Применение волоконно-оптических датчиков

Содержание:

• Виды и характеристики
  • По принципу модуляции света
  • По расположению чувствительного элемента
• Принцип работы оптоволоконного датчика
• Применение оптоволоконных датчиков

Волоконно-оптические датчики (ВОД) – устройства, в которых оптическое волокно одновременно служит чувствительным элементом и каналом передачи данных. Этот диэлектрик позволяет измерять различные физические величины – температуру, давление, вибрацию и деформацию. Благодаря тому, что такие устройства пассивны и нечувствительны к электромагнитным помехам, применение оптоволоконных датчиков возможно в различных отраслях.

Виды и характеристики

Волоконно-оптические датчики классифицируют по нескольким характеристикам, включая принцип модуляции света и способ расположения чувствительного элемента. Их основные параметры зависят от типа.

По принципу модуляции света

Этот принцип определяет, какой именно параметр световой волны изменяется под воздействием измеряемой величины:

1. Амплитудные датчики измеряют изменение интенсивности (мощности) света. Они самые простые и дешевые. Используются для измерения положения, уровня, смещения.
2. Интерферометрические датчики измеряют изменение фазы света. Используют интерферометры. Такие устройства обладают высокой чувствительностью и точностью. Они применяются для измерения акустических волн, вибрации, давления и температуры. Пример – волоконно-оптические гироскопы.
3. Спектральные датчики измеряют изменение длины волны или спектра света. Применяются для создания волоконных брэгговских решеток. ВБР обладают хорошей температурной стабильностью, позволяют объединять много датчиков на одном волокне. Используются для измерения деформации и температуры.
4. Поляризационные датчики измеряют изменение поляризации света. Применяются для измерения тока или магнитного поля.
5. Приемник (фотодетектор). Принимает модулированный свет и преобразует его обратно в электрический сигнал.
6. Система обработки данных. Электрический сигнал анализируется для определения величины измеряемого параметра на основе степени изменения оптической характеристики.

Каждый тип датчика использует разные свойства света для измерения различных физических величин. Выбор конкретного зависит от требуемой точности, чувствительности и измеряемой величины.

По расположению чувствительного элемента

Это указывает на то, какой по длине участок волокна или сенсорного элемента выполняет функцию измерения:

1. Точечные. Измерение происходит в одной, локализованной точке на волокне. Чаще всего это специализированные элементы, такие как ВБР, или внешние сенсоры на конце волокна. Такие датчики позволяют последовательно размещать множество сенсоров на одном волокне. Они обладают высокой точностью в конкретной точке.
2. Распределенные. Все оптическое волокно – чувствительный элемент. Такие устройства позволяют непрерывно измерять температуру или деформацию в любой точке вдоль линии волокна. Они оптимальны для мониторинга протяженных объектов –трубопроводов, туннелей или линий электропередач.
3. Квазираспределенные. Сочетание точечных датчиков, размещенных с определенным шагом вдоль одного волокна. Они обеспечивают высокую точность точечных измерений, но с возможностью покрытия большой площади или длины, как у распределенных систем.

Выбор конкретного типа датчика (точечного, распределенного или квазираспределенного) зависит от поставленной задачи мониторинга: насколько протяженный объект, сколько точек нужно контролировать и какая требуется точность локализации.

Принцип работы оптоволоконного датчика

Работа этого устройства основана на изменении света, проходящего через оптоволокно, под действием измеряемой физической величины. Само оптическое волокно служит либо чувствительным элементом, либо каналом для передачи света к чувствительному элементу и обратно.

Принцип работы оптоволоконного датчика включает такие шаги и элементы:

• Источник света. Лазерный диод или светодиод генерирует свет с постоянными характеристиками.
• Оптическое волокно. Служит для передачи света. Состоит из сердцевины с высоким и оболочки с более низким преломлением.
• Полное внутреннее отражение. Свет распространяется по волокну, постоянно отражаясь от его стенок (границы сердцевины и оболочки). Он попадает на стенку под таким углом, что не выходит наружу, а остается внутри и идет дальше с очень небольшими потерями.
• Чувствительный элемент. Это либо участок самого оптического волокна (собственный датчик), либо прикрепленное к волокну внешнее устройство (выносной).
• Модуляция света. Измеряемая физическая величина (например, температура, давление, деформация, вибрация) воздействует на чувствительный элемент. Это вызывает изменение одной или нескольких характеристик проходящего света.

• Приемник (фотодетектор). Принимает модулированный свет и преобразует его обратно в электрический сигнал.
• Система обработки данных. Электрический сигнал анализируется для определения величины измеряемого параметра на основе степени изменения оптической характеристики.

Фактически, оптоволоконный датчик превращает физическое воздействие в измеримые оптические изменения. Эта технология обеспечивает высокую точность и устойчивость к электромагнитным помехам, что делает ее идеальной для мониторинга в сложных условиях.

Применение оптоволоконных датчиков

ВОД незаменимы там, где требуется высокая точность измерений в экстремальных или опасных условиях.

Они используются в разных сферах:

1. В строительстве и гражданской инженерии оптоволоконные датчики применяют для мониторинга конструкций. Они встраиваются в мосты, тоннели, плотины и здания для постоянного контроля деформации, вибрации и температуры, позволяют оценивать их структуру в реальном времени.
2. В энергетике ВОД применяются для обеспечения безопасности и эффективности. Они контролируют температуру силовых кабелей, трансформаторов и генераторов, используются в системах дуговой защиты в распределительных устройствах, поскольку полностью электронейтральны и не проводят ток.
3. Нефтегазовая отрасль использует оптоволоконные датчики для мониторинга температуры и давления вдоль протяженных трубопроводов и глубоких скважин, где важна устойчивость к агрессивным средам и экстремальным температурам.

Благодаря компактности и отсутствию металлических частей, ВОД незаменимы в медицине (например, для точного и безопасного измерения температуры тела в сильных магнитных полях аппаратов МРТ), а также в авиации и космонавтике для отслеживания деформаций и температурных напряжений в корпусах и композитных материалах воздушных судов. Кроме того, волоконно-оптические датчики используются в высокоточных системах навигации.