Fiberoptisk sensor
En fiberoptisk sensor är en sensor som använder optisk fiber antingen som avkänningselement ("inbyggda sensorer"), eller som ett sätt att vidarebefordra signaler från en fjärrsensor till elektroniken som behandlar signalerna ("extrinsiska sensorer"). Fibrer har många användningsområden inom fjärranalys. Beroende på applikationen kan fiber användas på grund av dess ringa storlek, eller för att ingen elektrisk kraft behövs på den avlägsna platsen, eller för att många sensorer kan multiplexeras längs en fibers längd genom att använda ljusvåglängdsförskjutning för varje sensor, eller genom att känna av tidsfördröjningen när ljus passerar längs fibern genom varje sensor. Tidsfördröjning kan bestämmas med användning av en anordning såsom en optisk tidsdomänreflektometer och våglängdsförskjutning kan beräknas med användning av ett instrument som implementerar optisk frekvensdomänreflektometri.
Fiberoptiska sensorer är också immuna mot elektromagnetiska störningar och leder inte elektricitet så de kan användas på platser där det finns högspänningselektricitet eller brännbart material som flygbränsle . Fiberoptiska sensorer kan konstrueras för att klara höga temperaturer också.
Inbyggda sensorer
Optiska fibrer kan användas som sensorer för att mäta töjning , temperatur , tryck och andra kvantiteter genom att modifiera en fiber så att mängden som ska mätas modulerar ljusets intensitet , fas , polarisation , våglängd eller transittid i fibern. Sensorer som varierar ljusets intensitet är de enklaste, eftersom endast en enkel källa och detektor krävs. En särskilt användbar egenskap hos inbyggda fiberoptiska sensorer är att de vid behov kan ge distribuerad avkänning över mycket stora avstånd.
Temperaturen kan mätas genom att använda en fiber som har evanescent förlust som varierar med temperaturen, eller genom att analysera Rayleigh-spridningen , Raman-spridningen eller Brillouin-spridningen i den optiska fibern. Elektrisk spänning kan avkännas av olinjära optiska effekter i specialdopad fiber, som ändrar ljusets polarisering som en funktion av spänning eller elektriskt fält. Vinkelmätningssensorer kan baseras på Sagnac-effekten .
Specialfibrer som långtidsfibergitter (LPG) optiska fibrer kan användas för riktningsavkänning. Photonics Research Group vid Aston University i Storbritannien har några publikationer om vektoriella böjsensorapplikationer.
Optiska fibrer används som hydrofoner för seismiska och ekolodstillämpningar . Hydrofonsystem med mer än hundra sensorer per fiberkabel har utvecklats. Hydrofonsensorsystem används av såväl oljeindustrin som ett fåtal länders flottor. Både bottenmonterade hydrofonsystem och bogserade streamersystem används. Det tyska företaget Sennheiser utvecklade en lasermikrofon för användning med optiska fibrer.
En fiberoptisk mikrofon och fiberoptikbaserade hörlurar är användbara i områden med starka elektriska eller magnetiska fält, som kommunikation mellan teamet av människor som arbetar på en patient inuti en magnetisk resonanstomografi (MRI)-maskin under MRT-ledd kirurgi.
Optiska fibersensorer för temperatur och tryck har utvecklats för mätning i borrhål i oljekällor. Den fiberoptiska sensorn är väl lämpad för denna miljö då den fungerar vid temperaturer som är för höga för halvledarsensorer ( distribuerad temperaturavkänning) .
Optiska fibrer kan göras till interferometriska sensorer såsom fiberoptiska gyroskop, som används i Boeing 767 och i vissa bilmodeller (för navigationsändamål). De används också för att göra vätesensorer .
Fiberoptiska sensorer har utvecklats för att mäta samlokaliserad temperatur och töjning samtidigt med mycket hög noggrannhet med hjälp av fiber Bragg-galler . Detta är särskilt användbart när du skaffar information från små eller komplexa strukturer. Fiberoptiska sensorer är också särskilt väl lämpade för fjärrövervakning, och de kan avfrågas 290 km från övervakningsstationen med en optisk fiberkabel. Brillouin- spridningseffekter kan också användas för att detektera töjning och temperatur över stora avstånd (20–120 kilometer).
Andra exempel
En fiberoptisk AC/DC-spänningssensor i mellan- och högspänningsområdet (100–2000 V) kan skapas genom att inducera mätbara mängder Kerr-olinjäritet i singelmods optisk fiber genom att exponera en beräknad fiberlängd för det externa elektriska fältet. Mättekniken är baserad på polarimetrisk detektering och hög noggrannhet uppnås i en fientlig industriell miljö.
Högfrekventa (5 MHz–1 GHz) elektromagnetiska fält kan detekteras genom inducerade olinjära effekter i fiber med lämplig struktur. Fibern som används är utformad så att Faraday- och Kerr-effekterna orsakar avsevärda fasförändringar i närvaron av det yttre fältet. [ opålitlig källa? ] Med lämplig sensordesign kan denna typ av fiber användas för att mäta olika elektriska och magnetiska storheter och olika interna parametrar för fibermaterial.
Elektrisk effekt kan mätas i en fiber genom att använda en strukturerad bulkfiberamperesensor kopplad med korrekt signalbehandling i ett polarimetriskt detektionsschema. Experiment har utförts till stöd för tekniken.
Fiberoptiska sensorer används i elektriska ställverk för att överföra ljus från en elektrisk ljusbågsblixt till ett digitalt skyddsrelä för att möjliggöra snabb utlösning av en brytare för att minska energin i ljusbågsexplosionen.
Fiber Bragg gallerbaserade fiberoptiska sensorer förbättrar prestanda, effektivitet och säkerhet avsevärt i flera branscher. Med FBG integrerad teknologi kan sensorer ge detaljerad analys och omfattande rapporter om insikter med mycket hög upplösning. Denna typ av sensorer används flitigt i flera branscher som telekommunikation, fordon, flyg, energi, etc. Fiber Bragg galler är känsliga för statiskt tryck, mekanisk spänning och kompression och fibertemperaturförändringar. Effektiviteten hos fiber-Bragg-gitterbaserade fiberoptiska sensorer kan tillhandahållas med hjälp av central våglängdsjustering av ljusemitterande källa i enlighet med nuvarande Bragg-gitters reflektionsspektra.
Extrinsiska sensorer
Extrinsiska fiberoptiska sensorer använder en optisk fiberkabel , normalt en multimode , för att överföra modulerat ljus från antingen en icke-fiberoptisk sensor eller en elektronisk sensor ansluten till en optisk sändare. En stor fördel med extrinsiska sensorer är deras förmåga att nå platser som annars är otillgängliga. Ett exempel är mätning av temperaturen inuti flygplans jetmotorer genom att använda en fiber för att överföra strålning till en strålningspyrometer placerad utanför motorn. Extrinsiska sensorer kan också användas på samma sätt för att mäta den interna temperaturen hos elektriska transformatorer , där de extrema elektromagnetiska fälten som finns omöjliggör andra mättekniker.
Extrinsiska fiberoptiska sensorer ger utmärkt skydd av mätsignaler mot bruskorruption. Tyvärr producerar många konventionella sensorer elektrisk utsignal som måste omvandlas till en optisk signal för användning med fiber. Till exempel, i fallet med en platinaresistanstermometer , översätts temperaturförändringarna till resistansförändringar. PRT:n måste därför ha en strömförsörjning. Den modulerade spänningsnivån vid utgången av PRT kan sedan injiceras i den optiska fibern via den vanliga typen av sändare. Detta komplicerar mätprocessen och gör att lågspänningskablar måste dras till givaren.
Extrinsiska sensorer används för att mäta vibrationer, rotation, förskjutning, hastighet, acceleration, vridmoment och temperatur.
Kemiska sensorer och biosensorer
Det är välkänt att ljusets utbredning i optisk fiber är begränsad i fiberns kärna baserat på principen om total intern reflektion (TIR) och spridningsförluster nära noll inom beklädnaden, vilket är mycket viktigt för den optiska kommunikationen men begränsar dess avkänningsapplikationer på grund av att ljus inte interagerar med omgivningen. Därför är det viktigt att utnyttja nya fiberoptiska strukturer för att störa ljusutbredningen, och därigenom möjliggöra ljusets interaktion med omgivningen och konstruera fiberoptiska sensorer. Hittills har flera metoder, inklusive polering, kemisk etsning, avsmalnande, böjning, liksom femtosekund-gitterinskription, föreslagits för att skräddarsy ljusutbredningen och förmå ljusets interaktion med avkännande material. I de ovan nämnda fiberoptiska strukturerna kan de förstärkta evanescenta fälten effektivt exciteras för att få ljuset att exponeras för och interagera med det omgivande mediet. Fibrerna själva kan dock bara känna av väldigt få typer av analyter med låg känslighet och noll-selektivitet, vilket kraftigt begränsar deras utveckling och tillämpningar, särskilt för biosensorer som kräver både högkänslighet och hög selektivitet. För att övervinna problemet är ett effektivt sätt att tillgripa lyhörda material, som har förmågan att ändra sina egenskaper, såsom RI, absorption, konduktivitet, etc. när de omgivande miljöerna förändras. På grund av den snabba utvecklingen av funktionella material under de senaste åren finns olika avkänningsmaterial tillgängliga för fiberoptiska kemiska sensorer och biosensorer, inklusive grafen, metaller och metalloxider, kolnanorör, nanotrådar, nanopartiklar, polymerer, kvantprickar, etc. Allmänt , dessa material ändrar reversibelt sin form/volym vid stimulering av de omgivande miljöerna (målanalytikerna), vilket sedan leder till variationen av RI eller absorption av avkänningsmaterialen. Följaktligen kommer de omgivande förändringarna att registreras och avfrågas av de optiska fibrerna, vilket realiserar avkänningsfunktioner hos optiska fibrer. För närvarande har olika fiberoptiska kemiska sensorer och biosensorer föreslagits och demonstrerats.