunikacijskim uređajima za stvaranje optičkih senzora. Mnoge komponente povezane s tim uređajima često su razvijene za primjenu optičkih vlakana. Sposobnost svjetlovodnih senzora povećala se umjesto tradicionalnih senzora.






Optički senzori

Optički senzori koji se nazivaju i senzori optičkih vlakana koriste optička vlakna ili osjetni element. Ti se senzori koriste za otkrivanje nekih veličina poput temperature, tlaka, vibracija, pomaka, rotacija ili koncentracije kemijskih vrsta. Vlakna se toliko koriste u području daljinskog istraživanja jer ne trebaju električnu energiju na udaljenom mjestu i male su veličine.

Optički senzori su vrhunski za neosjetljive uvjete, uključujući buku, jake vibracije, ekstremnu vrućinu, mokro i nestabilno okruženje. Ovi senzori mogu lako stati na mala područja i mogu se pravilno postaviti gdje god su potrebna fleksibilna vlakna. Pomak valne duljine može se izračunati pomoću uređaja, reflektrometrijom optičke frekvencijske domene. Vremensko kašnjenje svjetlovodnih senzora može se odrediti pomoću uređaja kao što je optički reflektometar u vremenskoj domeni.



Blok dijagram optičkog senzora

Blok dijagram optičkog senzora

Općeniti blok dijagram svjetlovodnog senzora prikazan je gore. Blok dijagram sastoji se od optičkog izvora ( Dioda koja emitira svjetlo , LASER i laserska dioda), optička vlakna, osjetni element, optički detektor i uređaji za krajnju obradu (analizator optičkog spektra, osciloskop). Ti su senzori razvrstani u tri kategorije na temelju načela rada, položaja i primjene senzora.

Vrste svjetlovodnih senzorskih sustava

Ti se senzori mogu klasificirati i objasniti na sljedeći način:


1. Na temelju položaja senzora, svjetlovodni senzori klasificirani su u dvije vrste:

  • Unutarnji optički senzori
  • Vanjski optički senzor

Optički senzori vlastitog tipa

Kod ove vrste senzora, osjet se odvija unutar samog vlakna. Senzori ovise o svojstvima samog optičkog vlakna da pretvore okolišno djelovanje u modulacija svjetlosne zrake koja prolazi kroz nju. Ovdje jedno od fizikalnih svojstava svjetlosnog signala može biti u obliku frekvencije, faze i intenziteta polarizacije. Najkorisnija značajka vlastitog svjetlovodnog senzora je što pruža distribuirano mjerenje na velikim udaljenostima. Osnovni koncept vlastitog optičkog senzora prikazan je na sljedećoj slici.

Optički senzori vlastitog tipa

Optički senzori vlastitog tipa

Optički senzori vanjskog tipa

U optičkim senzorima vanjskog tipa, vlakno se može koristiti kao nosač informacija koji pokazuje put do crne kutije. Generira svjetlosni signal ovisno o informacijama pristiglim u crnu kutiju. Crna kutija može biti izrađena od ogledala,plin ili bilo koji drugi mehanizam koji generira optički signal. Ti se senzori koriste za mjerenje rotacije, brzine vibracija, pomaka, uvijanja, momenta i ubrzanja. Bojnik korist ovih senzora je njihova sposobnost da dođu do mjesta koja su inače nedostižna.

Optički senzori vanjskog tipa

Optički senzori vanjskog tipa

Najbolji primjer ovog senzora je mjerenje unutarnje temperature avionskog mlaznog motora koji koristi vlakno za prijenos zračenja u pirometar zračenja, koji se nalazi izvan motora. Na isti se način ovi senzori mogu koristiti i za mjerenje unutarnje temperature ventila transformatori . Ovi senzori pružaju izvrsnu zaštitu mjernih signala od oštećenja buke. Sljedeća slika prikazuje osnovni koncept ekstrinzičnog svjetlovodnog senzora.

2. Na temelju principa rada, svjetlovodni senzori svrstani su u tri vrste:

  • Na temelju intenziteta
  • Na temelju faze
  • Na osnovi polarizacije

Optički senzor na bazi intenziteta

Optički senzori temeljeni na intenzitetu zahtijevaju više svjetla i ti senzori koriste jezgrena vlakna velika u više modova. Prikazana slika daje ideju o tome kako intenzitet svjetlosti djeluje kao parametar osjetljivosti, kao i kako ovaj raspored čini vlakno da radi kao senzor vibracija. Kada postoji vibracija, doći će do promjene svjetlosti umetnute s jednog kraja na drugi kraj, a to će stvoriti inteligenciju za mjerenje amplitude vibracije.

Optički senzor na bazi intenziteta

Optički senzor na bazi intenziteta

Na slici bliži svjetlovod i senzor vibracija ovise o intenzitetu svjetlosti u kasnijim dijelovima. Ovi senzori imaju mnoga ograničenja zbog promjenjivih gubitaka u sustavu koji se ne događaju u okolišu. Ti varijabilni gubici uključuju gubitke zbog zavarivanja, mikro i makro gubitak pri savijanju, gubitke zbog spojeva na zglobovima itd. Primjeri uključuju senzore temeljene na intenzitetu ili senzor mikrosavijanja i senzor neprolaznog vala.

Prednosti ovih svjetlovodnih senzora uključuju nisku cijenu, sposobnost izvođenja kao stvarni distribuirani senzori, vrlo jednostavnu za primjenu, mogućnost multipleksiranja itd. Nedostaci uključuju varijacije u intenzitetu svjetlosti i relativna mjerenja itd.

Optički senzor na bazi polarizacije

Optička vlakna na bazi polarizacije važna su za određenu klasu senzora. Ovo svojstvo može se jednostavno modificirati raznim vanjskim varijablama, a time i ovim vrste senzora može se koristiti za mjerenje niza parametara.Razvijena su posebna vlakna i druge komponente s točnim polarizacijskim značajkama. Općenito se koriste u raznim aplikacijama mjerenja, komunikacije i obrade signala.

Optički senzor na bazi polarizacije

Optički senzor na bazi polarizacije

Optička postavka za optički senzor na bazi polarizacije prikazana je gore. Oblikuje se polariziranjem svjetlosti iz izvora svjetlosti kroz polarizator. Polarizirano svjetlo započinje na 45 ° do odabranih osi duljine dvolomnog vlakna koje štiti polarizaciju. Ovaj dio vlakna služi kao osjetljivo vlakno. Zatim se fazna razlika između dva polarizacijska stanja mijenja pod bilo kojim vanjskim poremećajima poput naprezanja ili deformacije. Zatim se, prema vanjskim smetnjama, mijenja polarizacija izlaza. Tako se, uzimajući u obzir stanje izlazne polarizacije na slijedećem kraju vlakna, mogu detektirati vanjske smetnje.

Fazni optički senzor

Ove se vrste senzora koriste za promjenu svjetlosti emitora na informacijskom signalu, pri čemu signal promatra fazni svjetlovodni senzor. Kad se kroz interferometar prođe svjetlosna zraka, tada se svjetlost razdvaja na dvije zrake. Pri tome je jedna zraka izložena osjetljivom okruženju, a druga zraka izolirana od osjetnog okruženja, što se koristi kao referenca. Jednom kad se dvije odvojene grede ponovno spoje, onda one međusobno staju na put. Najčešće korišteni interferometri su Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, rešetkasti i polarimetrijski interferometri. Ovdje su dolje prikazani interferometri Mach Zehnder i Michelson.

Fazni optički senzor

Fazni optički senzor

ovdje su razlike i sličnosti između dva interferometra. U pogledu sličnosti, Michelsonov interferometar često se smatra preklopljenim Mach Zehnderovim interferometrom. Konfiguracija Michelsonovog interferometra zahtijeva samo jednu spojnicu optičkih vlakana. Budući da svjetlost dva puta prolazi kroz osjetna i referentna vlakna, pomak optičke faze po jedinici duljine vlakna udvostručuje se. Dakle, Michelsonovi kanali u osnovi imaju bolju osjetljivost. Još jedna jasna prednost Michelsona je ta što se senzor može ispitivati ​​samo jednim vlaknom između izvora i modula za detekciju izvora. Ali, za Michelsonov interferometar potrebno je kvalitetno zrcalo za refleksiju

3. Na temelju primjene, svjetlovodni senzori klasificirani su u tri vrste kao što su

  • Kemijski senzor
  • Fizički senzor
  • Bio medicinski senzor

Kemijski senzor

Kemijski senzor je uređaj koji se koristi za transformiranje kemijskih informacija u obliku mjerljivog fizikalnog signala koji je povezan s koncentracijom određene kemijske vrste. Kemijski senzor je važna komponenta analize i može sadržavati neke uređaje koji izvode sljedeće funkcije: obrada signala, uzorkovanje i obrada podataka. Analizator može biti važan dio automatiziranog sustava.

Kemijski senzor

Kemijski senzor

Rad analizatora prema planu uzorkovanja u funkciji vremena djeluje kao monitor. Ti senzori uključuju dvije funkcionalne jedinice: receptor i pretvarač. U dijelu receptora, kemijske informacije pretvaraju se u energiju koja se može mjeriti pretvaračem. U dijelu pretvarača, kemijske informacije pretvaraju se u analitički signal i ne pokazuju osjetljivost.

Fizički senzor

Fizički senzor je uređaj koji je napravljen u skladu s fizičkim učinkom i prirodom. Ti se senzori koriste za pružanje informacija o fizičkim svojstvima sustava. Ovu vrstu senzora uglavnom označavaju senzori poput fotoelektričnih senzora, piezoelektrični senzori , metalni senzori otpora deformacija i poluvodički piezo-otporni senzori.

Bio medicinski senzor

Biomedicinski senzor je elektronički uređaj koji se koristi za prijenos različitih neelektričnih veličina u biomedicinskim poljima u lako uočljive električne veličine. Iz tog su razloga ovi senzori uključeni u analizu zdravstvene zaštite. Ova tehnologija osjetljivosti ključna je za prikupljanje ljudskih patoloških i fizioloških informacija.

Bio medicinski senzor

Bio medicinski senzor

Primjene optičkih senzora

Optički senzori koriste se u raznim primjenama, kao što su

  • Mjerenje fizikalnih svojstava poput temperature, pomaka,brzina, naprezanje u strukturi bilo koje veličine ili bilo kojeg oblika.
  • U stvarnom vremenu, praćenje fizičke strukture zdravlja.
  • Zgrade i mostovi, tuneli,Brane, baštinske građevine.
  • Kamera za noćni vid, elektronički sigurnosni sustavi , Djelomično otkrivanje pražnjenja i mjerenje opterećenja kotača vozila.

Dakle, pregled svjetlovodni senzori i raspravljalo se o aplikacijama. Mnogo je prednosti korištenja svjetlovodnih senzora za komunikaciju na velike udaljenosti koje uključuju male dimenzije, malu težinu, kompaktnost, visoku osjetljivost, široku širinu pojasa itd. Sve ove karakteristike optičko vlakno najbolje koriste kao senzor. Osim ovoga, za bilo kakvu pomoć u vezi s ovom temom ili projektne ideje utemeljene na senzorima , možete nas kontaktirati komentirajući u odjeljku za komentare u nastavku.

Foto bodovi: