Обзор разновидностей волоконно-оптических датчиков

На существующие методологии измерения звука, деформации, давления, вибрации, угла наклона или линейного перемещения, накладывается определенное ограничение с местом применения. Основное количество сенсоров, фиксирующих названые факторы, работает на основе электричества, что автоматически не дает их использовать во взрывоопасных средах. Существует, пусть и малая, но вероятность, случайного возникновения искры на контактах устройств, участвующих в измерениях, которая в свою очередь может привести к воспламенению газа или горючей жидкости.

волоконно-оптические датчики

Кроме названой проблемы есть и такое понятие, как затухание сигнала линии в зависимости от расстояния. Для приборов, использующих электричество в качестве основы своей работы и передачи данных, дальность прохождения тока весьма невелика. Да и к тому же сами информационные импульсы могут исказиться в процессе перехода между детектором и принимающим устройством под воздействием внешнего электромагнитного поля, ионизации, радиации или каких-либо иных физических явлений.

решение проблемы – световой поток

Всех перечисленных проблем лишены волоконно-оптические датчики. Так как в основе их работы и передачи информации лежит движение света через сам сенсор и трансляционную линию, а значит исказить получаемые в финале сведения очень сложно. В сущности, весь принцип системы заключен в анализе разницы между исходными характеристиками спектра излучения лазера и полученным результатом на входе детектирующего устройства. Вне зависимости от того на какой фактор настроен сенсор — температуру, деформацию, давление, угол наклона, вибрацию или линейное перемещение — поток света изменит свои свойства под воздействием внешнего состояния среды и будет получен обрабатывающим устройством. Которое уже, в свою очередь и зафиксирует изменение характеристик. Причем линия передачи данных, использующая оптические принципы, допускает трансляцию информации от многих устройств по одному каналу, без ее смешивания, искажения или утраты, или другими словами — мультиплексирования.

мультиплексирование

Не стоит забывать и об устойчивости аналогичных детекторов к коррозии и температуре. В большинстве из них основой служит кварц, который практически не подвержен названным проблемам. Единственный фактор деградации канала передачи информации, выявленный в ходе исследований, связан с длительным применением оптоволоконной линии на большие расстояния в очень влажной среде. Речь идет всего лишь о частичном искажении передаваемых данных в очень плотном их потоке, при длине канала свыше километра. В отношении телеметрической информации, которой по объему транслируется намного меньше, проблем замечено не было.

монтаж оптоволоконной линии на улице

Еще один фактор в отношении волоконно-оптического датчика, дающий ему преимущество в сравнении с остальными — радиационная устойчивость. Ионизация, возникающая в местах повышенного фона, сильно воздействует на полупроводниковые приборы и каналы связи, в некоторых случаях до их полного выхода их из строя. Принцип работы и передачи данных оптических систем не допускает отрицательного влияния радиации на происходящие процессы.

Виды датчиков

Все существующие виды волоконно-оптических датчиков можно грубо разделить на точечные и распределенные. Для первых характерно применение в месте измерения открытого точечного элемента или специализированного сенсора, встраиваемого в защищенное от среды оптоволокно. Под воздействием внешних условий, на которые собственно и настроен датчик, проходящий через него свет меняет свою конкретную характеристику. В основе функционирования большинства из них обычно лежат дифракционные решетки Брэгга, или изменение характеристик света, проходящего через открытый участок к внешним условиям линии оптоволокна. Есть и точечные детекторы, работающие на иных физических принципах. К сожалению, их слишком много для рассмотрения в рамках настоящей статьи.

разные виды волоконно-оптических датчиков

Следующий вид разделения — распределенные системы. Они отличаются своей длиной и тем, что в качестве чувствительного элемента используется вся площадь волоконно-оптического канала. Свет, проходя через него меняет свои характеристики под воздействием внешних условий. К сожалению, принцип работы распределенных датчиков ограничивает и ниши их применения, давая плюс только в общем объеме измеряемых областей.

Оптоволокно

Линии передачи информации

Получить измененный пучок света мало, его еще и нужно отправить дальше. Для этого используются одно- и многомодовые оптические каналы, физически представленные кварцевым легированным волокном в защитной оболочке. Световой поток в процессе движения по внутреннему слою, имеющему больший коэффициент преломления, отражается от внешних стенок, что позволяет доставить сигнал на довольно дальние расстояния без его рассеивания. Главное отличие классов оптоволоконных каналов – их модность, которая обуславливается толщиной внутренней линии. Чем она больше, тем сильнее затухает луч при прохождении расстояния. Для многомодов характерна внутренняя линия от 50 до 62.5 мкм, одномоды ограничены стандартом 7–9 мкм. С учетом ошибок в производстве последних названная характеристика может достигнуть и 10 мкм. Первые используются в основном для телеметрии, к которой относятся и датчики, вторые для доставки цифровой информации на дальние расстояния.

разница одно- и многомодовой передачи данных

Параметры светового потока

Прежде чем двинутся дальше нужно понять, что представляет собой световой поток и какие его характеристики доступны к изменению для последующей фиксации оборудованием.

В сущности, обсуждаемое излучение представляет собой электромагнитные волны, видимые человеческим глазом. Зачастую понятие оптической длины расширяют, относя к нему инфракрасные и ультрафиолетовые спектральные уровни.

В качестве потока света принимается любое излучение с длиной волны в пределах 380–740 нм или колебаниями в ~480–790 ТГц. Нервные окончания в совокупности с мозгом производят градацию частот поступающих сигналов, воспринимая их как цвет потока, что хорошо демонстрирует таблица:

таблица соотношения цветов с их волновыми характеристиками

В неживой природе доступно разделение сложного излучения на частотные составляющие при переходе его из одной среды в другую, что хорошо демонстрируется обычной призмой. В сущности, частота потока и есть один из тех факторов, который улавливается измеряющим оборудованием, а изменение его от номинала служит информационной составляющей.

Следующей характеристикой потока излучения можно назвать его поляризацию. Колебания волны света проходят своеобразную плоскость. Именно точка соприкосновения «низа» и «верха» излучения в пределах колебаний к этой, своеобразной оси, служат обоснованием поляризации текущего потока. Кроме того, для эллиптического света есть такое понятие, как вращающийся вектор плоскости перехода. Причем двигаться он может, как по часовой стрелке, так и против нее. Технически, из любого оптического потока можно выделить поляризованный свет, или даже превратить его в циркулярный, повернув плоскость на необходимый угол. Именно определение названных характеристик приборами и служит одним из методов получения информации от датчиков.

световой поток

И последней важной составляющей параметров света служит его интенсивность или мощность. Разделяют силу самого излучения и светового потока. Это разные величины, которые отличаются по фотометрическим характеристикам. К примеру, даже при энергетической мощности зеленого спектра ниже чем фиолетового, он все равно зрительно воспринимается, как более яркий. Определение получаемой световой или энергетической мощности потока света служит еще одой основой работы волоконно-оптических датчиков.

Классы датчиков

Какой бы ни был волоконно-оптический сенсор по своему типу, основой его работы в любом случае будет луч света, изменения, под воздействием внешних условий которого, и служат номиналом получаемых характеристик среды. По измеряемым параметрам выделяют четыре класса устройств:

  • Датчики с модуляцией интенсивности. В них, внешние воздействия изменяют силу потока света. Отличаются малыми размерами, так как чувствительный контур представлен модулирующим устройством, введенным в саму линию передачи светового потока, или вообще сделан на основании ее нерегулярности. Последняя зачастую выполняется разрывом, растяжением или изгибом волокна. Результаты проб получают обычным фото детектированием.один из видов волоконно-оптических датчиков с принципом действия
  • Фазовые сенсоры. В них характеристики окружающего пространства влияют на сдвиг фазы спектра проходящего через детектор излучения. Чувствительность элементов названого класса сильно зависит от длины оптического волокна. Чем она больше, тем будут выше характеристики определения изменений внешних факторов у прибора. С целью получения результатов исследований в фазовом классе применяются когерентные методы, заключающиеся в гомо- и гетеродинном определении характеристик полученного светового потока.
  • Поляризационный волоконно-оптический датчик. Бывают точечного и распределенного исполнения, в зависимости от того, что именно используется в качестве детектирующей части — вся длина волокна или единичный сенсор на нем. Как понятно из названия, в датчиках такого типа, меняется поляризация светового потока. Из-за ряда ограничений технологии использование сенсоров названого класса в некоторых методах тестирования недоступно.принцип работы одного из видов поляризационного датчика
  • Частотные. Относительно недавно разработанный класс устройств, принцип действия которых основан на изменении частоты генерируемого, отраженного или пропускаемого излучения.

В приведенной таблице указаны ниши физических процессов, определяющихся детекторами в зависимости от их класса.

Измеряемая характеристика среды Тип датчика Примечание
С модуляцией интенсивности Фазовый Поляризационный
Акустическое давление звука + + + Определяется механическая деформация или сдвиг оптических характеристик светового потока, под воздействием звуковых волн.
Температура + + Нагрев волоконно-оптического датчика изменяет его размер или характеристики проходящего излучения
Смещение + + + Сдвиг элементов конструкции сенсора приводит к изменениям световой волны
Сила магнитного поля + + Под действием магнитных полей деформируется датчик, что отмечается соответствующим оборудованием по измерению светового потока. Другой вариант детектора отмечает смену фадеевской плоскости поляризации происходящей под действием названого фактора
Сила электрического поля + Детектор определяет изменения в рамках эффектов Керра и Поккельса или пьезоэлектрического сдвига
Электрический ток + + Сила электрического тока определяется теми же методами, как и мощность магнитного поля. В основе определения тестируемых параметров – эффект возникновения последнего в потоке электронов
Ускорение + + Механические смещения конструкции датчика вызывают изменения и потока, проходящего через него света
Характеристики вращения + Прибор в своей работе использует эффект Саньяка

Далее области применения датчиков различного вида по определяемым физическим факторам:

Исследуемые физические процессы Область применения
Счетчик прерывания, определение толщины или смещения Линии конвейерного перемещения чего-либо
Определение прерывания, смещения или положения В печатающем оборудовании, работающем на высоких скоростях
Потока, давления, температуры Технологический контроль
Давления, счетчик прерываний, температуры Машиностроение
Уровня жидкости, напряжения, вращения, потока, давления, положения Авиация в общем, ЖКХ, насосные станции, ядерные реакторы
Определение утечки газовой смеси и уровней жидкости Нефтяная промышленность
Электрическое и магнитное поле, ток, температура, давление, вибрация, счетчик прерываний Энергетика
Давления, уровень жидкости, магнитное поле, вибрации Судостроение

 

Представленные модели на рынке

Закончив теоретическую часть, перейдем к практическому обзору волоконно-оптических датчиков, представленных на рынке. Но начать стоит все-же с каналов передачи информации. То есть, другими словами о кабелях и шнурах оптико-волоконной связи. Здесь достаточно большой разброд, полный непонятных терминов и классификаций для непрофессионала. Далее будут рассмотрены виды датчиков, востребованных на Российском рынке. Только нужно учесть для последних, что они могут поставляться в комплекте с анализирующим прибором, или без. Усилители оптического сигнала не рассматриваются по причине их практически нулевого применения в системах телеметрии.

Оптоволокно

Сами линии оптоволоконной связи продаются как в виде монтажного провода, так и кабеля. Основные варианты поставки — катушки. Сами кабели могут быть покрытыми внешней защитной оболочкой, или нет. Среди предназначенных для монтажа снаружи зданий распространены модели с внутренним укрепляющим кордом из стальной нити. Также кабель может содержать, как одну линию передачи, так и несколько (обычно до 10). Главная маркировка — класс исполнения. Распространены согласно стандарту:

Характеристика Класс
OS1 OS2 ОМ1 ОМ2 ОМ2+ ОМ3 ОМ4
Длинна волны передачи (нм) 1310(1550) 1310(1550) 850(1300) 850(1300) 850(1300) 850(1300) 850(1300)
Затухание дБ на километр 3.5(1.5) 3.5(1.5) 3.5(1.5) 3.5(1.5) 3.5(1.5)
Максимальная скорость потока 1, 10, 40, 100 Гбит/с 1, 10, 40, 100 Гбит/с 10 Мб/с

100 Мб/с

1 Гбит/с 1 Гбит/с
10 Гбит/с
10 Гбит/с

40 Гбит/с

100 Гбит/с

40 Гбит/с

100 Гбит/с

Потолочная длина (км) 2

10

0.550 0.750(2)
0.110
0.3

0.1

0.1

0.125
Лимит полосы на максимальной загрузке (МГц*км) 200(500) 500 600(1200) 1500(500) 3500(500)
Лимит на единичной загрузке (МГц*км) 2000 4700

Цена кабеля сильно зависит от его класса, в среднем на август 2020 от 5 до 12 рублей за метр одно секционного многомода OM1-OM4. Большее количество линий, или форма исполнения несущей части (наличие корда) — оказывает и существенную прибавку стоимости.

Одномодовые линии OS1-OS2, по сложности производства тяжелее, соответственно и цена больше за каждый метр волокна. Кроме того, они разделяются в типах G.652–656, по дисперсии. Но, в рамках статьи названная информация рассматриваться не будет, по причине редкости применения одномодовых вариантов линий для датчиков.

оптоволоконная линия

Наибольшее распространение в России получили многомоды от производителей NetLink, Teldor, Nikomax, Hyperline. Есть и собственное, очень крупное производство (до 25 % требуемого количества на рынке) — АО «Оптиковолоконные Системы». Качество, модельный ряд, да и цены приблизительно одинаковые. Выбирайте любой доступный вариант для ваших потребностей. Единственно, на что стоит обратить внимание — формат поставки. Кабель от шнура во всех магазинах отличается только наличием обжатых концевиков (стандартных разъемов). Соответственно и ценой. Понятие «фильтры», присутствующие в продукции некоторых изготовителей для линии передачи света бессмысленны, хотя и влияют на их стоимость.

Волоконно-оптический датчик температуры

оптоволоконные датчики температуры

Отличаются от обычных отсутствием электромагнитной наводки, долговечностью и не боятся жестких сред. Здесь наибольшую известность получили фирмы НПП «МСТД» (Россия), Micron Optics (США) и FBG (Корея). Все сенсоры названых производителей рассчитаны на работу с техникой именно выпускающей фирмы. Общего стандарта нет. Для НПП «МСТД» это универсальный интеррогатор «Оникс», станция слежения «Топаз C400» и пожарная сигнализация «Топаз B200». В случае Micron Optics — интеррогаторы Hyperion и ODiSI 6000 Series, специализированные станции измерения температуры — Si155 и Si255. Основа функциональности всех детекторов, кроме разве что распределенных кабельных систем — решетки Брэгга. Некоторые представленные модели обладают и рядом дополнительных функций по измерению других характеристик внешней среды. Все оборудование позволяет монтировать его в единую цепочку на одну оптоволоконную линию.

Наименование Диапазон рабочих волн (нм) Диапазон температур (°С) Градация Точность измерения Размеры (мм) Способ установки Дополнительные возможности или примечание
НПП «МСТД», Россия, линия продукции «Fibsen»
Датчики 1
Т2050 1510–1590 От −60 до +120 0.1 0.5 Ø8×63 Приваривание, анкерное или болтовое
Т2030 1510–1590 От −60 до +85 0.1 0.5 40×4×4 приклеивание
Т2055 1510–1590 От −60 до +300 0.1 0.5 14×100 Приваривание, анкерное или болтовое
Т3050К 1510–1590 От −60 до +85 0.1 0.5 Ø40×137 Индивидуально, в зависимости от внешних условий Измерение давления до 10 МПа, с точностью в 0.25 %
Т4050К 1510–1590 От −60 до +85 0.1 0.5 280×20×25 На анкерах Контролирует перемещение до 350 мм
Т6050К 1510–1590 От −60 до +85 0.1 0.5 97×32×106 болты Измерение угла смещения с диапазоном до 5° и градацией в 0.1°. Точность 0.01°.
Micron Optic, США
Micron Optic
Os4100 От −40 до +120, критические 150 1 0.5 36.51×7.94( Болты, клей
Os42xx От −40 до +120,
От −70 до +275
0.5 (premium)
1
0.2 (premium)
0.6
1.07×27.1,
4.76×142.9, 6.35×137.9
зонд
Os43xx От −40 до +120 0.6–1 0.2–0.5 18.8×3.2×3.2, 31.8×7.6×7.6, 31.5×15.0×7.6 Без металлический корпус — клей
Кабель распределенного измерения температуры От −60 до +200 н/а н/а Ø 1 Линия укладки
Шнур с множеством встроенных точечных датчиков (MTS™) От −50 до +250 0.1 Ø 3–12 Линия укладки До 150 датчиков во всем кабеле, с шагом минимум 5 мм
FBG, Корея

FBG

OSCT 311L, 311E, 312L, 312E, 313–200 1510–1590 От −40 до +120 0.5–1.5 20×15×2.5, 20×15×2, Ø 2.5×40, Ø 5×40, зонд 311 — винты, 312 — хомуты, 313 — резьба Индекс L означает подключение в линию, E — концевое
OSMT 311L, 311E, 312L, 312E, 313–200 1510–1590 От −40 до +250 0.5–1.5 20×15×2.5,
20×15×2,
Ø 5×40
311 — винты, 312 — хомуты, 313 — резьба Индекс L означает подключение в линию, E — концевое
OSHT 311L, 311E, 313–200 1510–1590 От −40 до +500 1.5–2.5 30×15×1.1 311 — сварка, в случае 313 — резьба — // —

Датчики деформации

Сенсор улавливает характеристику насколько он изогнут. Как и в случае температурных, представлены три уже известных игрока НПП «МСТД» (Россия), Micron Optics (США) и FBG (Корея). Кроме них на рынках РФ получила известность фирма Smartec (Швейцария). Все перечисленные модели работают в диапазоне световых волн 1510–1590 нм. Допускается соединение нескольких из них на одну оптоволоконную линию.

Наиболее распространенные варианты в России:

Датчики деформации

Наименование Диапазон измерения мкм/м Точность Размер (мм) Примечание
НПП «МСТД»
Т1050 ±1500 1 % Ø12×102
Т1050К ±1500 1 % Ø14×118 Дополнительно измеряет температуру от −40 до +85 °С
Micron Optics
OS3155 ±2500 ~1.2 пм/мкм/м 50
os3110/os3120 ±2500 ~1.4 пм/µε 22
Smartec
SOFO 0.5 % активной зоны при сокращении;

1 % активной зоны при удлинении

0.2 % Активная зона от 10 см до 10 метров Концевое соединение разъемом E2000
FBG
FBG-ST-310 ±2000 ±0.25 100
FBG-ST-330 ±2000 ±0.25 от 250 до 1500
FBG-ST-320 ±2000 ±0.25 от 100 до 1000

Датчики ускорения и вибрации

Тут всего два популярных производителя. У обоих в сумме три модели. Во всех случаях используется болтовое соединение.

Датчики ускорения и вибрации

Наименование Диапазон входного сигнала Диапазон частот (Гц) Шум (мкг/Гц) Чувстви- тельность (нм/g) Температурный сдвиг (g/°С) Температурное смещение (ppm/°С) Нелинейность (%) Поперечная чувстви- тельность (%) Ударостойкость(g) Размеры
OS 7510 от Micron Optics ±2.5

±10, ниже 10 Гц

0–350 <50 50 <0.1 ±100 <2 <2 500 20×45×12.5
OS 7520 от Micron Optics ±0.1

±1, ниже 10 Гц

0–100 <1 2500 <0.005 ±100 <2 <2 500 20×45×12.5
FBG-AC-310 ±2 0–80 270 ±0.25

Сенсоры давления

Два производителя, Российский НПП «МСТД» и Корейский FBG. Продукты первого внесены в госреестр. Рабочий диапазон всех сенсоров 1510–1590 нм.

Сенсоры давления

Наименование Диапазон измерения (МПа) Разрешение Точность (%) Рабочая температура (°С) Примечание
Т3050К от НПП «МСТД» До 0.5 0.1 0.25 От −40 до +85 Дополнительно измеряет силу потока, уровень жидкости
FBG-PR-310 До 1 ±0.05 ±0.25 от −10 до +50
FBG-WP-320 0.0008-0.01 ±0.05 ±0.25 от −10 до +50

Резюмируя практическую часть о датчиках, хотелось бы отметить, что некоторые их виды не рассмотрены, по причине слабой распространенности. Возможно также, в списках указаны не все популярные модели, кроме того отсутствуют цены. К сожалению, последние слишком разнятся в зависимости от посредника, чтобы можно было их указывать с привязкой к какому-либо географическому месту.

Видео по теме

Хорошая реклама
 

Ссылка на основную публикацию