Что такое волоконно-оптический датчик?

Что такое оптоволоконный датчик?

Оптоволоконный датчик представляет собой оптический волновод внутри тонкого оптоволокна, похожего на волокно, изготовленного из смолы или кварцевого стекла, который используется для различных сенсорных приложений на производственных площадках.

Оптоволоконные датчики имеют гибкий тонкий кабель и небольшую сенсорную головку, что позволяет выполнять обнаружение в ограниченном пространстве и обнаруживать небольшие объекты, и подходят для обнаружения в широком диапазоне сред, поскольку они не подвержены электромагнитным воздействиям. В зависимости от материала покрытия оптоволокна, оптоволоконные датчики также могут использоваться в высокотемпературных средах или в присутствии масла или химикатов.

Использование волоконно-оптических датчиков

Основное применение волоконно-оптических датчиков — обнаружение объектов. Они могут определять наличие или отсутствие, прохождение или скорость движения объекта в зоне обнаружения, где излучается свет.

Поскольку волоконно-оптические датчики обнаруживают путем затенения или отражения света, они могут обнаруживать наличие или отсутствие и цвет обычных твердых тел, таких как дерево и смола, а также металлы, а также могут обнаруживать прозрачное стекло и т. д. Они широко используются на различных производственных площадках, от бесконтактного обнаружения общей продукции до обнаружения и позиционирования чрезвычайно малых изделий в узких пространствах.

Кроме того, волоконно-оптические датчики могут обнаруживать не только твердые тела, но и жидкости, деформацию и температуру, а также датчики тока, которые измеряют значение тока, протекающего по проводникам без контакта, также находят практическое применение.

Структура волоконно-оптических датчиков

Волоконно-оптические датчики состоят из светоизлучающей части, которая состоит из волоконного блока, похожего на кабель, который излучает свет при прохождении через него, и волоконного усилителя, который имеет функции источника света и оптического усиления, а также светоприемной части, которая принимает свет.

Оптическое волокно, которое является сердцевиной волоконного блока, состоит из сердцевины с высоким показателем преломления и оболочки с низким показателем преломления.

Волоконные усилители в основном структурированы с оптическими усилителями и схемами обнаружения между излучателем света и приемником. Редкоземельное легированное волокно используется в качестве важнейшей оптической усиливающей среды, а обнаружение выполняется путем усиления падающего света посредством индуцированного излучения возбуждающего света. В зависимости от этих особенностей некоторые продукты оснащены регулировкой чувствительности и возможностью установки или изменения пороговых значений.

Волоконно-оптические датчики можно в целом разделить на два типа: датчики с отдельными волоконно-оптическими блоками и волоконно-оптическими усилителями и датчики со встроенными волоконно-оптическими усилителями, а их методы обнаружения включают типы пропускания, отражения, ретроотражения и ограниченного отражения.

Принцип работы волоконно-оптических датчиков

Волоконно-оптические датчики выполняют различные типы обнаружения на основе информации (длина волны и интенсивность света) света, излучаемого светоизлучающей частью и принимаемого светоприемной частью.

1. Общее обнаружение объектов

Самый простой принцип обнаружения заключается в обнаружении наличия или отсутствия объекта, когда свет от излучателя света к приемнику света прерывается. Можно обнаружить прохождение объекта, блокируя свет на короткий период, или измерить скорость движения объекта, измеряя время отражения, если на стороне, излучающей свет, также предусмотрено средство приема света.

Хотя прозрачные объекты, такие как стекло, трудно обнаружить, поскольку свет проходит через них, обнаружение возможно путем точного измерения изменения интенсивности света из-за изменения показателя преломления на поверхности (воздух ⇔ стекло).

2. Обнаружение жидкостей

Волоконно-оптические датчики используются для обнаружения не только твердых веществ, но и жидкостей, используя свойство жидкостей преломлять свет.

Трубчатый тип проецирует свет со стенки трубки. Если в трубке нет жидкости, свет распространяется прямо вперед, а если жидкость есть, свет преломляется и попадает на светоприемную сторону. Это позволяет обнаружить наличие или отсутствие жидкости. Этот тип может обнаруживать прозрачные жидкости, но не непрозрачные жидкости, которые не пропускают свет.

В мокром типе излучатель и приемник света размещаются параллельно друг другу внутри конической смоляной трубки, и когда они не контактируют с жидкостью, свет преломляется конусом и возвращается на светоприемную сторону. Когда они мокрые, показатель преломления изменяется, и свет не возвращается. Так обнаруживается смоченная жидкость.

Таким образом, волоконно-оптические датчики используются для обнаружения наличия жидкости, уровня жидкости и утечки воды. При обнаружении жидкостей смоляные трубки часто изготавливаются из тефлона, который может использоваться для химикатов и высокотемпературной воды и применим в широком спектре приложений.

3. Определение цвета

Цвет объекта определяется распределением длин волн отраженного света в соответствии с коэффициентом отражения или преломления относительно длины волны (цвета) излучаемого света. Это можно использовать для обнаружения цвета с помощью волоконно-оптического датчика.

4. Определение температуры и деформации

Оптическое волокно имеет двойную структуру сердцевины и оболочки в радиальном направлении, но при облучении специальным ультрафиолетовым светом в процессе производства можно создавать области с частично различными показателями преломления на регулярных интервалах в осевом направлении. Изображение оптического волокна в этом случае представляет собой ряд цилиндров с ВБР на обоих концах.

Поскольку FBG отражают только определенные длины волн в зависимости от генерируемого расстояния и показателя преломления, когда оптическое волокно расширяется или сжимается из-за изменений температуры, длина волны отраженного света и время, необходимое для возвращения отраженного света, будут меняться. Это позволяет использовать волокно в качестве датчика температуры.

Кроме того, при установке в конструкцию длина волокна изменяется в зависимости от деформации конструкции, что позволяет использовать его в качестве датчика деформации. Помимо больших зданий, туннелей, трубопроводов и т. д., датчик может применяться в конструкциях, которые постоянно подвергаются воздействию внешних сил, таких как оффшорная ветровая генерация, которая является формой возобновляемой энергии. При подключении груза длина оптического волокна изменяется в соответствии с силой ускорения, применяемой при движении груза, поэтому его также можно использовать в качестве датчика ускорения.

5. Определение текущего значения

Эффект Фарадея используется для обнаружения значения тока с помощью волоконного датчика. Когда электрический ток течет по проводнику, концентрическое магнитное поле создается в соответствии с законом правой нити. Эффект Фарадея — это явление, при котором плоскость поляризации света, проходящего через оптоволокно вдоль этого магнитного поля, вращается в соответствии с интенсивностью магнитного поля. Значение тока определяется путем измерения угла поворота плоскости поляризации.

Другая информация о волоконных датчиках

О волоконных усилителях

Волоконно-оптические датчики обычно используют светодиодный свет, который переносится по оптоволокну в зону обнаружения и освещается линзой. Наиболее распространенными проблемами с волоконно-оптическими датчиками являются ухудшение светодиодного света с течением времени и налипание грязи на линзу. Когда возникают эти условия, интенсивность излучаемого света уменьшается, что приводит к ложному обнаружению и неполадкам оборудования, поэтому используются волоконно-оптические усилители.

Функция волоконно-оптического усилителя заключается в обнаружении и автоматической компенсации снижения интенсивности света. Он обнаруживает изменения в светодиодном свете с течением времени и соответственно увеличивает выходной сигнал, чтобы поддерживать интенсивность света на постоянном уровне. Он также устанавливает обнаружение объекта по скорости снижения, а не по величине снижения интенсивности света и автоматически компенсирует, оценивая относительное соотношение интенсивности света между излучаемым и принимаемым светом.

Таким образом, продукты и функции, которые компенсируют недостатки волоконно-оптических датчиков, разрабатываются один за другим, и их правильное использование предотвратит проблемы.