Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики принадлежат к категории электронных устройств, предназначенных для контактной или бесконтактной регистрации изменений физических параметров технологического процесса (температуры, давления, скорости перемещения, вибрации и других показателей) и дальнейшей передачи информации по оптоволоконной линии связи. Благодаря выдающимся метрологическим характеристикам, стабильности и надежности они получили широкое распространение в автоматизированных системах управления и контроля.

Принцип работы

Работа датчиков построена на свойствах оптоволокна, представляющего собой стеклянный или пластиковый сердечник в полиэтиленовой оплетке, закрытой полимерной пленкой. Нитевидный сердечник содержит специальные добавки, улучшающие коэффициент преломления световых волн. Оплетка служит проводником для светового потока.

Оптоволокно выступает в двух ипостасях: как чувствительный элемент и как канал передачи сигнала. Самыми востребованными являются сенсоры с оптическим преобразователем, в состав которых входят чувствительный оптический элемент, приемник и излучатель. Преобразователь размещается между торцами принимающих и передающих волокон, а в качестве излучателя выступает светодиод. Детектор представлен высокочувствительным p-i-n-фотодиодом.

У датчиков с оптическим зондом применяются одно- или многомодовые оптоволоконные кабели или жгуты, в которых источниками света выступают светодиоды либо лазерные излучатели. Эти бесконтактные датчики характеризуются надежностью и высокой чувствительностью и точностью измерений.

Виды и характеристики

Вне зависимости от типа оптоволоконные датчики работают по одному и тому же принципу, основанному на перемещении электромагнитной волны (светового излучения) по оптоволокну. При этом под действием внешних факторов параметры волокна видоизменяются в волоконных решетках Брэгга и регистрируются модулем детектирования.

Оптоволоконные датчики подразделяются на две категории:

• Распределенные. В них чувствительным элементом служит общая площадь волоконно-оптического кабеля. При прохождении через него свет рассеивается, в результате чего можно определить температуру каждой точки оптоволоконного канала. В связи с этим устройства данного типа применяют, в основном, для наблюдения за уровнем температуры.
• Точечные. В этих датчиках в качестве чувствительного элемента выступают селективные зеркала. Электромагнитная волна, генерируемая широкополосным излучателем, отражается в виде узкой полоски, в то время как часть светового потока транслируется по оптоволокну. Это позволяет задействовать сразу несколько контроллеров автоматизированной системы и обеспечить точную передачу сигнала. Таким образом, точечные датчики обладают более широким спектром применения, чем устройства распределенного типа.

Аналогичным образом работают акустические датчики, где пульсация изучения, проходящего по оптоволокну, фиксируется анализатором, что позволяет обнаружить звуковую волну и установить ее источник. Эти устройства хорошо себя проявили в системах контроля доступа, сигнализируя о попытке несанкционированного проникновения в запретную зону.

В случае, когда требуется транслировать сигнал на расстоянии, оптоволокно должно быть многомодовым. Если оптоволокно выполняет функции сенсора, оно может быть одномодовым.

Область применения волоконно-оптических датчиков

Наиболее распространены оптоволоконные устройства, работающих на принципе решеток Брэгга. Их можно использовать практически повсеместно, в том числе в агрессивных средах. В частности, волоконно-оптические датчики применяются в:

• горнодобывающей промышленности для мониторинга состояния воздуха в шахтных стволах и состояния транспортных лент;
• нефтедобывающей отрасли для обследования температурного режима в скважинах и трубопроводных магистралях;
• строительстве для управления системами жизнеобеспечения в «умных домах», для мониторинга состояния теплотрасс, мостов, инженерных сооружений;
• авиации и космонавтике для отслеживания нагрузок и температурных деформаций корпусов воздушных судов;
• энергетике для контроля состояния высоковольтных опор и линий электропередач.

Разработка новых технологий в производстве волоконно-оптических датчиков позволяет снижать стоимость этих приборов и все более интенсивно использовать их там, где применение других средств измерения невозможно или экономически нецелесообразно.