Въведение в оптичните сензори и техните типове с приложения

Въведение в оптичните сензори и техните типове с приложения

През 1960 г. е изобретена лазерна светлина и след изобретението на лазерите изследователите са проявили интерес да изследват приложенията на комуникационните системи с оптични влакна за зондиране, комуникация на данни и много други приложения. Впоследствие оптична комуникационна система се превърна в най-добрия избор за гигабита и отвъд гигабита предаване на данни. Този тип оптична комуникация се използва за предаване на данни, глас, телеметрия и видео през комуникация на дълги разстояния или компютърни мрежи или LAN мрежи. Тази технология използва светлинна вълна за предаване на данните през влакно чрез промяна на електронните сигнали в светлина. Някои от отличните характерни характеристики на тази технология включват малка тежест, ниско затихване, по-малък диаметър, предаване на сигнал на дълги разстояния, сигурност на предаването и т.н.



Оптични сензори

Оптични сензори

Показателно е, че телекомуникационни технологии промени последния напредък в оптичната технология. Последната революция се появи като дизайнери, които съчетават продуктивните резултати на оптоелектронни устройства с оптични телекомуникационни устройства за създаване на оптични сензори. Много от компонентите, свързани с тези устройства, често са разработени за приложенията с оптични сензори. Способността на оптичните сензори се е увеличила на мястото на традиционния сензор.






Оптични сензори

Оптичните сензори, наричани още сензори за оптични влакна, използват оптични влакна или сензорен елемент. Тези сензори се използват за засичане на някои величини като температура, налягане, вибрации, измествания, ротации или концентрация на химически видове. Влакната имат толкова много приложения в областта на дистанционното наблюдение, тъй като не се нуждаят от електрическа енергия на отдалеченото място и имат малки размери.

Сензорите с оптични влакна са отлични за нечувствителни условия, включително шум, силни вибрации, екстремна топлина, мокра и нестабилна среда. Тези сензори могат лесно да се поберат на малки площи и могат да бъдат позиционирани правилно навсякъде, където са необходими гъвкави влакна. Изместването на дължината на вълната може да бъде изчислено с помощта на устройство, оптична рефлектометрия в честотната област. Закъснението във времето на оптичните сензори може да се реши с помощта на устройство като оптичен рефлектометър с времева област.



Блокова диаграма на оптичен сензор

Блокова диаграма на оптичен сензор

Общата блок-схема на оптичния сензор е показана по-горе. Блоковата схема се състои от оптичен източник ( Светодиод , ЛАЗЕР и лазерен диод), оптични влакна, чувствителен елемент, оптичен детектор и устройства за крайна обработка (анализатор на оптичния спектър, осцилоскоп). Тези сензори са класифицирани в три категории въз основа на принципите на работа, местоположението на сензора и приложението.

Видове оптични оптични сензорни системи

Тези сензори могат да бъдат класифицирани и обяснени по следния начин:


1. Въз основа на местоположението на сензора, оптичните сензори се класифицират в два типа:

  • Вътрешни оптични сензори
  • Външен оптичен сензор

Властен оптичен сензор

При този тип сензори усещането се извършва в самото влакно. Сензорите зависят от свойствата на самото оптично влакно, за да преобразуват въздействието на околната среда в a модулация на светлинния лъч, преминаващ през него. Тук едно от физическите свойства на светлинния сигнал може да бъде под формата на честота, фаза, интензивност на поляризация. Най-полезната характеристика на присъщия оптичен сензор е, че той осигурява разпределено наблюдение на големи разстояния. Основната концепция на присъщия оптичен сензор е показана на следващата фигура.

Властен оптичен сензор

Властен оптичен сензор

Оптични сензори от външен тип

В оптичните сензори от външен тип влакното може да се използва като носители на информация, които показват пътя към черна кутия. Той генерира светлинен сигнал в зависимост от информацията, пристигнала в черната кутия. Черната кутия може да бъде направена от огледала,газ или други механизми, които генерират оптичен сигнал. Тези сензори се използват за измерване на въртене, скорост на вибрации, изместване, усукване, въртящ момент и ускорение. Майорът ползата от тези сензори е способността им да достигат до места, които иначе са недостижими.

Оптични сензори от външен тип

Оптични сензори от външен тип

Най-добрият пример за този сензор е измерването на вътрешната температура на реактивния двигател на самолета, който използва влакно за предаване на излъчване в радиационен пирометър, който се намира извън двигателя. По същия начин тези сензори могат да се използват и за измерване на вътрешната температура на трансформатори . Тези сензори осигуряват отлична защита на измервателните сигнали срещу повреда на шума. Следващата фигура показва основната концепция на външния оптичен сензор.

2. Въз основа на принципите на работа, оптичните сензори се класифицират в три типа:

  • Въз основа на интензивност
  • На базата на фаза
  • Въз основа на поляризация

Оптичен сензор, базиран на интензитет

Оптичните сензори, базирани на интензитет, изискват повече светлина и тези сензори използват многорежимни основни влакна. Показаната фигура дава представа за това как интензитетът на светлината работи като сензорен параметър, както и как тази подредба прави влакното да работи като сензор за вибрации. Когато има вибрация, ще има промяна в светлината, вмъкната от единия до другия край и това ще направи интелигентността за измерване на амплитудата на вибрациите.

Оптичен сензор, базиран на интензитет

Оптичен сензор, базиран на интензитет

На фигурата по-близкият оптичен и вибрационен сензор зависят от интензивността на светлината в по-късните части. Тези сензори имат много ограничения поради променливи загуби в системата, които не възникват в околната среда. Тези променливи загуби включват загуби поради сраствания, загуби от микро и макро огъване, загуби поради връзки в съединенията и др. Примерите включват сензори на базата на интензивност или сензор за микроизвиване и сензор за изчезваща вълна.

Предимствата на тези оптични сензори включват ниска цена, способност да се представят като реално разпределени сензори, много лесни за изпълнение, възможност за мултиплексиране и др. Недостатъците включват вариации в интензивността на светлината и относителни измервания и т.н.

Оптичен сензор, базиран на поляризация

Оптичните влакна на основата на поляризация са важни за определен клас сензори. Това свойство може просто да бъде модифицирано от различни външни променливи и по този начин тези видове сензори може да се използва за измерване на редица параметри.Разработени са специални влакна и други компоненти с точни поляризационни характеристики. Като цяло те се използват в различни приложения за измервания, комуникация и обработка на сигнали.

Оптичен сензор, базиран на поляризация

Оптичен сензор, базиран на поляризация

Оптичната настройка за базиран на поляризация оптичен сензор е показана по-горе. Той се оформя чрез поляризиране на светлината от източника на светлина през поляризатор. Поляризираната светлина се стартира на 45o към избраните оси на дължина на двулучепреломляващо защитно влакно. Тази част от влакното се използва като чувствително влакно. След това фазовата разлика между двете поляризационни състояния се променя при всякакви външни смущения като напрежение или деформация. След това, според външните смущения, изходната поляризация се променя.Така, като се вземе предвид състоянието на изходната поляризация в следващия край на влакното, могат да се открият външните смущения.

Фазово-оптичен сензор

Този тип сензори се използват за промяна на излъчващата светлина върху информационния сигнал, при което сигналът се наблюдава от фазово-базиран оптичен сензор. Когато през интерферометъра се премине светлинен лъч, тогава светлината се разделя на два лъча, при което единият лъч е изложен на сензорната среда, а другият лъч е изолиран от сензорната среда, която се използва като еталон. След като двата отделени лъча се комбинират, те пречат един на друг. Най-често използваните интерферометри са Michelson, Mach Zehnder, Sagnac, решетъчни и поляриметрични интерферометри. Тук по-долу са показани интерферометрите на Mach Zehnder и Michelson.

Фазово-оптичен сензор

Фазово-оптичен сензор

тук има разлики и прилики между двата интерферометра. Що се отнася до приликите, интерферометърът на Майкълсън често се счита за сгънат интерферометър на Mach Zehnder. Конфигурацията на интерферометъра на Майкълсън изисква само един съединител за оптични влакна. Тъй като светлината преминава два пъти през чувствителните и еталонните влакна, оптичното фазово изместване на единица дължина на влакното се удвоява. По този начин канелите на Микелсън по същество имат по-добра чувствителност. Друго ясно предимство на Michelson е, че сензорът може да бъде разпитан само с едно влакно между модула за източник и детектор на източника. Но за интерферометъра на Майкълсън се изисква качествено отражателно огледало

3. Въз основа на приложението, оптичните сензори се класифицират в три типа, като например

  • Химически сензор
  • Физически сензор
  • Био медицински сензор

Химически сензор

Химичният сензор е устройство, което се използва за трансформиране на химическа информация под формата на измерим физически сигнал, който е свързан с концентрацията на определен химичен вид. Химичният сензор е важен компонент на анализа и може да включва някои устройства, които изпълняват следното функции: обработка на сигнали, вземане на проби и обработка на данни. Анализаторът може да бъде важна част от автоматизирана система.

Химически сензор

Химически сензор

Работата на анализатора съгласно план за вземане на проби като функция на времето действа като монитор. Тези сензори включват две функционални единици: рецептор и преобразувател. В рецепторната част химичната информация се трансформира в енергия, която може да бъде измерена от преобразувателя, В частта на преобразувателя химическата информация се трансформира в аналитичен сигнал и тя не показва чувствителност.

Физически сензор

Физическият сензор е устройство, което е направено според физическия ефект и природата. Тези сензори се използват за предоставяне на информация за физическо свойство на системата. Този тип сензори се означават най-вече от сензори като фотоелектрически сензори, пиезоелектрични сензори , сензори за деформация на метални съпротивления и полупроводникови пиезо-резистивни сензори.

Био медицински сензор

Биомедицинският сензор е електронно устройство, което се използва за прехвърляне на различни неелектрически величини в биомедицински полета в лесно откриваеми електрически величини. Поради тази причина тези сензори са включени в анализа на здравеопазването. Тази сензорна технология е ключът към събирането на човешката патологична и физиологична информация.

Био медицински сензор

Био медицински сензор

Приложения на оптични сензори

Оптичните сензори се използват в различни приложения, като например

  • Измерване на физични свойства като температура, изместване,скорост, деформация в структури от всякакъв размер или всякаква форма.
  • В реално време наблюдение на физическата структура на здравето.
  • Сгради и мостове, тунели,Язовири, наследствени структури.
  • Камера за нощно виждане, електронни системи за сигурност , Откриване на частично разреждане и измерване натоварванията на колелата на превозните средства

По този начин, преглед на оптични сензори и приложенията са обсъдени. Има много предимства от използването на оптични сензори за комуникация на дълги разстояния, които включват малки размери, леко тегло, компактност, висока чувствителност, широка честотна лента и др. Всички тези характеристики използват оптичната оптика като сензор. Отделно от това, за всяка помощ по тази тема или сензорни идеи за проекти , можете да се свържете с нас, като коментирате в раздела за коментари по-долу.

Кредити за снимки: