Зовнішні оптичні волоконні датчики використовують оптичне волокно для вимірювання фізичних параметрів навколишнього середовища, таких як температура, тиск, деформація, хімічний склад або вологість. Вони відрізняються від внутрішніх датчиків тим, що оптичне волокно в них не є частиною конструкції датчика, а встановлюється в навколишнє середовище для безпосереднього вимірювання змін. Ці датчики є надзвичайно корисними в багатьох сферах, таких як моніторинг інфраструктури, енергетика, екологія, промисловість та медицина.

Принцип роботи зовнішніх оптичних волоконних датчиків

Зовнішні оптичні волоконні датчики працюють на основі зміни властивостей світла, що проходить через оптичне волокно, залежно від зовнішнього середовища. Як правило, вони використовують такі методи вимірювання:

  1. Зміна інтенсивності світла: Зміни в середовищі, такі як температурні коливання або механічні деформації, можуть змінювати інтенсивність світлового сигналу, що передається через волокно.
  2. Зміна довжини хвилі (Часова або частотна модифікація): Зміни в навколишньому середовищі можуть впливати на показник заломлення матеріалу волокна або його фізичну форму. Це, в свою чергу, змінює довжину хвилі світла, що проходить через волокно.
  3. Зміна фази: Взаємодія світла з зовнішніми факторами, такими як деформації або зміни температури, може змінювати фазу світла, що проходить через волокно. Цей метод зазвичай використовують в датчиках, що мають високу точність.

Типи зовнішніх оптичних волоконних датчиків

  1. Датчики на основі Брега-решітки (FBG):
    • Принцип роботи: Брега-решітка (Fiber Bragg Grating, FBG) — це спеціальна решітка, яка створюється в самому волокні за допомогою лазерного оброблення. Ці решітки реагують на зміни в навколишньому середовищі, зокрема на температурні коливання і механічні деформації. Зміни в умовах середовища змінюють довжину хвилі, яку відбиває решітка, і це дозволяє вимірювати параметри.
    • Застосування: Використовуються для вимірювання деформацій, температури та напруги в будівництві, промисловості та нафтогазовій сфері.
  2. Датчики на основі змін поглинання (оптичні фільтри):
    • Принцип роботи: В цих датчиках змінюється поглинання світла залежно від середовища, в якому розташоване волокно. Коли навколишнє середовище змінюється (наприклад, через зміну температури або вологості), це може змінити поглинання світла, що дозволяє оцінити параметри середовища.
    • Застосування: Вони застосовуються для моніторингу таких параметрів, як температура, вологість і хімічні сполуки.
  3. Датчики на основі зміни фазового зсуву:
    • Принцип роботи: Ці датчики використовують зміну фази світлового сигналу, що проходить через волокно. Відмінності у фазі можуть виникати через механічні деформації, зміни в температурі або тиску.
    • Застосування: Застосовуються для дуже точних вимірювань деформацій, напруги та температури.
  4. Рефлективні (відбиті) датчики:
    • Принцип роботи: У рефлективних датчиках використовується відбиття світла від зовнішнього об’єкта або поверхні. Зміни в навколишньому середовищі, такі як механічні деформації або зміни температури, можуть впливати на відбиття, що дозволяє вимірювати ці зміни.
    • Застосування: Використовуються для моніторингу стану будівельних конструкцій, таких як мости, тунелі, або навіть для вимірювання відстаней у геодезії.

Переваги зовнішніх оптичних волоконних датчиків

  1. Висока чутливість: Зовнішні оптичні датчики здатні виявляти дуже маленькі зміни в навколишньому середовищі, що дозволяє отримувати точні вимірювання.
  2. Безконтактний метод вимірювання: Завдяки використанню оптичного волокна, ці датчики можуть вимірювати параметри без безпосереднього контакту з об’єктами, що є важливим для деяких застосувань (наприклад, в агресивних середовищах або там, де контакти можуть викликати пошкодження).
  3. Здатність працювати в складних умовах: Оптичні волоконні датчики можуть працювати в складних або небезпечних умовах, таких як високі температури, радіоактивне випромінювання, електричний шум, що робить їх ідеальними для застосувань у промисловості, енергетиці та нафтогазовій галузі.
  4. Можливість моніторингу на великих відстанях: Оптичні волокна дозволяють передавати сигнал на великі відстані без значних втрат, що дає можливість використовувати їх для моніторингу на великих територіях або об’єктах.
  5. Не піддаються електромагнітним завадам: Завдяки використанню світла, а не електричних сигналів, ці датчики не піддаються впливу електромагнітних завад, що робить їх надзвичайно надійними в електрично зашумлених середовищах.

Недоліки зовнішніх оптичних волоконних датчиків

  1. Вартість: Хоча технології оптичних волокон з кожним роком стають дешевшими, вартість установки та обслуговування зовнішніх оптичних датчиків може бути високою, особливо якщо потрібно використовувати складні системи.
  2. Уразливість до механічних пошкоджень: Оскільки волокна дуже тонкі і крихкі, вони можуть бути пошкоджені при неправильному монтажу або при експлуатації в умовах, де існує ризик механічного впливу.
  3. Необхідність спеціального обладнання для монтажу: Для правильної установки та налаштування оптичних волоконних систем потрібне спеціалізоване обладнання і знання.

Застосування зовнішніх оптичних волоконних датчиків

  1. Моніторинг інфраструктури: Зовнішні оптичні волоконні датчики широко використовуються для моніторингу великих будівельних об’єктів, таких як мости, тунелі, дамби та інші інфраструктурні споруди. Вони можуть вимірювати деформації, напруги та інші важливі параметри.
  2. Енергетика: Вони використовуються для контролю стану енергетичних установок, таких як електростанції, газопроводи, нафтові платформи, для вимірювання температури, тиску і напруги.
  3. Промисловість: В оптичних датчиків велике застосування в різних галузях промисловості для моніторингу процесів, температури та механічних деформацій.
  4. Екологічний моніторинг: Оптичні волоконні датчики можуть використовуватися для вимірювання параметрів навколишнього середовища, таких як рівень забруднення, температура води або повітря, вологість.
  5. Медичні застосування: Вони використовуються в медицині для вимірювання таких параметрів, як температура або тиск у фізіологічних процесах.

Зовнішні оптичні волоконні датчики є потужним інструментом для моніторингу та вимірювання фізичних параметрів в різних середовищах. Вони мають високу чутливість і здатність працювати в складних умовах, що робить їх ідеальними для використання в таких галузях, як енергетика, промисловість, будівництво та екологія. Однак їх вартість і необхідність у спеціалізованому обладнанні можуть бути обмеженнями для деяких застосувань.

Дещо інше: