Vào năm 1960, ánh sáng laze được phát minh và sau khi phát minh ra laze, các nhà nghiên cứu đã quan tâm đến việc nghiên cứu các ứng dụng của hệ thống thông tin liên lạc sợi quang để cảm biến, truyền dữ liệu và nhiều ứng dụng khác. Sau đó, hệ thống thông tin liên lạc sợi quang đã trở thành sự lựa chọn tối ưu cho việc truyền dữ liệu gigabit và xa hơn nữa là gigabits. Loại truyền thông cáp quang này được sử dụng để truyền dữ liệu, thoại, đo từ xa và video trên một đường truyền xa hoặc mạng máy tính hoặc mạng LAN. Công nghệ này sử dụng sóng ánh sáng để truyền dữ liệu qua sợi quang bằng cách thay đổi tín hiệu điện tử thành ánh sáng. Một số tính năng đặc trưng tuyệt vời của công nghệ này bao gồm trọng lượng nhẹ, suy hao thấp, đường kính nhỏ hơn, truyền tín hiệu khoảng cách xa, bảo mật đường truyền, v.v.

Cảm biến sợi quang

Đáng chú ý, công nghệ viễn thông đã thay đổi những tiến bộ gần đây trong công nghệ cáp quang. Cuộc cách mạng cuối cùng đã xuất hiện khi các nhà thiết kế kết hợp các kết quả sản xuất của thiết bị quang điện tử với các thiết bị viễn thông-cáp quang để tạo ra các cảm biến sợi quang. Nhiều thành phần liên quan đến các thiết bị này thường được phát triển cho các ứng dụng cảm biến sợi quang. Khả năng của cảm biến sợi quang đã tăng lên thay cho cảm biến truyền thống.

Cảm biến sợi quang

Cảm biến sợi quang còn được gọi là cảm biến sợi quang sử dụng sợi quang hoặc phần tử cảm biến. Các cảm biến này được sử dụng để cảm nhận một số đại lượng như nhiệt độ, áp suất, rung động, dịch chuyển, quay hoặc nồng độ của các loại hóa chất. Xơ có rất nhiều công dụng trong lĩnh vực viễn thám vì chúng không cần nguồn điện ở vị trí xa và chúng có kích thước rất nhỏ.

Cảm biến sợi quang tối ưu cho các điều kiện không nhạy cảm, bao gồm tiếng ồn, độ rung cao, nhiệt độ khắc nghiệt, môi trường ẩm ướt và không ổn định. Các cảm biến này có thể dễ dàng lắp trong các khu vực nhỏ và có thể được định vị chính xác ở bất cứ nơi nào cần các sợi mềm. Sự dịch chuyển bước sóng có thể được tính toán bằng thiết bị đo phản xạ miền tần số quang học. Thời gian trễ của các cảm biến sợi quang có thể được quyết định bằng cách sử dụng một thiết bị như Máy phản xạ miền thời gian quang học.

Sơ đồ khối của cảm biến sợi quang

Sơ đồ khối chung của cảm biến sợi quang được trình bày ở trên. Sơ đồ khối bao gồm nguồn quang ( Điốt phát sáng , LASER và Diode Laser), sợi quang học, phần tử cảm biến, máy dò quang học và thiết bị xử lý cuối (máy phân tích quang phổ, máy hiện sóng). Các cảm biến này được phân thành ba loại dựa trên nguyên lý hoạt động, vị trí cảm biến và ứng dụng.

Các loại hệ thống cảm biến sợi quang

Các cảm biến này có thể được phân loại và giải thích theo cách sau:

1. Dựa vào vị trí đặt cảm biến, cảm biến sợi quang được phân thành hai loại:

Cảm biến sợi quang bên trong
Cảm biến sợi quang bên ngoài

Cảm biến sợi quang loại bên trong

Trong loại cảm biến này, cảm biến diễn ra trong chính sợi quang. Các cảm biến phụ thuộc vào các đặc tính của chính sợi quang để chuyển đổi hành động môi trường thành điều chế của chùm sáng truyền qua nó. Ở đây, một trong những tính chất vật lý của tín hiệu ánh sáng có thể ở dạng tần số, pha, cường độ phân cực. Tính năng hữu ích nhất của cảm biến sợi quang nội tại là, nó cung cấp cảm biến phân tán trong khoảng cách tầm xa. Khái niệm cơ bản về cảm biến sợi quang nội tại được thể hiện trong hình sau.

Cảm biến sợi quang loại bên trong

Cảm biến sợi quang loại bên ngoài

Trong các cảm biến sợi quang loại bên ngoài, sợi quang có thể được sử dụng làm vật mang thông tin chỉ đường đến hộp đen. Nó tạo ra một tín hiệu ánh sáng tùy thuộc vào thông tin đến hộp đen. Hộp đen có thể được làm bằng gương,khí hoặc bất kỳ cơ chế nào khác tạo ra tín hiệu quang học. Các cảm biến này được sử dụng để đo chuyển động quay, vận tốc rung, độ dịch chuyển, độ xoắn, mô-men xoắn và gia tốc. Thị trưởng lợi ích của những cảm biến này là khả năng họ đến được những địa điểm không thể tiếp cận được.

Cảm biến sợi quang loại bên ngoài

“hàm phân phối fermi-dirac ”

Ví dụ tốt nhất của cảm biến này là phép đo nhiệt độ bên trong của động cơ phản lực máy bay sử dụng một sợi quang để truyền bức xạ vào một nhiệt kế bức xạ, được đặt bên ngoài động cơ. Theo cách tương tự, các cảm biến này cũng có thể được sử dụng để đo nhiệt độ bên trong của máy biến áp . Các cảm biến này cung cấp khả năng bảo vệ tuyệt vời các tín hiệu đo lường chống lại nhiễu. Hình dưới đây cho thấy khái niệm cơ bản của cảm biến sợi quang bên ngoài.

2. Dựa trên nguyên lý hoạt động, cảm biến sợi quang được phân thành ba loại:

Dựa trên cường độ
Dựa trên giai đoạn
Phân cực dựa trên

Cảm biến sợi quang dựa trên cường độ

Cảm biến sợi quang dựa trên cường độ yêu cầu nhiều ánh sáng hơn và các cảm biến này sử dụng sợi lõi lớn đa chế độ. Hình minh họa cung cấp ý tưởng về cách cường độ ánh sáng hoạt động như một thông số cảm biến cũng như cách sắp xếp này làm cho sợi quang hoạt động như một cảm biến rung động. Khi có rung động, sẽ có sự thay đổi ánh sáng được chèn từ đầu này sang đầu khác và điều này sẽ tạo ra sự thông minh để đo biên độ rung.

Cảm biến sợi quang dựa trên cường độ

Trong hình, sợi quang gần hơn và cảm biến rung động phụ thuộc vào cường độ ánh sáng ở các phần sau. Các cảm biến này có nhiều hạn chế do tổn thất biến đổi trong hệ thống không xảy ra trong môi trường. Những tổn thất biến đổi này bao gồm tổn thất do mối nối, tổn hao do uốn vi mô và vĩ mô, mất do kết nối tại các khớp, v.v. Các ví dụ bao gồm cảm biến dựa trên cường độ hoặc cảm biến vi sóng và cảm biến sóng phát triển.

Ưu điểm của các cảm biến sợi quang này bao gồm chi phí thấp, khả năng hoạt động như các cảm biến phân tán thực, rất đơn giản để thực hiện, khả năng được ghép kênh, v.v. Các nhược điểm bao gồm sự thay đổi về cường độ ánh sáng và các phép đo tương đối, v.v.

Cảm biến sợi quang dựa trên phân cực

Sợi quang dựa trên phân cực rất quan trọng đối với một số loại cảm biến nhất định. Thuộc tính này có thể được sửa đổi đơn giản bởi các biến bên ngoài khác nhau và do đó, các loại cảm biến có thể được sử dụng để đo một loạt các thông số.Các sợi đặc biệt và các thành phần khác đã được phát triển với các tính năng phân cực chính xác. Nói chung, chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng đo lường, truyền thông và xử lý tín hiệu.

Cảm biến sợi quang dựa trên phân cực

Thiết lập quang học cho cảm biến sợi quang dựa trên phân cực được trình bày ở trên. Nó được tạo hình bằng cách phân cực ánh sáng từ nguồn sáng qua bộ phân cực. Ánh sáng phân cực được bắt đầu ở 45o đối với các trục đã chọn của sợi quang bảo vệ phân cực lưỡng chiết. Phần này của sợi được dùng như sợi cảm nhận. Sau đó, độ lệch pha giữa hai trạng thái phân cực bị thay đổi dưới bất kỳ nhiễu bên ngoài nào như ứng suất hoặc biến dạng. Sau đó, theo các nhiễu bên ngoài, phân cực đầu ra bị thay đổi, do đó, bằng cách xem xét trạng thái phân cực đầu ra ở đầu tiếp theo của sợi quang, các nhiễu bên ngoài có thể được phát hiện.

Cảm biến sợi quang dựa trên pha

Các loại cảm biến này được sử dụng để thay đổi ánh sáng phát trên tín hiệu thông tin trong đó tín hiệu được quan sát bởi cảm biến sợi quang dựa trên pha. Khi một chùm ánh sáng đi qua giao thoa kế, thì ánh sáng tách thành hai chùm, trong đó một chùm tiếp xúc với môi trường cảm biến và chùm còn lại cách ly với môi trường cảm biến, được sử dụng làm tham chiếu. Một khi hai chùm tia tách biệt được kết hợp trở lại, thì chúng sẽ cản trở nhau. Các giao thoa kế thường được sử dụng là Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, các giao thoa kế cách tử và phân cực. Ở đây, các giao thoa kế Mach Zehnder và Michelson được hiển thị bên dưới.

Cảm biến sợi quang dựa trên pha

đây là sự khác biệt và giống nhau giữa hai giao thoa kế. Về điểm tương đồng, Giao thoa kế Michelson thường được coi là giao thoa kế Mach Zehnder gấp lại. Cấu hình của giao thoa kế Michelson chỉ yêu cầu một bộ ghép sợi quang. Bởi vì ánh sáng truyền hai lần qua sợi cảm biến và sợi tham chiếu, độ lệch pha quang học trên một đơn vị chiều dài của sợi quang tăng gấp đôi. Do đó, về cơ bản Michelson có độ nhạy tốt hơn. Một ưu điểm rõ ràng khác của Michelson là cảm biến có thể được thẩm vấn chỉ với một sợi quang duy nhất giữa nguồn và mô-đun dò nguồn. Tuy nhiên, cần phải có một gương phản chiếu chất lượng tốt cho giao thoa kế Michelson

3. Dựa trên ứng dụng, cảm biến sợi quang được phân thành ba loại như

Cảm biến hóa học
Cảm biến vật lý
Cảm biến y tế sinh học

Cảm biến hóa học

Cảm biến hóa học là một thiết bị được sử dụng để biến đổi thông tin hóa học dưới dạng tín hiệu vật lý có thể đo được liên quan đến nồng độ của một loại hóa chất nhất định. Cảm biến hóa học là một thành phần quan trọng của máy phân tích có thể bao gồm một số thiết bị thực hiện những điều sau đây các chức năng: xử lý tín hiệu, lấy mẫu và xử lý dữ liệu. Máy phân tích có thể là một phần quan trọng của hệ thống tự động.

Cảm biến hóa học

Hoạt động của máy phân tích theo kế hoạch lấy mẫu như một hàm của thời gian hoạt động như một màn hình. Các cảm biến này bao gồm hai đơn vị chức năng: bộ tiếp nhận và bộ chuyển đổi. Trong phần thụ cảm, thông tin hóa học được chuyển hóa thành năng lượng mà đầu dò có thể đo được. Trong phần đầu dò, thông tin hóa học được chuyển thành tín hiệu phân tích và nó không có độ nhạy.

Cảm biến vật lý

Cảm biến vật lý là một thiết bị được chế tạo theo hiệu ứng vật lý và bản chất. Các cảm biến này được sử dụng để cung cấp thông tin về đặc tính vật lý của hệ thống. Loại cảm biến này chủ yếu được ký hiệu bởi các cảm biến như cảm biến quang điện, cảm biến áp điện , cảm biến biến dạng điện trở kim loại và cảm biến điện trở áp bán dẫn.

Cảm biến y tế sinh học

Cảm biến y sinh là một thiết bị điện tử được sử dụng để chuyển các đại lượng phi điện khác nhau trong lĩnh vực y sinh thành các đại lượng điện có thể phát hiện dễ dàng. Do đó, các cảm biến này được đưa vào phân tích chăm sóc sức khỏe. Công nghệ cảm biến này là chìa khóa để thu thập thông tin bệnh lý và sinh lý của con người.

Cảm biến y tế sinh học

Các ứng dụng của cảm biến sợi quang

Cảm biến sợi quang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như

Đo các tính chất vật lý như nhiệt độ, độ dịch chuyển,vận tốc, biến dạng trong kết cấu có kích thước bất kỳ hoặc hình dạng bất kỳ.
Trong thời gian thực, theo dõi cấu trúc vật lý của sức khỏe.
Tòa nhà và cầu, đường hầm,Đập, công trình kiến trúc di sản.
Máy ảnh nhìn ban đêm, hệ thống an ninh điện tử , Phát hiện phóng điện từng phần và đo tải trọng bánh xe của xe.

Như vậy, tổng quan về cảm biến sợi quang và các ứng dụng đã được thảo luận. Có rất nhiều ưu điểm khi sử dụng cảm biến sợi quang để liên lạc khoảng cách xa bao gồm kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn, độ nhạy cao, băng thông rộng, ... Tất cả những đặc điểm này giúp tận dụng tốt nhất sợi quang làm cảm biến. Ngoài điều này, để được trợ giúp về chủ đề này hoặc ý tưởng dự án dựa trên cảm biến , bạn có thể liên hệ với chúng tôi bằng cách bình luận trong phần bình luận bên dưới.

Tín ảnh: