Trong hơn 60 năm qua, cảm biến sợi quang (FOS) đã được nhiều ngành công nghiệp sử dụng để tăng cường và kiểm tra tính toàn vẹn, hiệu quả, an toàn và độ bền của các tòa nhà, phương tiện, thiết bị y tế, v.v. Sự phát triển của công nghệ cảm biến sợi quang trong 5 năm qua đã cho phép nó đạt được mức dữ liệu và mật độ phát hiện chưa từng có trong các ứng dụng như hàng không, năng lượng và thậm chí là y tế. Điều này sẽ giúp các kỹ sư giải quyết các vấn đề họ hiện đang gặp phải và cải thiện thiết kế của họ thông qua sự đổi mới. Công nghệ cáp quang ngày nay có rất nhiều ý nghĩa thiết thực và khả năng ứng dụng trong tương lai cũng rất rộng.

Bài viết này sẽ thảo luận về những tiến bộ mới nhất trong công nghệ cảm biến sợi nội tại, bao gồm phát hiện hình dạng 3D và phản xạ miền tần số quang. Nó cũng sẽ thảo luận về cách các kỹ sư ngày nay có thể tận dụng các công nghệ này và mong muốn phát triển trong tương lai.

Tóm tắt lịch sử

Cảm biến sợi quang đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào những năm 1960 và dựa trên quang học không gian tự do. Khoảng 10 năm sau, các nhà nghiên cứu đã phát triển cảm biến sợi quang nội tại đầu tiên. Công nghệ mới này có thể cung cấp nhiều lợi ích kỹ thuật quan trọng hơn các cảm biến không gian tự do và có thể được sử dụng để có được các phép đo cơ học đáng tin cậy. Việc sử dụng sợi quang cho phép tín hiệu được truyền trong phương tiện có thể triển khai, trong khi ánh sáng trong không gian trống cần phải dựa vào sự lan truyền tầm nhìn và không thể được triển khai trong các tòa nhà hoặc phương tiện hoạt động. Con quay hồi chuyển sợi quang, được thương mại hóa chính thức vào những năm 1980, là một trong những ứng dụng đầu tiên của cảm biến sợi quang, và hiện đã trở thành một yếu tố chính trong hệ thống ổn định và hệ thống định vị. Đầu những năm 1990, ngành công nghiệp dân dụng bắt đầu triển khai nhiều loại cảm biến sợi quang khác nhau trong nhiều ứng dụng, được sử dụng để đo các thông số như nhiệt độ, độ căng và áp suất.

Các kỹ sư cũng bắt đầu thử nghiệm các cảm biến dựa trên cách tử Bragg sợi (FBGs). Với chức năng ghép kênh và phân phối gần đúng, cảm biến cách tử sợi có những ưu điểm độc đáo so với các công nghệ cảm biến sợi hiện có. Vào năm 2000, nhiều ứng dụng phổ biến đã xuất hiện trong ngành công nghiệp dân sự, bao gồm theo dõi sự biến dạng của các thành phần chính trong các tòa nhà lịch sử, giám sát biến dạng tại các điểm quan trọng trong cầu và quan sát hành vi của bê tông khi nó được hóa cứng. Hầu hết các ứng dụng này sử dụng các cảm biến giao thoa kế khác nhau, hầu hết trong số đó không thể được sử dụng lại.

Cảm biến cách tử sợi đã thay thế phần lớn các công nghệ này trong các ứng dụng dân dụng, dầu khí và hàng không vũ trụ. Ví dụ, cảm biến cách tử sợi thường được sử dụng trong lĩnh vực dầu khí để theo dõi áp suất và các thông số khác trên các công cụ khoan quan trọng. Tương tự, ngành hàng không đã sử dụng các cảm biến cách tử sợi để xây dựng theo dõi sức khỏe, kiểm tra tải trọng và kiểm tra độ mỏi.

Đầu những năm 2000, một loại công nghệ cảm biến sợi quang khác, cảm biến phân tán, đã xuất hiện và cho thấy tiềm năng lớn trong ngành dầu khí. Những công nghệ này được sử dụng để đo nhiệt độ dọc theo toàn bộ sợi và giúp cải thiện các quy trình khoan khác nhau, bao gồm phát hiện rò rỉ, giám sát quá trình phun và tạo bản đồ dòng chảy. Mặc dù chúng cung cấp các phép đo phân tán, các công nghệ này có tốc độ làm mới rất chậm (ít nhất là vài giây giữa các lần mua lại) và độ phân giải không gian theo thứ tự mét.

Những tiến bộ gần đây trong cảm biến sợi quang

Cảm biến bên trong và bên ngoài là hai loại cảm biến sợi quang. Các cảm biến bên ngoài sử dụng sợi quang để dẫn ánh sáng vào khu vực phát hiện, nơi ánh sáng rời khỏi ống dẫn sóng và được điều chế trong một môi trường khác. Đối với các cảm biến nội tại, ánh sáng vẫn ở bên trong ống dẫn sóng, do đó, nó đo hiệu ứng của tín hiệu ánh sáng khi ánh sáng truyền dọc theo sợi.

Bản thân sợi quang là công nghệ cảm biến sợi nội tại của cảm biến. Có hai công nghệ khác nhau cho các cảm biến nội tại: tán xạ hoặc cách tử sợi. Công nghệ tán xạ có thể cung cấp các điểm dữ liệu phân tán đầy đủ dọc theo sợi, trong khi công nghệ cách tử sợi có thể đạt được cả một số lượng nhỏ các điểm phát hiện và các điểm dữ liệu phân phối gần đúng. Bằng cách đặt các cách tử sợi trên sợi, các kỹ sư có thể phân tích các thay đổi trong ánh sáng phản xạ và cung cấp các phép đo chính xác bằng cách giải điều chế thông tin này. Công nghệ tán xạ hoàn toàn không sử dụng cách tử sợi, nhưng sử dụng tín hiệu không hoàn hảo ngẫu nhiên xảy ra tự nhiên trong sợi để thu được số đọc. Bởi vì cách tử sợi thường được sản xuất dưới dạng cảm biến tinh vi, chúng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao hơn nhiều so với công nghệ tán xạ.

Đồng hồ đo biến dạng, cặp nhiệt điện và cảm biến mức chỉ quan tâm đến một số điểm chính, trong khi cảm biến sợi quang phân tán có thể cung cấp thêm thông tin giữa các điểm chính, do đó chúng có thể giúp các kỹ sư đạt được các phép đo chính xác của toàn bộ miền biến dạng, phân bố nhiệt độ và các thông số khác . Tán xạ và cách tử sợi sử dụng các kỹ thuật giải điều chế khác nhau. Công nghệ tán xạ thu được dữ liệu hữu ích bằng cách giải điều chế các tín hiệu tán xạ Raman, Brillouin hoặc Rayleigh tự nhiên. Công nghệ giải điều chế được sử dụng phổ biến nhất cho công nghệ cách tử sợi là ghép kênh phân chia bước sóng (WDM). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, máy đo độ phản xạ miền tần số quang học (OFDR) có lợi thế lớn hơn so với ghép kênh phân chia bước sóng.

Ghép kênh phân chia bước sóng có thể bao phủ khoảng cách xa và thu được dữ liệu nhanh chóng, và công nghệ này hỗ trợ nhiều cách tử trên một sợi, tuy nhiên, mỗi cách tử bổ sung sẽ làm giảm đáng kể tốc độ làm mới dữ liệu. Các thông số điển hình của phép đo WDM bao gồm biến dạng và nhiệt độ, mặc dù trong một số trường hợp, nó cũng có thể được kết nối với một gia tốc kế hoặc cảm biến áp suất. Ngoài ra, WDM chỉ cho phép người dùng giám sát các điểm chính chứ không phải toàn bộ miền thông tin. Vì lý do này, các ứng dụng yêu cầu tốc độ thu nhận rất cao và chỉ cần một vài điểm dữ liệu, chẳng hạn như các bộ phận giám sát trong các thử nghiệm va chạm ô tô, rất phù hợp để sử dụng công nghệ WDM.

Các công nghệ tán xạ Raman, Brillouin hoặc Rayleigh có thể bao phủ khoảng cách vài km và cung cấp thông tin phân tán đầy đủ. Không giống như ghép kênh phân chia bước sóng, các công nghệ tán xạ được phân phối hoàn toàn, điều đó có nghĩa là chúng có thể thu được dữ liệu trên toàn bộ sợi, không chỉ một vài điểm chính. Mặc dù dữ liệu biến dạng có thể thu được bằng tán xạ Rayleigh, nhiều hệ thống trên thị trường chỉ có thể đo nhiệt độ hoặc tín hiệu âm thanh. Các hệ thống này được gọi là hệ thống cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) hoặc hệ thống phát hiện âm thanh phân tán (DAS). Công nghệ tán xạ là lý tưởng cho các ứng dụng phải đi được vài km nhưng không yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ làm mới cao. Ví dụ: giám sát các đường ống để ngăn chặn các ứng dụng bị gián đoạn chỉ yêu cầu độ phân giải không gian theo thứ tự mét và không yêu cầu tốc độ thu thập dữ liệu cao.

Máy đo độ phản xạ miền tần số quang học (OFDR) là một công nghệ giải điều chế khác khác thường được sử dụng với các cảm biến cách tử sợi. Các cách tử được đặt ở cả hai đầu để đạt được sợi cảm biến phân tán hoàn toàn. OFDR có độ phân giải không gian cao hơn nhiều so với công nghệ tán xạ và số lượng cách tử nhiều hơn nhiều so với ghép kênh phân chia bước sóng. Một lợi thế duy nhất của OFDR là nó có thể duy trì tốc độ làm mới dữ liệu cao ngay cả khi số lượng cảm biến được tăng lên. Độ phân giải không gian cao, tốc độ làm mới nhanh, số lượng lớn cảm biến và đặc điểm phân phối đầy đủ khiến OFDR trở thành một trong những công nghệ cảm biến phức tạp nhất trên thị trường hiện nay. Không giống như công nghệ tán xạ và công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng, một số ứng dụng của OFDR có thể tích hợp nhiều công nghệ vào một nền tảng mạnh mẽ duy nhất. Ngoài việc phát hiện biến dạng và nhiệt độ, công nghệ OFDR cũng có thể đánh giá biến dạng 2D, hình dạng 3D, mức chất lỏng, áp suất, khối lượng công việc và từ trường. Do tính phổ biến của nền tảng, các kỹ sư có thể giải quyết nhiều vấn đề với một hệ thống, từ đó làm cho ngành công nghiệp hiệu quả và hiệu quả hơn.

Các trường hợp sử dụng thực tế của máy đo độ phản xạ miền tần số quang

Hàng không vũ trụ

Ứng suất và độ căng là các thông số chính để đánh giá tuổi thọ máy bay và an toàn vận hành. Các hãng hàng không và các cơ quan vũ trụ đã làm việc để tìm các thiết bị và quy trình an toàn hơn. Tuy nhiên, các công nghệ hiện có gây khó khăn và tốn kém trong việc giám sát và duy trì sự an toàn của các cấu trúc máy bay và tàu vũ trụ. Ngoài ra, nghệ thuật trước đây không thể chỉ ra rõ ràng khi máy bay hoặc tàu vũ trụ đã hết tuổi thọ.

Do hàng ngàn cảm biến có thể được bao gồm trong các sợi quang mỏng, các giải pháp cảm biến sợi quang có thể cung cấp thông tin sức khỏe máy bay chi tiết. Ví dụ, bằng cách sử dụng các cảm biến sợi quang trong ngành hàng không vũ trụ, các kỹ sư có thể:

● Giảm thiểu thời gian hỏng hóc của máy bay và điều chỉnh kế hoạch bảo trì chính xác

Cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu thông qua đo lượng nhiên liệu an toàn nội tại

● Theo dõi hình dạng của cánh và các bộ phận biến dạng khác

● Xác định thời điểm máy bay đã hết tuổi thọ

● Hiểu phản ứng của máy bay phức tạp với điều kiện bay

Cung cấp dữ liệu phản hồi cho hệ thống điều khiển trong suốt chuyến bay

Sử dụng công nghệ cảm biến sợi quang, các kỹ sư có thể liên tục theo dõi biến dạng, nhiệt độ, ứng suất, tải trọng, biến dạng ngoài máy và hình dạng 3D để kiểm tra, giám sát và phân tích tính toàn vẹn của cấu trúc vật liệu và thu thập dữ liệu phản hồi vị trí từ các thành phần máy bay. Các kỹ sư có thể sử dụng dữ liệu này để cải thiện an toàn máy bay, kéo dài tuổi thọ, giảm thời gian bảo trì và tăng hiệu quả bay. Tất cả những kết quả này cuối cùng sẽ được phản ánh trong chi phí giảm.

Y khoa

Đường kính nhỏ và độ trơ hóa học của cảm biến hình dạng quang học làm cho công nghệ cảm biến sợi quang lý tưởng cho các ứng dụng y tế. Những đặc điểm này cho phép các cảm biến sợi quang được kết hợp với các công nghệ xâm lấn tối thiểu hiện có. Sử dụng công nghệ cảm biến sợi quang cung cấp cho bác sĩ phẫu thuật thông tin vị trí về toàn bộ chiều dài của thiết bị, loại bỏ sự cần thiết phải chụp x-quang hoặc siêu âm. Dữ liệu 3D có thể được vẽ trong thời gian thực và hiển thị trên màn hình để hiển thị vị trí của thiết bị. Hình ảnh này cũng có thể được so sánh với các tọa độ vị trí đã biết trong cơ thể, giúp bác sĩ kết hợp video tham chiếu được gửi bởi đầu ống nội soi với cách thức và vị trí của phần còn lại của dụng cụ. Nhận thức vị trí được cải thiện này tạo điều kiện cho hướng dẫn dụng cụ thời gian thực, giảm thiểu việc tiêm vật lạ vào cơ thể bệnh nhân và tránh xa bức xạ.

Lợi ích của việc sử dụng cảm biến sợi quang trong ngành y tế bao gồm:

● Cải thiện công nghệ hình ảnh trong hệ thống MRI

● Hỗ trợ vận hành và phát hiện mạch máu để xác định mức độ nghiêm trọng của tắc nghẽn mạch máu

● Đánh giá hình dạng mục tiêu trong quá trình phẫu thuật và phát hiện xâm lấn tối thiểu

● Đạt được theo dõi công cụ độ phân giải cao hơn trong khi giảm thiểu độ phức tạp liên quan đến các phương pháp hình ảnh truyền thống

● Giảm thiểu việc tiêm chất lạ vào cơ thể

Năng lượng

Cảm biến sợi quang cũng rất lý tưởng cho các ứng dụng giám sát tàu ngầm vì nó thu thập thông tin về lực căng, mô-men xoắn và hình dạng thời gian thực trước. Tàu ngầm tăng được thiết kế để chịu được một số tải trọng phức tạp nhất và môi trường khắc nghiệt mà các kỹ sư chưa từng thấy. Các đặc tính động của riser, các thành phần và môi trường của nó làm cho nó dễ bị ứng suất cấu trúc, ứng suất mỏi, hao mòn vật liệu, suy giảm các tính chất cơ học, tác động và tải trọng do môi trường. Do những yếu tố này và các yếu tố khác, khả năng cảm biến và dụng cụ đo lường phản ứng cấu trúc của riser đối với tải trở nên rất quan trọng.

Bằng cách sử dụng các cảm biến sợi quang trong một loạt các ứng dụng năng lượng:

● Tối đa hóa tính toàn vẹn của riser và giàn khoan

● Cung cấp phản hồi của hệ thống điều khiển cho các cánh tuabin gió dựa trên thông tin biến dạng và xoay

● Giám sát tính toàn vẹn cấu trúc của cánh quạt gió

● Thông tin hiệu chuẩn và sức khỏe cấu trúc cho các thành phần của nhà máy điện hạt nhân

Tương lai của cảm biến sợi quang

Giá cả và kích thước của cảm biến sợi quang là hai trở ngại chính hiện đang phải đối mặt với sự phổ biến của công nghệ cảm biến sợi quang. Khi các vấn đề này được giải quyết, chúng tôi dự kiến sẽ thấy nhiều trường hợp sử dụng hơn trong các ngành công nghiệp mới.

Lấy ngành thời trang chẳng hạn. Trong tương lai, mọi người có thể chèn cảm biến vào một mũi khâu nhất định trong quần áo và cung cấp tất cả dữ liệu và thông tin về hình dạng cơ thể, chiều cao và phân bổ trọng lượng của từng cá nhân. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để thiết kế quần áo chuyên dụng cho người mặc. Điều này sẽ tác động hoàn toàn đến ngành công nghiệp thời trang và thay đổi căn bản phương pháp thiết kế và sản xuất thời trang. Hãy tưởng tượng mua sắm trực tuyến và quần áo đã được điều chỉnh để phù hợp với cơ thể bạn một cách hoàn hảo khi chúng đến trong tay bạn. Thật tuyệt.

Chúng ta hãy nhìn vào ngành công nghiệp ô tô một lần nữa. Bằng cách chèn các cảm biến sợi quang trong các bộ phận cấu trúc của xe, chúng ta có thể nhận được phản hồi thời gian thực về cách chiếc xe phản ứng với những thay đổi trong môi trường xung quanh hoặc giám sát khi cần thay thế một bộ phận xe hơi. Những nhiệm vụ này có thể được thực hiện trong thời gian thực và cảnh báo người lái xe và người cư ngụ trước khi xảy ra trường hợp khẩn cấp.

Trong lĩnh vực xây dựng, sợi quang có thể được đặt trong các tòa nhà hoặc đường để theo dõi và đánh giá mức độ ảnh hưởng môi trường của vật liệu xây dựng trong quá trình sử dụng lâu dài và phát hiện ra chúng trước khi xảy ra sự cố.

Tóm tắt bài viết này

Những lợi thế của công nghệ cảm biến sợi quang nội tại về độ phân giải không gian, tốc độ làm mới và chiều dài phát hiện đã giúp cải thiện khả năng giải quyết vấn đề của nhiều ngành công nghiệp. Dữ liệu và thông tin được thu thập bởi các cảm biến sợi quang không chỉ giúp các kỹ sư giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn giúp đổi mới trong tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ này, việc thiết kế và ứng dụng các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, năng lượng và y tế cũng sẽ trở nên tiên tiến hơn. Khi các kỹ sư tiếp tục khai thác tiềm năng của công nghệ thông qua đổi mới, các hệ thống phát hiện cảm giác cũng có thể giải quyết các vấn đề vừa chớm nở. Cảm biến sợi quang đủ linh hoạt để được triển khai như một nền tảng, sau đó được tích hợp vào thiết kế như một thành phần của một hệ thống quan trọng để thực hiện các chức năng giám sát thời gian thực cần thiết, hoặc như các bộ thử nghiệm độc lập.

  Công ty TNHH Kiểm soát tự động hóa Ouying Thâm Quyến là nhà cung cấp chuyên nghiệp các linh kiện điện tử. Nó luôn tập trung vào việc bán hàng và hỗ trợ kỹ thuật cho các thành phần của các thương hiệu đẳng cấp thế giới. Để biết thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với dịch vụ khách hàng!