Daim ntaub ntawv thiab kev kho ntawm Fiber Optic Sensors
Tom qab
Tau ntau xyoo dhau los, fiber optic tshuab tau hloov ua kev lag luam hauv kev lag luam, ua kom muaj peev xwm, kev sib txuas lus ntev thiab kev sib txuas ntawm cov nqi qis tsis zoo. Fiber optics kuj tau ua cov haujlwm tseem ceeb hauv ntau daim ntaub ntawv: Lawv tau raug siv los muab lub teeb rau kev kos thiab txiav; raws li kev ua tau zoo, muaj hwj chim siab, muaj kev sib haum xeeb ntawm high-laser; rau kev ntsuam xyuas systems; thiab raws li ib txoj kev los muab kev teeb tsa nyob rau hauv qhov chaw tsis muaj nqis-tsis txhob hais txog cov khoom cua Christmas ntawm cov lus nug tsis meej (uas tau lees paub nyob rau hauv peb lub tsev kuaj mob thaum lub caij festive).
Ua ntej ua ntej fiber optics ua nws loj hauv kev lag luam hauv telecom, fiber optic technology tau qhia cov lus cog tseg hauv kev lag luam ntawm industrial thiab ib puag ncig kev xav. Xyoo ntawm kev tshawb fawb yog tam sim no tau muab txhais ua kev nyab xeeb, muaj tseeb raws li cov nplaim hluav taws xob ntsuas, nrog rau gyroscopes, qhov kub thiab txias, hydrophones thiab tshuaj lom neeg. Tseeb, fiber ntau optic sensors yog nrhiav kev siv txhua qhov los ntawm kev tsheb ciav hlau, txoj kev thiab cov txuas hniav kom muaj ncu khoom thiab cov khib nyiab pov tseg.
Fiber ntau - siv fiber ntau optics rau industrial thiab ib puag ncig sensing applications-yog lwm qhov exciting tsam qhov kev siv tshuab no. Nws yog, piv txwv li, qhov kev qhuab qhia nkaus xwb nyob rau hauv qhov dav dav ntawm kev xav ntawm nws muaj nws tus kheej lub zog ntawm cov rooj sib tham. Ntawm cov rooj sib tham no, cov kws tshawb fawb tau piav qhia cov tswv yim rau kev ntsuas txhua yam ntawm cov ntshav qab zib mus rau qhov tsis muaj gravitational. Qee lub tswv yim tau ua cov leap ntawm txoj kev kuaj sim mus rau hauv kev sib tw ua lag luam ntawm kev siv technology. Kev siv fiber ntau optics rau kev nkag siab daim ntawv thov tau twv nws cov kev siv hauv kev sib txuas lus tes hauj lwm. Nws pib nrog txoj kev loj hlob, nyob rau hauv nruab nrab xyoo 1960, ntawm "Fotonic" sensor, ib qho cuab yeej-ntim ntaus ntawv uas ntsuas kev tawm thiab kev tawm, tshwj xeeb tshaj yog nyob rau hauv lub tshuab kev lag luam. Txawm hais tias Fotonic yog ib qho kev siv technology tsis zoo los ntawm cov hauj lwm me ntsis, lub tswv yim tom qab lub sensor ntes lub tswv yim ntawm kev tshawb fawb lub zej zog.
Qhia txog Fiber Optic Sensors
Mechanism
Qhov yooj yim mechanism yog yooj yim (qhia nyob rau hauv daim duab hauv qab no): Pub lub teeb mus rau hauv ib qho fiber ntau qhov muag; npaj rau lub teeb kom raug hloov raws li nws txoj kev koom nrog lub txiaj ntsig ntawm qhov kev txaus siab; thiab tom qab ntawd mam li xa cov teeb pom kev rov qab mus rau ib qho chaw xyuas. Muaj ntau txoj hauv kev los mus txog txhua kauj ruam- hauv kev tshaj lij, qhov kev siv los hloov qhov pom kev-tab sis qhov no yog qhov essence ntawm technology.
Zoo Tshaj Plaws
Fiber optic sensors muaj ntau yam zoo dua lwm cov kev ua kom nkag siab. Tej zaum qhov tseem ceeb tshaj plaws, cov kev ntsuas no ua rau lub cev ntim ntawm electromagnetic thiab tuaj yeem nkag tau los ntawm cov kev siv fais fab mus ntev ntev-qee zaum ntev txog kaum tawm mais. Cov fibers kuj muaj kev ruaj ntseg nyob hauv tej qhov chaw muaj kev phom sij. Tsis tas li ntawd xwb, lawv muaj kev sib tw, muaj lub cev me me, thiab muaj kev sib tw nrog cov tswv tsev ua haujlwm.
Drawbacks
Tsis muaj leej twg, cov sensors no muaj teeb meem zoo li. Cov ntaub ntawv txhais lus tsis yooj yim nrog qee cov kev siv, piv txwv, thiab tsim kom muaj neeg siv kev ntseeg siab thiab kev lees txais kevcai yuav ua tau ntev. Tsis zoo li cov kev sib txuas lus hauv high-bandwidth, qhov uas cov fiber ntau-fiber ntau yog cov cuab yeej ua lag luam uas tsis xyaw hlau, muaj ntau yam kev xaiv muaj nyob hauv thaj chaw ntawm kev hnov; fiber ntau-optics tsis tshua muaj qhov pom tseeb-txawm tias nws yog ib qho zoo heev.
Function & Daim ntaub ntawv
Fiber optic sensors yog tshwj xeeb yog ntau yam tshwj xeeb thaum ua raws li environmentally sensitive interferometers uas siv cov qauv siv fiber ntau los yog thaum kev saib xyuas tus cwj pwm txawv ntawm tus cwj pwm ntev nti. Pawg ua ntej no muaj xws li cuam tshuam rau kev ntsuas qhov siab (hydrophones thiab geophones, piv txwv) thiab Sagnac interferometer rau kev sib hloov; qhov tom qab encompasses yuav luag txhua yam spectroscopic, nrog rau cov sensors raws cov kev sib tshuam nrog cov nrab reagents (piv txwv li, qhia txog cov kua qaub / alkali) -peem raug xa mus rau cov khoom siv-thiab kev ncaj qha spectroscopic hauv cov roj, kua thiab cov khib nyiab. Pawg no kuj muaj xws li cov ntxaij lim dej zoo li huab cua, uas Fiber Bragg Grating (FBG) yog nyob deb tshaj plaws.
Ib qho tseem ceeb heev-tab sis tsis tshua muaj cuab kev qhib-modulation mechanism incorporates inelastic kev sib tshuam ntawm qhov teeb meem lub teeb, cov khoom ntawm fiber ntau nws tus kheej thiab qhov chaw nyob ib puag ncig lub fiber. Cov kev sib txuam no, ntawm Raman thiab Brillouin tawg yog qhov tseem ceeb tshaj plaws, tsim cov cwj pwm tsis hloov pauv hloov rau cov spectra ntawm lub teeb pom kev zoo nyob rau hauv ob qho tib si thiab, tseem ceeb, rov qab qhia. Tseeb, lub peev xwm ntawm cov ntaub ntawv fibre tsim kom paub tseeb tias yuav rov qab qhib dua tshiab qhib rau kev pom zoo rau kev nkag siab. Lub tshuab hluav taws xob (Sensor systems) yuav ntsuas tau lub sij hawm qeeb ntawm kev tso tawm thiab xa rov qab ntawm cov hluav taws xob rov qab rov qab siv tau los soj ntsuam qhov chaw nyob hauv cov raj. Cov kev sib txuas lus no muab faib rau cov khoom siv fiber ntau ntawm fiber ntau.
Faib sensors pab txhawb kev ntsuas ntawm lim thiab kub dhau ntev ntev ua haujlwm ntev-rau ntau kaum ntawm kilometers. Ntxiv mus, nyob ntawm qhov kev ua haujlwm ntawm lub sijhawm dhau los ntawm lub teeb uas pib, qhov lim los yog qhov kub qhov twg tuaj yeem kho tau nrog ntau tshaj qhov tsim nyog tshaj qhov ntsuas ntawm qhov ntsuas 1 metre, lossis hauv qee lub tshuab txawm tsawg dua. Zoo sib xws, fiber optic sensors yuav nkag tau yooj yim rau hauv kev sib txuam ntawm ntau tus qauv ntawm cov khoom ntsuas. Txhua lub tshuab yuav tsum tsuas yog ib qho chaw muag khoom kom nquag siv lub network. Qhov no muaj peev xwm los sib piv ntau li ntau li ob peb puas interrogation cov ntsiab lus yog ib qho tseem ceeb ntawm cov kev siv fiber ntau optic sensors.
Fiber Optic Sensors hauv Xyaum
Lub tshav pob ntawm kev xav yog rife nrog idiosyncratic technologies uas nyob rau cov kev siv tshwj xeeb, thiab fiber ntau yog tsis kos. Txawm tias thaum tib lub tshuab siv tib lub tshuab siv tau los daws cov kev xav tau, cov cuab yeej ntawm ib tus neeg yuav txawv li ntawm daim ntawv thov thiab nws cov cai ntawm qhov tseeb, kev ruaj ntseg, kev txiav txim siab, kev tsim khoom ntim thiab tus tswv cuab ntawm lwm cov kev sib txuas.
Tshaj Tawm Kub Kub
Xyoo dhau xyoo dhau los, Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) sojntsuam tau los ua ib hom qauv raws li qhov pom ntawm fiber ntau (lub tswv yim DTS muaj nyob hauv daim duab hauv qab no). Qhov kev soj ntsuam no muaj peev xwm ntsuas qhov kub thiab txias ntsuas txog 1 xuab moos thiab rov ua dua qhov ntsuas tawm ntawm 1 meter los yog li thiab tag nrho cov lus sib tham ntawm kaum tawm mais ntawm ntsuas sij hawm ntawm qhov kev txiav txim ntawm ib feeb. Lub DTS yog ib lub cuab tam siv los ntsuas qhov ntsuas kub hloov hauv cov cua thiab cov yeeb nkab. Muaj ntau lub tshuab tam sim no tau muab tso rau hauv cov kev tsheb ciav hlau, kev tsim kev loj thiab cov qhov loj hauv ncoo. Lwm lub tshuab tau muab tso rau hauv cov tshuab hluav taws xob loj, uas tej zaum yuav muaj kev ntxhov siab dhau ntawm kev txhaum.
Qhov txiaj ntsim zoo ntawm DTS yog tias qhov kev siv tshuab no sib npaug li ntau txhiab tus thermocouples, uas tau sib txuas ntawm 1-m sij hawm nrog rau kev txheeb xyuas ntxiv. Nrog rau lwm cov kev ntsuas kub, hluav taws xob, kev sib txuas lus thiab kev siv zog tuaj yeem tsis zoo, tshwj xeeb tshaj yog nyob rau cov cheeb tsam uas muaj kev ruaj ntseg hauv paus tseem ceeb. Txawm li cas los xij, nrog DTS, cov neeg siv tau yoo tawm cov fiber ntau thiab muab tso rau hauv qhov chaw zoo. Multiplexed tes hauj lwm kuj tseem ceeb heev, tab sis lawv tsis tau tsim kom muaj kev lag luam zoo los ntawm DTS. Cov hauj lwm ntawm FBGs sau rau hauv ib lub sijhawm fiber ntau tau raug soj ntsuam xyuas ntau dua li cov duab qis thiab / lossis qhov ntsuas kub rau kev thauj khoom thiab kev kuaj xyuas, tshwj xeeb tshaj yog nyob rau hauv cov txheej txheem cov nplaum fib fab. Feem ntau dubbed li "ntse qauv", cov arrays ntawm sensors pab txhawb kev sib sau cov ntaub ntawv ua hauj lwm los ntawm cov qauv xws li aircraft thiab txuas hniav.
Hauv cov hauv paus ntsiab lus, cov ntaub ntawv no siv tau los txiav txim siab txog kev ncaj ncees ntawm tus qauv ntawm kev txaus siab. Tiam sis hauv kev xyaum, qhov no nyob rau qhov nyuaj. Cov kws tshawb fawb thiab engineers tshawb nrhiav tau ntau yam, tab sis yuav ua li cas los txhais cov ntaub ntawv no yog qhov tseem ceeb ntawm kev sib cav tswv yim. Lub hom phiaj yog taw qhia kev ntseeg ncaj ncees ntawm kev ua ncaj ncees. Txawm li cas los xij, kev tsim cov neeg siv kev ntseeg siab thiab kev ntxawg yog qhov txheej txheem ntev. Environmental Monitoring tseem tsis tau muaj dua daim ntawv thov rau ntau lub system. Lub cim ntawm methane roj hauv qhov chaw pov tseg ntawm thaj chaw yog qhov tseem ceeb ntawm kev nyab xeeb ntawm lub tsev kawm ntawv thiab kev kawm ntawm cov txheej txheem kev ntxias hauv lub cev uas muaj nyob rau hauv. Ib qho kev ntsuas uas tswj cov methane roj ntau dua ntawm ib qhov chaw uas muaj qhov ntev ntawm qhov kev txiav txim ntawm 10 km muab cov txiaj ntsig ntawm kev soj ntsuam mus tas li thiab ua rau kev khiav haujlwm zoo dua, tshwj xeeb tshaj yog thaum methane-ib qho chaw ua haujlwm nquag siv roj-siv tau tsim ntau lub megawatts ntawm hluav taws xob hwj chim.
Fiber optics systems uas lub hom phiaj ntawm daim ntawv thov no qhia tias muaj kev cog lus loj; lawv yog raws li lub hlwb me me kev sib txuas lus uas siv ib hom fiber ntau txuas. Raws li ib puag ncig cov kev cai ua tau nruj, xws li cov kev lag luam muaj cov cuab yeej ua lag luam rau kev tswj xyuas cov khib nyiab pov tseg. Siv qhov kev qhia no, cov tshuab uas muaj ntau tshaj 200 qhov kev tawm los ntawm ib qho chaw laser tau ua. Txawm li cas los xij, qhov zoo ib yam li FBG cov tub ntxhais muaj teeb meem, cov lus nug uas yuav ua li cas nrog tag nrho cov ntaub ntawv hais tias cov tshuab no tau txais kev pom zoo. Tsis tas li ntawd, koom tes nrog cov kab ke no ua rau kev cai lij choj thiab cov cai tswjfwm tus txheej txheem yog siv sijhawm ntev.
Fiber Optic Gyroscope
Muaj cov chaw uas muaj fiber ntau optic sensors pib tau tsim lawv tus kheej li lub ntuj xaiv. Lawv tsis tshua muaj kev sib tw li hydrophones thiab geophones, dua nyob rau hauv cov ntaub ntawv multiplexed. Raws li tus kheej sensor caij, fiber ntau optic gyroscope yog arguably qhov zoo tshaj plaws. (Ib qho fiber optic gyroscope yog muaj nyob hauv daim duab hauv qab no.)
Gyroscopes ntsuas kev sib hloov hauv qhov chaw inertial; lawv yog cov twj paj nruas tseem ceeb hauv navigation thiab qhov system thiab nyob rau hauv cov cuab yeej kom ruaj khov uas yog siv ntau hauv aircraft thiab nkoj. Cov kab mob fiber optic gyroscope yog ua raws li kev pom ntawm fiber ntau ntawm Sagnac interferometer-uas yog thawj zaug uas yuav luag ib xyoo dhau los. Tsab cai idea qab ntawm Sagnac interferometer yog qhov yooj yim. Lub teeb yog pib los ntawm ib tug beam splitter nyob rau hauv ob cov lus nyob ib ncig ntawm ib lub voj thiab lub voj yog rotated. Thaum lub teeb nyob hauv lub voj kev rov qab mus rau lub nqaj splitter, lub teeb hloov nyob rau hauv tib qho kev taw qhia raws li lub nqaj splitter muaj me ntsis mus deb tshaj lub teeb tig tawm tsam kev coj ntawm cov nqaj splitter. Thiaj li, muaj qee zaus me ntsis qeeb ntawm lub teeb kab teeb nrig hauv ob qho kev qhia ntawm lawv cov sij hawm tuaj txog ntawm lub nqaj splitter. Lub sij hawm no ncua sij hawm ntsuas tau ua ntsuas cov kev cuam tshuam kev cuam tshuam ua ke raws li theem ua ntej.
Lub realization ntawm no lub tswvyim nyob rau hauv fiber optic daim ntawv yuav tsum tau ib co muaj kuab heev optics thiab ceev faj engineering. Txog ib xyoo ntawm kev siv dag zog tau ua tiav cov cuab yeej ntsuas kev ntsuas nrog kev ntsuas siab heev. Qhov kev kom ntseeg tau hais tias qhov tseeb, tsis zoo li cov neeg kho tshuab gyroscopes (los yog lub nplhaib laser system, uas yog los ntawm Sagnac cov nyhuv), fiber optic gyroscopes tsis muaj mechanical mus rau qhov chaw. Tsis tas li ntawd, qhov tseem ceeb ntawm cov fiber ntau optic gyroscope yog ywj siab ntawm cov neeg tuaj yeem khiav ceev, hauv kev sib piv rau cov kev kho dua tshiab ntawm kev siv tshuab tig cav. Tsis tas li ntawd, lub fiber ntau optic gyroscope yuav teeb tau hauv ib lub party ntawm ntau lub versions hais txog ntau yam kev xav tau ntawd qhov tseeb, lub neej thiab ib puag ncig kam. Ntau pua pua txhiab fiber optic gyroscopes raug tsim thiab muag txhua xyoo.
Lwm lub tswv yim zoo fiber ntau optic sensor uas tau pom nws daim ntawv thov rau hauv civil engineering yog lub SOFO (ib phau ntawv txhais lus Fabkis txoj kev soj ntsuam cov qauv siv cov Fiber Kab ). Qhov teeb meem ntawm lub teeb ci ntsa iab ntawm Michelson interferometer ua raws li ib qho kev sib txuas lus ntawm tus qauv ntsuas ntau txog li ob peb lub kaum hli, nrog kev ruaj ntseg ntev thiab ib qho kev ntsuas kev ntsuas uas ntsuas tau ntsuas hauv microns.
Stimulated Brillouin scattering tau muab siv rau kev ntsuas kev sib faib tawm, feem ntau tsim nyog rau cov kabmob sib txuas ntawm fiber ntau nyob hauv av qeeg nyob rau hauv. Hauv biomedicine, muaj kev vam meej nyob rau hauv vivo-rau kev ntsuam xyuas cov pais plab juices rau tib neeg, piv txwv li-tau tsim tsa los ua cov khoom siv tshuaj kho mob. Muaj ntau lwm tus.
Lub neej yav tom ntej ntawm Fiber Optic Sensors
Fiber optic sensors tseem fascinate. Raws li nyob rau lwm qhov chaw ntawm photonics, cov kws tshawb nrhiav tau zoo siab txog txoj kev xav ntawm molding tshiab cov yees duab rau hauv cov ntsiab lus thiab kev siv twj paj nruag. Photonic muaju thiab photonic crystal fibers saib nthuav-txawm hais tias soj ntsuam ntawm muaj NW nyuam qhuav pib los xyuas seb yuav ua li cas los txhais cov kev cia siab rau hauv qhov chaw nruab nrab ntawm qhov nruab nrab sensor-system. Cov tshuab hluav taws xob muaj zog raws li fiber ntau optic tshuab pab tau tshwj xeeb yog cov cuab yeej tsis yog nonlinear ntawm cov ntaub ntawv. Lub fiber ntau optic taper yuav tsis muaj dab tsi tshwm sim los ua ib qho kev sojntsuam los sojntsuam cov teebmeem ntawm cov microscopic, lossis txawm nanoscopic, nplai.
Cov kev lag luam hauv kev xam thiab cov ntaub ntawv muaj peev xwm ntxiv ntawm kev tuav pov hwm kuj yuav pab tau kom peb lub peev xwm los txhais cov ntaub ntawv los ntawm ntau cov arrays uas zoo ib yam li cov sensors thiab ua rau kom muaj kev sib xyaw ua ke ntawm kev sib txuam ua ke. Tseem muaj cov caij nyoog nrog optical micro-electromechanical systems, tab sis cov no tseem tsis tau ua lawv kos raws li fiber ntau based sensor. Exploitation ntawm fiber ntau optic sensor tshuab yuav ntxiv mus nthuav, maj mam tab sis tsis tshee. Hauv kev qhia, kev tshawb nrhiav hauv lub zej zog yuav tshawb xyuas cov cuab yeej tshiab thiab nrhiav kom paub cov sijhawm los mus siv lawv.
