Волоконно-оптические датчики температуры. Оптоволоконные датчики в системах промышленной автоматизации

Знания о наличии деталей в машинах, работе осветительной арматуры, наличии деталей на – один из важнейших компонентов промышленной автоматизации. Последовательность ошибок при сборке деталей и управлении процессами часто необходимо для выявления причины отказа. Во многих случаях ошибка происходит из-за отсутствия детали, необходимой для сборки, или ее плохого качества. Для избегания этого устанавливается датчик, который выполняет функцию проверки наличия необходимых деталей.

Существует огромное количество различных типов датчиков – индуктивные, магнитные, фотоэлектрические. Каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны в зависимости от области применения. Тем не менее, фотоэлектрические датчики имеют наиболее широкое предложение различных технологий и типов, а также самый широкий спектр применения.

Фотоэлектрические датчики бывают с различными типами светового излучения (инфракрасного, видимого красного, класс лазера 1 и 2), чувствительных технологий (диффузных, подавление фона, светоотражающих, однолучевой) и с различными конфигурациями корпуса (фото глаз (photo eye) или волоконно-оптические). В данной статье рассматриваются определение и применение волоконно-оптических датчиков (или как их еще называют оптоволоконные датчики), которые предлагают расширенные возможности и параметры конфигурации, и прекрасно подходят для узких мест, которые слишком малы для датчика фото глаз (photo eye).

Оптоволоконная технология

Оптоволоконные датчики включают в себя два устройства, которые обычно указываются отдельно: усилитель, который часто называют электронным или волоконно-фотоэлектрическим усилителем; и оптоволоконный кабель, который включает в себя оптическую головку и волоконно-оптический кабель, пропускающий свет от усилителя.

Принцип работы всех фотоэлектрических датчиков довольно прост. Каждый прибор имеет излучатель световых волн и приемник, который обнаруживает этот сигнал. При этом существует множество технологий для обнаружения и измерения световых волн, поступающих на приемник. Например, датчики подавления фона отслеживают угол, под которым возвращается световая волна, в то время как стандартные фотоизмерители отслеживают количество света, возвращаемого к датчику. Другие разновидности фотоизмерительных устройств контролируют время возврата световой волны, тем самым обеспечивая измерение расстояния.

Пара источник-приемник может устанавливаться как в одной оптической головке (при использовании диффузных и отражательных единиц), так и в двух оптических головках (использование однолучевых единиц). Волоконно-оптические датчики помещают в один корпус всю электронику с оптическими головками для излучателя и приемника световых волн, в котором приемник отделен от подключенной к корпусу электроники оптоволоконным кабелем. Излучаемые и получаемые волны проходят через этот кабель так же, как и при высокоскоростной передачи данных в волоконно-оптических сетях.

Одним из преимуществ такого разделения является то, что головка измерителя должна устанавливаться на измеряемом объекте. Интегрированный волоконно-оптический кабель прокладывается и подключается к усилителю, который может быть установлен в безопасном месте (как правило, шкаф управления), защищая его от часто жесткой производственной среды.

Разнообразие вариантов, доступных для обоих усилителей и волоконно-оптических кабелей просто огромен. Усилители варьируются от примитивных до сложных, а машиностроители продолжают требовать больше функций, в том числе логических и коммуникационных возможностей.

Усилители для оптоволоконных датчиков

Волоконно-оптические усилители варьируются от имеющих базовую комплектацию электронных компонентов и функциональности, до устройств типа «подключи и работай», для моделей с полностью настраиваемой электроникой. У некоторых даже есть электронные блоки, которые могут обрабатывать до 15 входов волокон в конфигурации коллекторного типа. Индикация выхода крайне желательна, поскольку он показывает, работает ли датчик корректно, но другие основные функции (таблица ниже) также должны быть указаны:

Формат вывода и подключения к усилителям имеют важное значение, поскольку они определяют интерфейс к контроллеру, так как установка и сброс настроек является неотъемлемой частью конфигурации усилителя.

Типы выходов могут быть либо нормально открытыми (NO), либо нормально закрытыми (NC), а подключение может осуществляться по типу sinking, sourcing или push-pull. Параметры электрического соединения предварительно монтируются, как правило, с кабелем длиной 2 метра или quick disconnect со стандартным многоконтактным разъемом M8 или M12. Установки переключателей программируются с помощью потенциометра или в цифровом виде, с помощью кнопок.

Помимо основных, расширенные возможности усилителей обеспечивают существенную гибкость с такими функциями как: импульсные выходы, задержки включения / отключения, а также возможность исключить прерывистые сигналы. Эти передовые элементы современной электроники дают машиностроителям возможность детализировать и корректировать параметры усилителя в соответствии с требованиями установки.

Большинство моделей снабжены светодиодами выходного состояния, в то время как некоторые предлагают дисплеи, на которых представлены сведения о силе сигнала и состояния выхода. Более продвинутые блоки имеют многострочные OLED дисплеи с настраиваемыми функциями диагностики и возможностью программирования.

Фильтрация сигнала часто требует увеличения частоты дискретизации, так как это обеспечивает более устойчивое измерение при изменяющихся условиях окружающей среды. Это усиливает сигнал, но заставляет блок работать на более низких частотах коммутации. Импульсные выходы позволяют растягивать входной сигнал, что может быть полезно в случае слишком большой частоты для входа программируемого логического контроллера ПЛК. Задержки включения/отключения позволяют потребителям устанавливать необходимые времена задержки выходных и входных сигналов.

Дополнительные блоки обеспечивают больше возможностей программирования, например, настройка чувствительности. С помощью данных опций пользователи могут подгонять чувствительность измерительного элемента для работы со сложными материалами, такими как стекло. Данная функция обучения устраняет или уменьшает необходимость в программировании контроллера для выполнения данных функций. Они также могут запрограммировать выход для включения/отключения между двух точек переключения. Например, для позиционирования деталей, переключатель включается в одном положении и отключается в другом, отслеживая при этом положение детали в пространстве.

Видимость света оптоволоконного кабеля

Волоконно-оптические кабели не проводят электрический ток — они пропускают свет. Они изготавливаются с различными конфигурациями и из различного материала, а также имеют различные типы чувствительной головки. В таблице ниже приведены некоторые из основных параметров оптоволоконных кабелей:

Диффузные волоконно-оптические кабели состоят из двух шпон – одна для соединения с усилителем, а вторая с чувствительной головкой. При чем с чувствительной головкой соединяют два кабеля – тот который подключается к источнику света, и тот который подключается к измерительному элементу. Однолучевые волоконно-оптические кабели имеют два отдельных идентичных кабеля, которые подключаются к усилителю и каждый имеет свою оптическую головку. Один кабель передает свет – другой его принимает. Частая ошибка при работе с однолучевыми кабелями – это заказ только одного кабеля из двух. Это связано с тем, что некоторые поставщики могут поставлять только одну часть системы по номеру детали, поэтому при выборе однолучевых кабелей будьте внимательны.

Волоконные материалы, как правило, состоят из пластика или стекла. Пластиковые блоки тоньше, дешевле, обеспечивают большие радиусы изгиба. Стеклянные блоки более прочные и имеют более высокие рабочие температуры. Пластиковые волокна можно отрезать до нужной длины с помощью специального резака, в то время как стеклянные обрезаются только раз – при изготовлении и поставляются нужной длины. Оболочка волоконного материала может варьироваться от экструдированного пластика до оплетки из нержавеющей стали, для работы в самых неблагоприятных условиях.

Выбор оптической головки – самый важный этап в выборе оптоволоконного датчика. Это связано с тем, что именно чувствительность головки влияет на обнаружение небольших неподвижных или подвижных частей. Выбор головки зависит от того, под каким углом излучатель и приемник расположены к измеряемому объекту, а также от дисперсии. Головки могут иметь округлые пучки волокна для создания кругового луча или протяженные, для создания горизонтальных проекций.

Круглые пучки в диффузионной головке могут быть строго разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами приемника на другой половине. Такая конструкция встречается часто, но она может приводить к запаздыванию считывания информации с части, движущейся перпендикулярно к бифуркационной линии. Существует вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника сигнала для получения более равномерных лучей. Равномерное распределение позволяет выравнивать воздействия при отправке и получении световых волн, что обеспечивает обнаружение независимо от направления движения.

На расстояние срабатывания волоконной оптики будет оказывать влияние усилитель, тип оптической головки, длина волокна кабеля. Исходя из этих трех параметров, влияющих на работу датчика, точную оценку точности и диапазона срабатывания дать трудно, но производители, как правило, приводят эти данные. Однолучевой датчик имеет больший диапазон, чем диффузный. Чем длиннее волокна кабеля, тем короче диапазон, а также стоит отметить, усовершенствованные усилители обычно имеют более сильные излучающие сигналы и более длинные диапазоны.

Подключение волоконно-оптических датчиков

Использование распределенного ввода / вывода и распределенных интеллектуальных систем растет во всей промышленной автоматизации, и волоконно-оптические датчики не являются исключением. Подключение нескольких волоконно-оптических кабелей датчиков к одному электронному коллектору имеет свои преимущества.

Волоконно-оптические усилители, как правило, одноканальные автономные устройства. С тонкими корпусами и креплением на DIN-рейку, они легко могут быть вмонтированы в панели управления. Один из недостатков может касаться маршрутизации электрических соединений для каждого отдельного усилителя.

Другой вариант заключается в использовании волоконно-оптический коллектора, который группирует множественные каналы волокна в одном центре управления:

Эти волоконно-оптические коллекторы обычно оснащены дисплеем OLED с меню, чтобы позволить программирование каждого канала волокна. Каждый оптоволоконный канал может быть сконфигурирован отдельно, например, установка на свет или затемнение, или гистерезис переключения. Этот централизованный контроль также позволяет группировку выходов через И / ИЛИ логику, которая может сократить и упростить выходной сигнал в ПЛК.

Применения и основные вопросы

Волоконная оптика работает довольно хорошо и обычно используется в системах со значительными электрическими шумами. Волокно кабеля не восприимчиво к электрическому шуму, а усилитель (восприимчив к шумам) может устанавливаться вдали от источника шума (например, в шкафу управления).

Другой, весьма распространённой область применения, являются небольшие сборочные линии. Операции на этих линиях, как правило, полностью автоматизированные и требуют наличия датчиков обнаружения детали на конвейере или в сборочном механизме, чтобы подтвердить сборочную операцию.

Оптоволоконные решения могут быть различными – размеры оптических головок, иметь различную ориентацию и дисперсию для обеспечения минимальных и максимально точных фокусов света для каждого приложения независимо от размера корпуса. С помощью логики на плате управления и использовании двухканального датчика один канал может использоваться для определения наличия детали в месте сборки, а второй канал может использоваться для подтверждения окончания операции сборки.

Общей проблемой всех видов оптоволоконных систем является чрезмерное сгибание волокон. Кабели и пучки отдельных волокон довольно податливы, чем позволяют монтажнику легко согнуть их больше, чем это допускает максимальный радиус изгиба. Это может привести к непоправимой пластической деформации волокон, что значительно снизит пропускание световых волн, или вовсе приведет к разрыву волокна и невозможности пропускать сигнал. Максимальный радиус изгиба варьируется в зависимости от типа волоконного материала, размеров, дисперсии волокон в пучке, и он должен выполнятся при любых условиях.

Вне зависимости от применения, потребители должны выбрать подходящую технологию датчиков. Волоконно-оптические датчики, усилители и волоконно-оптические головки должны быть тщательно отобраны для приложения, чтобы обеспечить надежную производительность измерения.

Применение волоконно-оптических датчиков экономически целесообразно на крупных объектах, где требуется большое количество контроллеров для постоянного мониторинга основных приборов. Для эксплуатации в жестких условиях выпускаются специальные модели, устойчивые к воздействию высоких температур, агрессивных сред и способные выполнять свои функции в вакууме. В зависимости от принципа работы устройства, различают датчики точечные и распределенные.

Точечные

Основным элементом здесь являются бреэгговские решетки - селектирующие зеркала. Излучение, попадающее к волоконно-оптическому датчику от широкополосного источника, отражается в виде узенькой спектральной полосы. Остальной свет движется по волокну. Такая технология дает возможность разместить множество контроллеров по всей длине линии, получая абсолютные показания без дополнительной калибровки. Это самый надежный на сегодняшний день вариант мониторинга.

С помощью точечных датчиков можно измерять:

температуру;
вибрации;
давление;
деформации;
углы и др.

Распределенные

Конструкция распределенного волоконно-оптического датчика, предназначенного для контроля температуры, включает пару основных элементов. Это оптоволокно и опросное устройство. Подобная система используется в случаях, когда мониторинг требуется линиям большой протяженности. Принцип действия: опросное устройство генерирует лазерный импульс, который подвергается обратному рассеиванию в оптоволокне. Анализ этого спектра помогает узнать температуру в каждой ключевой точке оптоволокна.

Для охраны крупных объектов и измерения деформаций можно купить акустические датчики. Они работают по схожему принципу. Разница в том, что анализатор измеряет не спектр, а колебания обратного рассеянного излучения. Благодаря этим данным можно определить источник звуковой волны и своевременно принять меры, если происходит несанкционированное вмешательство.

Мы предлагаем

Наличие волоконно-оптических датчиков позволяет полностью контролировать состояние важных характеристик. Эти приборы устойчивы к электрическим и магнитным помехам. Они неприхотливы в обслуживании, надежны, долговечны, экономно потребляют электроэнергию, могут эксплуатироваться в мороз и сильную жару.

В нашем магазине вы можете купить продукцию компании Омрон и других известных производителей подобного оборудования. Наши менеджеры проконсультируют вас по всем техническим вопросам. Есть варианты на случай, если датчики планируется использовать в экстремальных условиях. Мы предлагаем своим клиентам только сертифицированную продукцию по доступным ценам. При необходимости можно заказать услуги монтажников.

Определение присутствия детали на конвейере автоматизированной линии, получение информации о работе осветительного прибора, управление компактным, но эффективным станком.. Везде требуется минимум ошибок в управлении процессом, а если вышел отказ, то важно знать причину отказа, чтобы впредь ошибок не повторялось, ведь современные технологические процессы не терпят низкого качества. Вот здесь то и приходят на помощь датчики.

Есть множество типов датчиков: магнитные, индуктивные, фотоэлектрические, емкостные, - каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Фотоэлектрические - одни из наиболее универсальных. Здесь и лазерные и инфракрасные, и однолучевые, и светоотражающие. Но рассмотрим мы оптоволоконные датчики, ведь именно они обладают широчайшими возможностями для конфигурирования и отлично подходят даже для самых труднодоступных мест.

Оптоволоконный датчик разделен на пару устройств: волоконно-фотоэлектрический усилитель и оптоволоконный кабель с оптической головкой. Кабель пропускает от усилителя свет.

Принцип здесь прост. Излучатель и приемник совместно работают: приемник обнаруживает световую волну, излученную излучателем. Технологически этот процесс реализуем по-разному: отслеживание угла световой волны, измерение количества света, или измерение времени возврата световой волны с целью измерения расстояния до предмета.

Оптические источник и приемник могут располагаться просто в головке (диффузные или отражательные единицы), либо могут быть выполнены по отдельности - две головки (однолучевые единицы). Головка оптоволоконного датчика содержит внутри электронику, приемник при этом соединен с электроникой именно посредством оптоволокна. Принимаемые и излучаемые волны проходят через волокно подобно тому, как это происходит при высокоскоростной передаче данных в оптоволоконных сетях.

Достоинство данного разделения в том, что приемник устанавливается на измеряемом объекте. Волоконно-оптический кабель прокладывают и подключают к усилителю, который расположен в специальном шкафу управления, защищающем усилитель от внешней, часто жесткой, окружающей среды производственного предприятия. Выбор вариантов разнообразен. Усилители бывают простыми и сложными, в частности - многофункциональными, обладающими возможностями выполнения логических и коммутационных операций.

Усилители волоконно-оптических датчиков базовой комплектации имеют минимум электронных компонентов и функциональных возможностей, а наиболее сложные отличаются принципом «подключи и работай», электроника в них полностью индивидуально настраивается. Электронные блоки некоторых датчиков способны обрабатывать более 10 входных сигналов с волокон. Безусловно, имеется и индикация. Индикаторы показывают, корректно ли работает датчик. Кроме того имеются и другие функции.

Интерфейс для контроллера определяется форматом вывода. Здесь предусмотрены как настройка датчика, так и сброс настроек усилителя. Выходы бывают нормально разомкнутыми, нормально замкнутыми, коллекторными, эмиттерными, пуш-пуллными. Соединения монтируются посредством кабеля с многоконтактным разъемом. Программирование осуществляется при помощи кнопок или просто потенциометром.

Дополнительную гибкость дают такие опции датчиков как: задержка вкл/выкл, импульсные выходы, исключение прерывистых сигналов, - для достижения большей свободы в детализации и корректировке параметров усилителя в зависимости от индивидуальных требований производственного процесса. Задержки позволяют замедлить реакцию рабочего органа, прерывистые сигналы - служат знаком к тому, что условия работы нарушены. Все настраивается индивидуально.

Светодиодная индикация выходного состояния, либо наличие дисплея со сведениями о сигналах и состояниях выхода - вот продвинутые опции, позволяющие проводить диагностику и программировать датчик на месте.

Для более устойчивых измерений в условиях изменяющейся окружающей среды - подойдет датчик с увеличенной частотой дискретизации и с фильтрацией сигнала. Блок хоть и будет работать все так же на низкой частоте, тем не менее это будет полезно. Задержки вкл/выкл помогут согласовать выходные и входные сигналы.

Применение вспомогательных блоков расширит возможности программирования, например можно подстроить чувствительность измерительного элемента при работе с особыми материалами, такими как стекло, или запрограммировать выключение/включение между точками переключения: отслеживание положения детали и ее позиционирование в пространстве.

Вся прелесть волоконно-оптических кабелей в том, что они вместо тока пропускают свет. Возможны конфигурации из различных материалов, с разными степенями чувствительности головок.

Диффузный оптоволоконный кабель состоит из пары шпон, одна из которых идет на усилитель, вторая - на чувствительную головку. С чувствительной головкой при этом соединено два кабеля - один для источника света, второй - для электроники.

Однолучевой оптоволоконный кабель содержит пару одинаковых кабелей, каждый из которых подключается к усилителю и обладает своей оптической головкой. Один кабель служит для передачи света, второй - для приема.

Само волокно, обычно, стеклянное либо пластиковое. Пластиковое - тоньше, дешевле, гибче. Стеклянное прочнее, и может работать при более высоких температурах. Пластик можно отрезать на требуемую длину, а стеклянное режут лишь на стадии изготовления. Оболочка волокна - от экструдированного пластика до оплетки из нержавейки, для суровых условий эксплуатации.

Наиболее важно при выборе оптоволоконного датчика - правильно выбрать оптическую головку. Ведь именно с чувствительностью головки связана точность обнаружения частей, маленьких, неподвижных или подвижных. Под каким углом будут расположены приемник и излучатель по отношению к объекту, какова допустимая дисперсия. Требуется ли круглый пучок волокна для получения кругового луча или протяженный - для получения горизонтальной проекции.

Что касается круглых пучков, то в диффузной головке они могут быть ровно разветвлены со всеми волокнами источника на одной половине, и с волокнами приемника - на другой. Данная конструкция встречается часто, но может вызывать запаздывание считывания информации с части, движущейся под прямым углом к линии бифуркации.

Вариант с равномерным распределением волокон источника и приемника дает более равномерные лучи. Равномерные лучи позволяют выравнивать воздействия отправки и получения волн, и обнаружение получится независимым от направления движения объекта.

Тип оптической головки, длина кабеля и усилитель оказывают значительное влияние на расстояние срабатывания оптики. Точную оценку дать трудно, но производители эти данные указывают. Однолучевой датчик обладает большим диапазоном нежели диффузный. Длиннее волокно - короче диапазон. Совершеннее усилитель - сильнее сигнал, больше диапазон.

Все чаще используется в промышленной автоматизации распределенный ввод/вывод, и возможно подключить несколько оптоволоконных кабелей датчиков к одному коллектору.

Оптоволоконные усилители зачастую - автономные одноканальные устройства с креплением на DIN-рейку, они легко монтируются в панели, и недостаток разве что в маршрутизации соединений от отдельных усилителей.

Коллектор может группировать множественные каналы волокна в едином центре управления: коллекторы оснащены дисплеями с меню, и каждый канал программируется индивидуально. Сконфигурированные каналы могут использоваться через И/ИЛИ логику, которая сильно упрощает управление ПЛК.

Применение волоконной оптики хорошо показывает себя в системах работающих в условиях сильного электрического шума. Оптоволокно не воспринимает электрический шум, а электронный усилитель защищен шкафом. Небольшие сборочные линии с автоматизацией обнаружения деталей на конвейерах в процессе сборки устройств - еще одно весьма перспективное и уже довольно распространенное направление использования оптоволоконных датчиков.

Головки с различной ориентацией, разного размера, отличные по дисперсии для обеспечения нужной степени точности фокуса независимо от размера датчика, - все это в совокупности с логикой управления открывает огромный потенциал возможностей. Например, один датчик определяет наличие детали в месте начала сборки, а второй подтверждает окончание сборки.

В прочем, независимо от сферы применения, важно подобрать датчик и головку с параметрами подходящими для требуемого приложения потребителя: по дисперсии, расстоянию, дискретизации, опциональности касательно настроек и программирования.

Единственный, пожалуй, минус - нельзя чрезмерно перегибать волокна. Стоит перегнуть немного больше, и случится непоправимая пластическая деформация волокон, пропускная способность понизится или вовсе пропадет. Допустимый радиус изгиба зависит от типа волокна, размера и дисперсии волокон в пучке. Эти характеристики необходимо учитывать при выборе датчика для ваших задач.

Перевод Ростислава Ливенцова

Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.

· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

Сенсоры на основе брэгговских решеток

Волоконно-оптические датчики зачастую основаны на волоконных брэгговских решетках. Основной принцип многих волоконно-оптических датчиков в том, что брэгговская длина волны (т.е. длина волны максимального отражения) в решетке зависит не только от периода брэгговской решетки, но также от температуры и механических напряжений. Для кварцевых волокон изменение брэгговской длины волны на единицу деформации примерно на 20% меньше, чем растяжение, так как есть влияние деформации на уменьшение показателя преломления. Температурные эффекты близки к ожидаемым только при тепловом расширении. Температурные и деформационные эффекты могут различаться при использовании различных технических средств (например, при использовании эталонной решетки, которая не подвержена деформации, или применении различных типов волоконных решеток) так, что оба значения регистрируются одновременно. Для регистрирования только деформации, разрешающая способность достигает нескольких µε (т.е. относительное изменение длин порядка) при этом точность имеет тот же порядок малости. Для динамических измерений (например, акустический явлений), достигается чувствительность большая чем 1 με в 1 Hz полосы пропускания.

Распределенное зондирование

Другие оптоволоконные датчики не используют волоконные брэгговские решетки как сенсоры, используя в качестве сенсоров само волокно. Принцип зондирования в них основан на эффекте Рэлеевского рассеяния, Рамановского рассеяния или рассеяния Бриллюэна. Например, метод оптической рефлектометрии временной области , где положение области со слабым отражением может быть определено с использованием импульсного зондирующего сигнала. Этот метод используется также для определения других величин, например температуры или напряжения в зависимости от сдвига частоты Бриллюэна.

В некоторых случаях, измеряемая величина является средним значением по всей длине волокна. Этот метод характерен для некоторых температурных датчиков, а также для интерферометров, основанных на эффекте Саньяка, применяемых в качестве гироскопов. В других случаях измеряются позиционно-зависимые величины (например, температура или напряжение). Это называется распределенным зондированием.

Квази-распределенное зондирование

Определенные волокна могут содержать серию решеток сенсоров (см. выше) для мониторинга температуры и распределения деформации по всему волокну. Это называется квази-распределенным зондированием. Существуют различные технические решения для адресации только к одной решетке (и таким образом точного определения положения вдоль волокна)

В одном способе, называющимся мультиплексирование с разделением по всей длине волны (WDM), или оптической рефлектометрии в частотной области спектра (OFDR), решетки имеют немного различающуюся брэгговскую длину волны. Длина волны перестраиваемого лазера в блоке интегрирования может быть настроена на длину волны, принадлежащую к определенному типу решетки, а длина волны максимального отражения указывает на влияние деформации или, например температуры. Кроме того широкополосные источники света источники света (например суперлюминесцентные источники) могут быть использованы совместно со сканирующим длину волны фотодетектором (например на основе волоконного резонатора Фабри-Перо) или на основе CCD спектрометра. В любом случае, максимальное количество решеток, как правило, не превышает 10-50, что ограничено диапазоном настройки пропускной способности источника света и необходимой разностью длин волн в решётках волокна.

Другой метод, называемый временным разделением каналов (TDM), использует идентичные слабоотражающие решетки, в которые посылаются короткие световые импульсы. Отражение от различных решеток регистрируют посредством времени их поступления. Временное разделение каналов (TDM) часто используют вместе с разделением по всей длине волны (WDM) для того, чтобы умножить число различных каналов в сотни или даже тысячи раз.

Другие подходы

Помимо выше описанных подходов, есть много альтернативных методов. Вот некоторые из них:

· Волоконные брегговские решетки могут быть использованы в интерференционных оптических волокнах, где они используются только в качестве отражателей, и измеряют фазовый сдвиг, зависящий от расстояния между ними.

· Существуют лазерные брэгговские сенсоры, где датчик решетки располагается в последнем зеркале волоконно - оптического резонатора лазера, на основе волокна допированного эрбием, которое воспринимает свет накачки на длине волны 980 нм через волокно. Брэгговская длина волны, которая зависит, например, от температуры или механического напряжения, определяет длину волны генерации. Этот подход, который имеет много вариантов дальнейшего развития, обещает принести высокие результаты из-за узкой полосы спектральной области, которая характерная для волоконного лазера, и высокой чувствительности.

· В некоторых случаях, пары брэгговских решеток используются в качестве волокна для интерферометров Фабри-Перо, которые могут реагировать особо чувствительно на внешние воздействия. Интерферометр Фабри-Перо можно изготовить так же другим способом, например, используя переменный воздушный зазор в волокне.

· Длиннопериодные решетки особенно интересны для зондирования нескольких параметров одновременно (например, температуры и напряжения) или иначе, для альтернативного определения деформации при очень низкой чувствительности к температурным изменениям.

Области применения

Даже по прошествии нескольких лет развития, волоконно-оптические датчики до сих пор не пользуются большим коммерческим успехом, так как трудно заменить применяемые сейчас технологии, даже если они имеют определенные ограничения. Хотя в некоторых областях применения, волоконно-оптические датчики получают все большее признание, как технология с большим потенциалом интересных возможностей. Это, например, работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах. Здания с встроенными волоконно-оптическими датчиками иногда называют «умными конструкциями», датчики в них осуществляют контроль деформации внутри различных частей конструкции, и получают данные об этих изменениях, например износе, вибрации и.т.д. Умные конструкции являются основной движущей силой для развития волоконно-оптических датчиков.

Волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике: безиндукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В обратном рассеивании можно найти, наряду с эластичной долей рассеивания (излучаемое рассеивание) на одинаковой длине волны, как проникший свет, так и дополнительные компоненты на других длинах волны, которые связаны с колебанием молекул и, тем самым с локальной температурой (комбинационное Рамановское рассеяние).

Волоконно-оптические датчики

В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.
· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.
· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.
· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.
· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).
· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

Сенсоры на основе брэгговских решеток

Волоконно-оптические датчики зачастую основаны на волоконных брэгговских решетках. Основной принцип многих волоконно-оптических датчиков в том, что брэгговская длина волны (т.е. длина волны максимального отражения) в решетке зависит не только от периода брэгговской решетки, но также от температуры и механических напряжений. Для кварцевых волокон изменение брэгговской длины волны на единицу деформации примерно на 20% меньше, чем растяжение, так как есть влияние деформации на уменьшение показателя преломления. Температурные эффекты близки к ожидаемым только при тепловом расширении. Температурные и деформационные эффекты могут различаться при использовании различных технических средств (например, при использовании эталонной решетки, которая не подвержена деформации, или применении различных типов волоконных решеток) так, что оба значения регистрируются одновременно. Для регистрирования только деформации, разрешающая способность достигает нескольких µе (т.е. относительное изменение длин порядка) при этом точность имеет тот же порядок малости. Для динамических измерений (например, акустический явлений), достигается чувствительность большая чем 1 ме в 1 Hz полосы пропускания.

Распределенное зондирование

Другие оптоволоконные датчики не используют волоконные брэгговские решетки как сенсоры, используя в качестве сенсоров само волокно. Принцип зондирования в них основан на эффекте Рэлеевского рассеяния, Рамановского рассеяния или рассеяния Бриллюэна. Например, метод оптической рефлектометрии временной области, где положение области со слабым отражением может быть определено с использованием импульсного зондирующего сигнала. Этот метод используется также для определения других величин, например температуры или напряжения в зависимости от сдвига частоты Бриллюэна.

Квази-распределенное зондирование

Другие подходы

Помимо выше описанных подходов, есть много альтернативных методов. Вот некоторые из них:

· Волоконные брегговские решетки могут быть использованы в интерференционных оптических волокнах, где они используются только в качестве отражателей, и измеряют фазовый сдвиг, зависящий от расстояния между ними.
· Существуют лазерные брэгговские сенсоры, где датчик решетки располагается в последнем зеркале волоконно - оптического резонатора лазера, на основе волокна допированного эрбием, которое воспринимает свет накачки на длине волны 980 нм через волокно. Брэгговская длина волны, которая зависит, например, от температуры или механического напряжения, определяет длину волны генерации. Этот подход, который имеет много вариантов дальнейшего развития, обещает принести высокие результаты из-за узкой полосы спектральной области, которая характерная для волоконного лазера, и высокой чувствительности.
· В некоторых случаях, пары брэгговских решеток используются в качестве волокна для интерферометров Фабри-Перо, которые могут реагировать особо чувствительно на внешние воздействия. Интерферометр Фабри-Перо можно изготовить так же другим способом, например, используя переменный воздушный зазор в волокне.
· Длиннопериодные решетки особенно интересны для зондирования нескольких параметров одновременно (например, температуры и напряжения) или иначе, для альтернативного определения деформации при очень низкой чувствительности к температурным изменениям.

Области применения

По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com