مستشعر الألياف الضوئية عبارة عن مستشعر يحول حالة الجسم المقاس إلى إشارة ضوئية قابلة للقياس. مبدأ عمل مستشعر الألياف الضوئية هو إرسال شعاع الضوء الساقط من مصدر الضوء إلى المغير عبر الألياف الضوئية ، والتفاعل مع المعلمات الخارجية المقاسة في المغير لتكوين الخصائص الضوئية للضوء مثل شدة الضوء وطول الموجة ، التردد ، الطور ، حالة الاستقطاب ، إلخ. يتغير ويصبح إشارة ضوئية معدلة ، والتي يتم إرسالها بعد ذلك إلى الجهاز الإلكتروني البصري من خلال الألياف الضوئية ، ويتم الحصول على المعلمة المقاسة بعد مزيل التشكيل. في العملية برمتها ، يتم إدخال شعاع الضوء من خلال الألياف الضوئية ، ثم ينبعث بعد المرور عبر المغير. تتمثل وظيفة الألياف الضوئية أولاً في نقل حزمة الضوء ، وثانيًا للعمل كمُحَوِّل بصري.
اتجاه التنمية
تتطور المستشعرات في اتجاه الحساسية والدقة والقدرة على التكيف والاكتناز والذكاء. في هذه العملية ، تحظى مستشعرات الألياف الضوئية ، وهي عضو جديد في عائلة المستشعرات ، بشعبية كبيرة. تتميز الألياف الضوئية بالعديد من الخصائص الممتازة ، مثل: أداء التداخل الإشعاعي المضاد للكهرومغناطيسية والذرية ، وقطر صغير ، وخواص ميكانيكية ناعمة وخفيفة الوزن ؛ العزل ، الخواص الكهربائية غير الاستقرائية ؛ مقاومة الماء ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل ، والخصائص الكيميائية ، وما إلى ذلك ، يمكن أن تلعب دور آذان الإنسان في الأماكن التي لا يستطيع الناس الوصول إليها (مثل مناطق درجات الحرارة المرتفعة) أو المناطق التي تضر بالبشر (مثل مناطق الإشعاع النووي ) ، ويمكنه أيضًا تجاوز الحدود الفسيولوجية البشرية واستقبال حواس الإنسان. المعلومات الخارجية التي لا يمكنك الشعور بها.
المميزات
1. نظرًا لاستخدام المنشور في العاكس ، فإنه يتمتع بأداء كشف أعلى وموثوقية أكثر من مستشعرات التحكم في الضوء العاكس العام.
2. بالمقارنة مع مستشعر التحكم في الإضاءة المنفصل ، فإن توصيل الدائرة يكون أبسط وأسهل.
3. التصميم المضمن للإبزيم يجعل التثبيت أسهل
استعمال
1. تستخدم لنقل النماذج الرقمية مثل الهاتف والنطاق العريض للشبكة.
2. حالة تمرير الأوراق النقدية ، والبطاقات ، والعملات المعدنية ، ودفاتر الحسابات ، وما إلى ذلك المستخدمة في آلات البيع ، والمعدات المتعلقة بالمحطات المالية ، وعداد النقود
3. تستخدم لتحديد المواقع المنتج ، والعد ، والتعرف على المعدات الآلية.
المبدأ
مبدأ العمل الأساسي لمستشعر الألياف الضوئية هو إرسال الضوء من مصدر الضوء إلى المغير عبر الألياف الضوئية. بعد أن تتفاعل المعلمة المراد قياسها مع الضوء الذي يدخل منطقة التعديل ، تتغير الخصائص البصرية للضوء (مثل شدة الضوء ، وطول الموجة ، والتردد ، والطور ، وحالة الاستقطاب ، وما إلى ذلك) ، وتسمى ضوء الإشارة المعدل ، ثم استخدم تأثير خصائص نقل الضوء المقاسة لإكمال القياس.
هناك مبدآن قياس لمستشعرات الألياف الضوئية.
(1) مبدأ مستشعر الألياف الضوئية من نوع الملكية المادية. يستخدم مستشعر الألياف الضوئية من نوع الخصائص الفيزيائية حساسية الألياف الضوئية للتغيرات البيئية لتحويل الكمية المادية المدخلة إلى إشارة ضوئية معدلة. يعتمد مبدأ عملها على تأثير التعديل البصري للألياف الضوئية ، أي عندما تتغير العوامل البيئية الخارجية مثل درجة الحرارة والضغط والمجال الكهربائي والمجال المغناطيسي وما إلى ذلك ، فإن خصائص نقل الضوء ، مثل الطور وشدة الضوء ، سوف يتغير.
لذلك ، إذا كان من الممكن قياس طور الضوء وشدة الضوء من خلال الألياف الضوئية ، فيمكن معرفة تغير الكمية الفيزيائية المقاسة. يُطلق على هذا النوع من أجهزة الاستشعار أيضًا نوع العنصر الحساس أو مستشعر الألياف البصرية الوظيفي. ينتشر شعاع مصدر الضوء النقطي لليزر إلى موجات متوازية وينقسم إلى مسارين بواسطة مقسم الحزمة ، أحدهما هو المسار البصري المرجعي والآخر هو المسار البصري للقياس. تتسبب المعلمات الخارجية (درجة الحرارة ، والضغط ، والاهتزاز ، وما إلى ذلك) في تغيير طول الألياف وتغير المرحلة الضوئية للمرحلة ، وبالتالي إنتاج أعداد مختلفة من أطراف التداخل. من خلال حساب وضع الحركة ، يمكن قياس درجة الحرارة أو الضغط.
(2) مبدأ جهاز استشعار الألياف الضوئية المنظم. مستشعر الألياف الضوئية المهيكل عبارة عن نظام قياس يتكون من عنصر كشف الضوء (عنصر حساس) وحلقة نقل الألياف الضوئية ودائرة قياس. من بينها ، يتم استخدام الألياف الضوئية فقط كوسيط نقل للضوء ، لذلك يُطلق عليها أيضًا مستشعر الألياف الضوئية الناقل للضوء أو غير الوظيفي
أداء
تتميز الألياف الضوئية بالعديد من الخصائص الممتازة ، مثل: أداء التداخل الإشعاعي المضاد للكهرومغناطيسية والذرية ، وقطر صغير ، وخواص ميكانيكية ناعمة وخفيفة الوزن ؛ العزل ، الخواص الكهربائية غير الاستقرائية ؛ مقاومة الماء ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل ، والخصائص الكيميائية ، وما إلى ذلك ، يمكن أن تلعب دور آذان الإنسان في أماكن بعيدة المنال أو ضارة بالبشر (مثل مناطق الإشعاع النووي) ، ويمكنها أيضًا تجاوز الحدود الفسيولوجية البشرية و تلقي ما لا تشعر به حواس الإنسان. المعلومات الخارجية.
المميزات
1. حساسية عالية.
2. الشكل الهندسي قابل للتكيف في العديد من الجوانب ويمكن تحويله إلى مستشعرات ألياف ضوئية من أي شكل ؛
ثالثًا ، يمكنه تصنيع الأجهزة التي تستشعر المعلومات المادية المختلفة (الصوتية ، المغناطيسية ، درجة الحرارة ، الدوران ، إلخ) ؛
4. يمكن استخدامه في الفولتية العالية ، الضوضاء الكهربائية ، درجات الحرارة العالية ، التآكل ، أو البيئات القاسية الأخرى.
خامساً ، ولديه التوافق المتأصل مع تقنية القياس عن بعد بالألياف الضوئية.
ميزة مستشعر الألياف الضوئية هي أنه بالمقارنة مع المستشعرات التقليدية ، يستخدم مستشعر الألياف الضوئية الضوء كحامل للمعلومات الحساسة والألياف الضوئية كوسيط لنقل المعلومات الحساسة. يتميز بخصائص الألياف الضوئية والقياس البصري وله سلسلة من المزايا الفريدة. أداء عزل كهربائي جيد ، قدرة قوية على التداخل الكهرومغناطيسي ، عدم التدخل ، حساسية عالية ، من السهل تحقيق المراقبة عن بعد للإشارة المقاسة ، مقاومة التآكل ، مقاومة للانفجار ، مسار ضوء مرن ، سهل الاتصال بالكمبيوتر.
يتطور المستشعر في اتجاه الحساسية والدقة والقدرة على التكيف والاكتناز والذكاء. يمكن استخدامه في الأماكن التي لا يستطيع الناس الوصول إليها (مثل المناطق ذات درجة الحرارة المرتفعة أو المناطق الضارة بالإنسان ، مثل مناطق الإشعاع النووي). ويمكنه أيضًا تجاوز الحدود الفسيولوجية للناس والحصول على معلومات خارجية لا يمكن أن تشعر بها حواس الإنسان.
تصنيف
وفقًا لوضع التعديل الخاص بالكائن قيد الاختبار ، يمكن تقسيمه إلى: تعديل الكثافة ، ووضع الاستقطاب ، ووضع الطور ، ووضع التردد ؛
وفقًا لما إذا كان الضوء يتداخل ، يمكن تقسيمه إلى: نوع التداخل ونوع عدم التداخل ؛
وفقًا لما إذا كان القياس يمكن مراقبته باستمرار مع زيادة المسافة ، يمكن تقسيمه إلى: موزعة ونقطة ؛
وفقًا لدور الألياف الضوئية في أجهزة الاستشعار ، يمكن تقسيمها إلى: نوع واحد وظيفي (الألياف الوظيفية ، والمختصرة باسم FF) ، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة الاستشعار ؛ الآخر هو نوع غير وظيفي (ألياف غير وظيفية ، ويختصر بـ NFF) ، ويسمى مستشعر انتقال الضوء.
نوع وظيفة الطي
يستخدم المستشعر الوظيفي خصائص الألياف الضوئية نفسها لاستخدام الألياف الضوئية كعنصر حساس. يعدل الضوء المقاس الضوء المرسل في الألياف الضوئية لتغيير حالة الشدة أو الطور أو التردد أو الاستقطاب للضوء المرسل. يتم إزالة تشكيل الإشارة للحصول على الإشارة قيد الاختبار.
الألياف الضوئية ليست مجرد وسيط توجيه للضوء ، ولكنها أيضًا عنصر حساس. يتم قياس الضوء وتعديله في الألياف الضوئية ، وتستخدم الألياف الضوئية متعددة الأوضاع في الغالب.
المزايا: هيكل مدمج وحساسية عالية.
العيوب: مطلوب ألياف بصرية خاصة ، تكلفة عالية ،
أمثلة نموذجية: جيروسكوبات الألياف البصرية ، وهيدروفونات الألياف البصرية ، إلخ.
نوع الألياف غير الوظيفية المطوية
تستخدم مستشعرات الألياف الضوئية غير الوظيفية مكونات حساسة أخرى لاستشعار التغييرات التي يتم قياسها. تُستخدم الألياف الضوئية فقط كوسيلة لنقل المعلومات ، وغالبًا ما تستخدم الألياف الضوئية أحادية النمط.
تلعب الألياف الضوئية دورًا في توجيه الضوء فقط ، ويتم تعديل الضوء الموجود على العنصر الحساس من نوع الألياف الضوئية بواسطة القياس.
المزايا: يمكن استخدام الألياف الضوئية للعزل الكهربائي ونقل البيانات ، ولا تتأثر الإشارة المرسلة بواسطة الألياف الضوئية بالتداخل الكهرومغناطيسي.
معظم الأجهزة العملية عبارة عن مستشعرات ألياف ضوئية غير وظيفية. ينتمي مستشعر الجهد المتغير التردد من AnyWay&# 39 ؛ ومستشعر التيار المتغير التردد ومستشعر الطاقة متغير التردد (مزيج من مستشعرات الجهد والتيار) إلى مستشعرات الألياف الضوئية غير الوظيفية ، والتي لها مزايا فريدة في قياس الطاقة في البيئات الكهرومغناطيسية المعقدة.
مجسات الألياف الضوئية هي تقنية جديدة ظهرت في السنوات الأخيرة. يمكن استخدامه لقياس مجموعة متنوعة من الكميات الفيزيائية ، مثل المجال الصوتي ، والمجال الكهربائي ، والضغط ، ودرجة الحرارة ، والسرعة الزاوية ، والتسارع ، وما إلى ذلك ، ويمكنه أيضًا إكمال مهام القياس التي يصعب إكمالها باستخدام تقنيات القياس الحالية. في مساحة صغيرة ، في التداخل الكهرومغناطيسي القوي وبيئة الجهد العالي ، أظهرت مستشعرات الألياف البصرية قدرات فريدة. يوجد أكثر من 70 نوعًا من أجهزة استشعار الألياف الضوئية ، والتي تنقسم تقريبًا إلى أجهزة استشعار وحساسات من الألياف الضوئية باستخدام الألياف الضوئية.
يعني ما يسمى بحساس الألياف الضوئية أن الألياف الضوئية نفسها تتلقى القياس الخارجي مباشرة. يمكن أن تتسبب الكمية الفيزيائية المقاسة الخارجية في تغيير الطول ومعامل الانكسار وقطر ذراع القياس ، بحيث يتغير الضوء المنقول في الألياف الضوئية في السعة والطور والتردد والاستقطاب وما إلى ذلك. الضوء المنقول بواسطة ذراع القياس ويتداخل الضوء المرجعي للذراع المرجعي مع بعضهما البعض (مقارنة) ، بحيث يتغير الطور (أو السعة) لضوء الخرج ، ويمكن اكتشاف التغيير المقاس بناءً على هذا التغيير. المرحلة المرسلة في الألياف الضوئية شديدة الحساسية للتأثيرات الخارجية ، ويمكن اكتشاف الكمية المادية المقابلة لتغير الطور الصغير بمقدار 10 ناقص 4 راديان باستخدام تقنية التداخل. باستخدام خصائص اللف والفقد المنخفض للألياف الضوئية ، يمكن لف ألياف بصرية طويلة جدًا في ملف ألياف ضوئية بقطر صغير لزيادة طول الاستخدام والحصول على حساسية أعلى.
المستشعر الصوتي للألياف الضوئية هو جهاز استشعار يستخدم الألياف الضوئية نفسها. عندما تتعرض الألياف الضوئية لقوة خارجية صغيرة جدًا ، فإنها تنحني قليلاً ، وستتغير قدرتها على نقل الضوء بشكل كبير. الصوت نوع من الموجات الميكانيكية ، وتأثيره على الألياف الضوئية هو إجبار الألياف الضوئية وإنتاج الانحناء. يمكن الحصول على قوة الصوت عن طريق الانحناء. جيروسكوب الألياف الضوئية هو أيضًا نوع من أجهزة استشعار الألياف البصرية. بالمقارنة مع جيروسكوب الليزر ، فإن جيروسكوب الألياف الضوئية لديه حساسية عالية وصغر الحجم وتكلفة منخفضة. يمكن استخدامه في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي عالية الأداء للطائرات والسفن والصواريخ وما إلى ذلك. يوضح الشكل مبدأ مقياس تدفق توربينات استشعار الألياف البصرية.
مطوية براج مقضب
مستشعر الألياف الضوئية (FBS) هو نوع من مستشعرات الألياف الضوئية بأعلى تردد وأوسع نطاق. يمكن لهذا النوع من المستشعرات تغيير الطول الموجي لموجة الضوء المنعكسة وفقًا لتغير درجة حرارة البيئة و / أو الإجهاد. تُستخدم حواجز شبكية من الألياف الزجاجية لتعريض جزء صغير من الألياف الحساسة للضوء لموجات الضوء مع التوزيع الدوري لكثافة الضوء من خلال قياس التداخل ثلاثي الأبعاد أو إخفاء الطور. بهذه الطريقة ، سيتم تغيير معامل الانكسار البصري للألياف الضوئية بشكل دائم وفقًا لشدة الموجة الضوئية المشعة. تسمى التغييرات الدورية في معامل الانكسار للضوء الناتجة عن هذه الطريقة حواجز شبكية من الألياف Bragg.
عندما يتم نشر حزمة واسعة الطيف إلى شبكة الألياف Bragg ، فإن كل قطعة صغيرة من الألياف بعد تغيير معامل الانكسار ستعكس فقط طول موجة معين من الضوء. هذا الطول الموجي يسمى الطول الموجي Bragg. هذه الخاصية تجعل حواجز شبكية من الألياف الزجاجية تعكس فقط موجات الضوء ذات الطول الموجي المحدد ، بينما تنتشر موجات الضوء ذات الأطوال الموجية الأخرى.
وفقًا لدور الألياف الضوئية في مستشعر الألياف الضوئية ، يمكن تقسيمها إلى نوعين: نوع الاستشعار ونوع انتقال الضوء.
لا تنقل الألياف الضوئية لمستشعر الألياف الضوئية من نوع الاستشعار الضوء فحسب ، بل تعمل أيضًا كمستشعر كهروضوئي. نظرًا لتأثير البيئة الخارجية على الألياف الضوئية نفسها ، فإن الكمية الفيزيائية المراد قياسها تعمل على المستشعر من خلال الألياف الضوئية ، بحيث تكون خصائص الدليل الموجي البصري (شدة الضوء ، الطور ، حالة الاستقطاب ، الطول الموجي ، إلخ. ) معدلة. تنقسم مستشعرات الألياف الضوئية من نوع المستشعر إلى نوع التركيز على الضوء ونوع تعديل الطور ونوع تعديل حالة الاهتزاز ونوع تعديل الطول الموجي.
ألياف نقل الضوء مطوية
يقوم مستشعر الألياف الضوئية من نوع نقل الضوء بإدخال الإشارة الضوئية التي تم تعديلها بواسطة الكائن المقاس في الألياف الضوئية ، ثم يقوم بإجراء القياس عن طريق معالجة الإشارة الضوئية في نهاية الإخراج. يحتوي هذا النوع من المستشعرات على عنصر آخر حساس للضوء حساس للكمية المادية المراد قياسها ، ويستخدم الألياف الضوئية فقط حيث يجب إرفاق عنصر نقل الضوء بعنصر حساس قادر على تعديل الضوء المنقول بواسطة الألياف الضوئية لتكوين جهاز استشعار جزء. يمكن تقسيم مستشعرات الألياف الضوئية إلى ثلاثة أنواع: مستشعرات الألياف الضوئية النقطية ، وأجهزة استشعار الألياف البصرية المتكاملة ، وأجهزة استشعار الألياف الضوئية الموزعة وفقًا لنطاق القياس الخاص بها. من بينها ، تُستخدم مستشعرات الألياف الضوئية الموزعة لاكتشاف توزيع الإجهاد للهياكل الكبيرة ، ويمكنها بسرعة وبدون إتلاف قياس الإزاحة والضغط الداخلي أو السطحي وغيرها من المعلمات المهمة للهيكل. تشمل أنواع مستشعرات الألياف الضوئية المستخدمة في الهندسة المدنية بشكل أساسي مستشعرات الألياف البصرية قياس التداخل من Math-Zender ، وأجهزة استشعار الألياف الضوئية ذات تجويف Fabry-pero ، وأجهزة استشعار الألياف Bragg.
تتيح خفة مستشعر الألياف الضوئية وقوة تحمله واستقراره على المدى الطويل إمكانية تطبيقه بسهولة على الإجهاد الداخلي واكتشاف الإجهاد لمواد البناء المختلفة مثل الهياكل الفولاذية للبناء والخرسانة. الفحص الصحي المحقق لهيكل المبنى.
فئة رئيسية أخرى من أجهزة استشعار الألياف البصرية هي استخدام أجهزة استشعار الألياف البصرية. هيكلها هو تقريبًا كما يلي: يقع المستشعر في نهاية الألياف الضوئية ، والألياف الضوئية هي مجرد خط نقل للضوء ، والذي يحول الكمية المادية المقاسة إلى سعة الضوء أو طوره أو اتساعه. في نظام الاستشعار هذا ، يتم الجمع بين المستشعر التقليدي والألياف الضوئية. يجعل إدخال الألياف الضوئية من الممكن تحقيق القياس عن بعد القائم على المسبار. يحتوي مستشعر نقل الألياف الضوئية هذا على نطاق تطبيق واسع وسهل الاستخدام ، ولكن دقته أقل قليلاً من تلك الخاصة بالنوع الأول من أجهزة الاستشعار.
الألياف الضوئية هي نجم صاعد في عائلة أجهزة الاستشعار. يستخدم على نطاق واسع بسبب الأداء الممتاز للألياف الضوئية. إنه نوع من أجهزة الاستشعار جدير بالملاحظة في ممارسة الإنتاج.
أصبحت مجسات الألياف الضوئية نجمًا صاعدًا في عائلة المستشعرات نظرًا لمزاياها العديدة ، وتلعب دورها الفريد في مختلف القياسات ، لتصبح عضوًا لا غنى عنه في عائلة المستشعرات.
تطبيق
معزول عن الأوساخ ، المغناطيسية ، الصوت ، الضغط ، درجة الحرارة ، التسارع ، الدوران ، الإزاحة ، مستوى السائل ، عزم الدوران ، ضوئي ضوئي ، تيار ، مستشعر الألياف الضوئية يمكن استخدامه للإزاحة ، الاهتزاز ، الدوران ، الضغط ، الانحناء ، الإجهاد ، السرعة ، التسارع ، التيار ، المجال المغناطيسي ، الجهد ، الرطوبة ، درجة الحرارة ، مجال الصوت ، التدفق ، التركيز ، قيمة PH وقياس الانفعال. تحتوي مستشعرات الألياف الضوئية على مجموعة واسعة من التطبيقات ، تشمل جميع المجالات المهمة تقريبًا للاقتصاد الوطني والدفاع الوطني والحياة اليومية للناس. يمكن استخدامها بأمان وفعالية في البيئات القاسية. أنها تحل العديد من المشاكل التقنية التي كانت موجودة في العديد من الصناعات لسنوات عديدة. طلب السوق. يتجلى بشكل رئيسي في التطبيقات التالية:
تطبيق الجيروسكوبات قياس التداخل وأجهزة استشعار الضغط في الجسور والسدود وحقول النفط وما إلى ذلك في البناء الحضري. يمكن دمج مستشعرات الألياف الضوئية في الخرسانة والبلاستيك المقوى بألياف الكربون والمواد المركبة المختلفة لاختبار استرخاء الإجهاد وإجهاد البناء وضغط الحمل الديناميكي ، وذلك لتقييم الأداء الهيكلي للجسر في مرحلة البناء قصيرة المدى والمرحلة الطويلة حالة التشغيل مصطلح.
في نظام الطاقة ، من الضروري قياس درجة الحرارة والتيار والمعلمات الأخرى ، مثل الكشف عن درجة الحرارة في الجزء الثابت والدوار لمحولات الجهد العالي والمحركات الكبيرة. نظرًا لأن المستشعرات الكهربائية عرضة لتداخل المجال الكهرومغناطيسي ، فلا يمكن استخدامها في مثل هذه الحالات. مستشعر الألياف البصرية. مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية الموزعة عبارة عن تقنية عالية تم تطويرها في السنوات الأخيرة للقياس في الوقت الفعلي لتوزيع مجال درجة الحرارة المكانية. لا يتمتع نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الموزعة بمزايا أجهزة استشعار الألياف الضوئية الشائعة فحسب ، بل يمتلك أيضًا القدرة على قياس درجة حرارة النقاط المختلفة على طول الألياف الضوئية. بفضل قدرتها على الاستشعار الموزعة ، يمكننا باستمرار قياس درجة حرارة النقاط المختلفة في نطاق بضعة كيلومترات على طول الألياف الضوئية في الوقت الفعلي. يمكن أن تصل دقة تحديد المواقع إلى ترتيب الأمتار ، ويمكن أن تصل دقة القياس إلى مستوى 1 درجة. إنها مناسبة جدًا لقياس درجة حرارة التقاطع على نطاق واسع. مناسبات التطبيق.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام مستشعرات الألياف الضوئية في مراقبة السكك الحديدية وأنظمة دفع الصواريخ واكتشاف آبار النفط.
تتمتع الألياف الضوئية بمزايا ملحوظة للنطاق العريض ، والسعة الكبيرة ، والإرسال لمسافات طويلة ، والاستشعار متعدد المعلمات ، والموزعة ، واستهلاك الطاقة المنخفضة. يمكن أن يستمر استشعار الألياف الضوئية في امتصاص التقنيات والأجهزة الجديدة للاتصالات بالألياف الضوئية ، ومن المتوقع أن يتم استخدام أجهزة استشعار الألياف الضوئية المختلفة على نطاق واسع في إنترنت الأشياء.