BÁO cáo CHUYÊN đề kĩ THUẬT VIỄN THÔNG đề tài TỔNG QUAN về cảm BIẾN sợi QUANG và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ KĨ THUẬT VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG I GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG Khái niệm sợi quang: Nguyên lí hoạt động sợi quang: Phân loại cáp sợi quang: II GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG Khái niệm cảm biến sợi quang: Cấu tạo nguyên lí hoạt động cảm biến sợi quang: .6 Ưu Nhược điểm cảm biến sợi quang: CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG .8 I PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG .8 I CẢM BIẾN SỢI BRAGG GRATINGS .10 Giới thiệu cảm biến cách tử sợi Bragg (FBG): 10 Nguyên lí hoạt động cảm biến sợi cách tử Bragg bên trong; 11 Kỹ thuật chế tạo: .11 Các ứng dụng cảm biến sợi cách tử Bragg (FBG): 13 II CẢM BIẾN GIAO THOA KẾ FABRY - PEROT SỢI QUANG 14 Giới thiệu cảm biến giao thoa kế Fabry - Perot (EFPI): 14 Nguyên lí hoạt động cảm biến sợi quang EFPI bên ngoài: .14 Các ứng dụng cảm biến giao thoa kế Fabry – Perot (EFPI): .15 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG .16 I CÁC ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG TRONG CÁC LĨNH VỰC 16 II ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG TRONG THỰC TẾ 16 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 18 Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng LỜI NÓI ĐẦU Bắt nguồn từ việc phát minh tia Lazer vào năm 60 kỉ trước giúp nhà nghiên cứu nhận tiềm lớn khả truyền liệu liên lạc hệ thống quang học Chính khả truyền lượng liệu lớn hệ thống Lazer so với hệ thống điện khác khuyến khích nhà nghiên cứu nghiên cứu khả sợi quang để truyền liệu, cảm biến ứng dụng khác Sự phát triển mạnh mẽ nhanh chóng cơng nghệ cáp quang dẫn đến thay đổi đáng kế nghành viễn thông Và với kết hợp công nghệ viễn thông cáp quang với thiết bị điện tử tạo cảm biến sợi quang Với cải tiến không ngừng, công nghệ cảm biến sợi quang bắt đầu công nghệ liên quang đến quang học cáp quang sử dụng cách có hiệu Với tiến hệ thông thông tin liên lạc thông qua việc sử dụng sợi quang, nhu cầu lớn đo lường cảm nhận tốc độ truyền liệu, thay đổi pha, cường độ bước sóng, trường hợp điều kiện mơi trường khơng ổn định, nhiễm tiếng ồn, độ rung Chính lí mà cảm biến sợi quang đời dần thay cảm biến thơng thường trước tính vượt trội Được sử dụng phổ biến lựa chọn thiếu nhiều ứng dụng kỹ thuật bao gồm dân dụng, khí, điện, hàng không, vũ trụ, ô tô, hạt nhân, y tế số lí đặc biệt nhiều ưu điểm cảm biến sợi quang: Suy hao thấp, băng thơng cao, khả miễn nhiễm nhiễu EMI, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, an tồn , chi phí tương đối thấp,… Cho đến nay, cảm biến sợi quang sử dụng rộng rãi để giám sát loạt thơng số mơi trường vị trí, độ rung, biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm, độ nhớt, hóa chất, áp suất, dòng điện, điện trường số yếu tố môi trường khác BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GỒM CHƯƠNG: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Page | Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG I GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG Khái niệm sợi quang: Sợi quang học (Optical Fiber/Cable) ống dẫn sóng quang học có dạng dây tóc, thường làm sợi thủy tinh (nhựa) truyền ánh sáng qua cách giới hạn vùng có số khúc xạ quang học khác Sợi quang chủ yếu sử dụng hệ thống thông tin quan, cảm biến sợi quang, liên kết radar, huy, điều khiển đo từ xa ứng dụng nghành công nghiệp, khoa học nghiên cứu, y học, … Cáp sợi quang thường cấu tạo: Sợi quang (Fiber), lớp bảo vệ (Coating), lớp ống đệm bảo vệ (Buffer), lớp chịu lực (Strength members) lớp vỏ bảo vệ (Jacket)  Sợi quang (Fiber): Bao gồm thành phần lõi (Core) lớp phản xạ (Cladding)  Lõi hình trụ làm từ vật liệu điện mơi, thường làm sợi thủy tinh (Glass) nhựa (Plastic) dùng để lan truyền ánh sáng  Lớp phản xạ có cấu tạo tương tự lõi, có chiết xuất nhỏ bao bọc xung quanh lõi giúp ánh sáng phản xạ trở lại lõi  Lớp bảo vệ (Coating): Thường làm nhựa để bảo vệ sợi quang tránh bị trầy xước, dùng để giám sát ánh sáng từ lõi vào khơng khí xung quanh, giảm tốn thất tán xạ bề mặt lõi, bảo vệ sợi quang khỏi hấp thụ chất gây ô nhiễm bề mặt tăng thêm độ bền học  Lớp ống đệm bảo vệ (Buffer): Thường chia làm loại  Loại ống đệm chặt (Tight buffer): Làm nhựa dẻo, bi tác động nhiệt độ, có độ uốn cong tốt  Loại ống đệm khơng chặt (Loose buffer) : Làm ống nhựa có đường kính lớn đường kính sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên giúp cho sợi quang co giãn tự nhiên nhiệt độ môi trường thay đổi Bên ống đệm cịn có lớp chất nhờn để ngăn ẩm, chống cháy giúp làm sơi quang dễ dàng Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng  Lớp vỏ bảo vệ (Jacket): Là lớp để bảo vệ sợi quang khỏi hư hỏng vật lí mơi trường bên ngồi tác động vào, phận tạo từ chất liệu nhựa tính chống mài mịn, đàn hồi, chịu nhiệt chất liệu nhựa Nguyên lí hoạt động sợi quang: Nguyên lí hoạt động sợi quang: Dựa nguyên tắc phản xạ toàn phần (TIR - Total Internal Reflection) Góc mà phản xạ tồn phần bên sợi quang gọi góc tới han, góc tới mà lớn góc tới hạn ánh sáng bị phản xạ hoàn toàn trở lại mơi trường thủy tinh Các tia sáng sử dụng để truyền lượng liệu khổng lồ nhờ đường truyền cáp quang, dây cáp quang thiết kế cho chúng uốn cong tất tia sáng vào bên (dựa vào TIR) Cho dù tín hiệu ánh sáng có khả bị suy giảm khoảng cách truyền tín hiệu tốt so với cáp kim loại thông thường Phân loại cáp sợi quang: Cáp sợi quang phân thành nhiều loại khác dựa số khúc xạ, vật liệu sử dụng phương thức truyền ánh sáng  Phân loại dựa số khúc xạ:  Step Index: Bao gồm lõi bao quanh lớp bọc có số định, dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến đèn soi  Graded Index: Chỉ số khúc xạ sợi quang giảm khoảng cách xuyên tâm từ trục sợi tăng, thường dùng mạng LAN  Phân loại dựa vật liệu sử dụng:  Sợi quang nhựa: Polymethyl Methacrylate chất liệu cốt lõi để truyền ánh sáng  Sợi thủy tinh: Bao gồm sợi thủy tinh mịn  Phân loại dựa chế độ truyền ánh sáng:  Single Mode: Những sợi sử dụng để truyền tín hiệu đường dài  Multimode: Các sợi sử dụng để truyền tín hiệu khoảng cách ngắn Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm II GVHD: Nguyễn Tấn Hưng GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG Khái niệm cảm biến sợi quang: Cảm biến sợi quang thiết bị cảm biến sử dụng công nghệ sợi quang để đại lượng vật lí nhiệt độ, áp suất, gia tốc, điện áp, … Cảm biến sợi quang dùng sợi quang làm thành phần cảm biến dùng để đo lượng ánh sáng vật lí sau chuyển thành tín hiệu điện tử tùy thuộc vào loại cảm biến mà đọc thiết bị đo tích hợp Cảm biến sợi quang so với loại cảm biến thông thường có nhiều ưu điểm vượt trội như: Miễn nhiễm với nhiễu điện từ, suy hao thấp, băng thông cao, hoạt động mơi trường có điều kiện khắc nghiệt, … nên cảm biến sợi quang dần trở nên phổ biến nhiều lĩnh vực công nghệ như: y tế, hóa học, viễn thơng, ngành cơng nghiệp khác Cấu tạo ngun lí hoạt động cảm biến sợi quang: Cấu trúc chung hệ thống cảm biến sợi quang bao gồm: Nguồn (Bộ khuếch đại), phần tử cảm biến (Bộ điều chế), máy dị quang học xử lí điện tử Dưới sơ đồ nguyên lí hoạt động hệ thống cảm biến sợi quang  Cấu tạo hệ thống cảm biến sợi quang:    Nguồn (Bộ khuếch đại): Bao gồm nguồn quang (Lazer, Led, Diode Lazer,…), xử lí ánh sáng hắt lại, có giao diện vận hành để thiết lập hoạt động cảm biến có tín hiệu đầu đến thiết bị xử lí khác Phần tử cảm biến (Đầu dị): Dùng sợi quang học vật liệu rời sử dụng phần tử cảm biến để chuyển đổi đại lượng đo thành tín hiệu quang học Máy dị quang học, xử lí điện từ: Bao gồm máy phân tích quang phổ, máy sóng, máy phân tích sóng để phân tích tín hiệu, liệu đầu Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng  Nguyên lí hoạt động: Cảm biến sợi quang sử dụng nguyên tắc hoạt động phản xạ toàn phần với mục đích để dẫn hướng nguồn sáng chạy dọc theo sợi quang giúp phát vật thể Ánh sáng bên sợi quang di chuyển từ đầu đến đầu phản xạ với thành bên giúp phát vật thể, việc di chuyển độ sáng nên khả xác cao Cảm biến sợi quang sử dụng để phát hiện, đếm hay định vị phận mà khơng cần tiếp xúc, cảm biến quang học bên bên Các cảm biến bên thu thập truyền lượng ánh sáng cần thiết, cảm biến bên thường sử dụng để đo khúc cua thay đổi nhỏ khác hướng Ưu Nhược điểm cảm biến sợi quang:  Ưu điểm:  Dễ dàng chế tạo dạng kết cấu khác bị nhiễu kích thước nhỏ dạng hình trụ cảm biến sợi quang  Do dùng ánh sáng để truyền dẫn nên không bị ảnh hưởng dịng điện, khơng bị tác động nhiễu điện từ (EMI), nhiễu tần số vô tuyến (RFI)  Cảm biến sợi quang có dải băng thơng rộng độ phân giải cao dùng ánh để truyền dẫn tín hiệu cảm biến  Ổn định lâu dài: Khơng bị suy hao quang học dịch chuyển uốn cong sợi đầu nối  Lắp đặt đơn giản: Dễ dàng điều chỉnh độ dài sợi quang, lắp thông qua hàn điểm, dán tích hợp tồn vào thành phần  Trọng lượng nhẹ hình thức nhỏ gọn: Các cảm biến nhỏ  Tính đa năng: Có thể sử dụng để thu tất đại lượng đo vật lí, hóa học sinh học  An toàn bên trong: Các cảm biến phù hợp với môi trường điện áp cao, khu vực bảo vệ ATEX, môi trường xâm thực mặt hóa học  Nhược điểm:  Nhiễu từ nhiều hiệu ứng khác nhau, ví dụ: Một cảm biến quang dùng để đo độ căng áp suất nhạy cảm với nhiệt độ từ bên ngồi tác động vào  Nối cáp sợi quang vật liệu khác: Gây khó khăn, nhiều cơng đoạn cáp quang có nhiều lớp bắt buộc cáp phải thẳng khơng gập lại  Chi phí: Chi phí hàn, nối thiết bị đầu cuối cảm biến sợi quang cao Page | Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG I PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG Dựa vào vị trí phát hiện: a Cảm biến bên trong: Các cảm biến sử dụng trực tiếp sợi quang làm vật liệu nhạy cảm (Đầu cảm biến) dùng để truyền tín hiệu quang với thơng tin môi trường cần đo Chúng hoạt động thông qua điều biến trực tiếp ánh sáng dẫn vào sợi quang học, ánh sáng không rời khỏi sợi quang, ngoại trừ (Đầu ra) cảm biến Các cảm biến sử dụng cấu hình: Giao thoa kế, Lưới sợi Bragg (FBG), Lưới sợi dài (LPFG) sợi đặc biệt (Sợi pha tạp) b Cảm biến bên ngoài: Trong cảm biến bên ngoài, sợi quang sử dụng để dẫn ánh sáng đến từ vị trí đặt đầu cảm biến quang Đầu cảm biến nằm bên sợi quang thường dựa thành phần quang học thu nhỏ thiết kế để điều chỉnh đặc tính ánh sáng để đáp ứng với thay đổi mơi trường Trong cấu hình này, sợi quang truyền lượng quang đến đầu cảm biến, sau ánh sáng điều chế cách thích hợp ghép nối trở lại thơng qua sợi quang thứ hai dẫn đến dò quang học Dựa vào nguyên tắc hoạt động a Cảm biến sợi quang dựa vào cường độ: Cảm biến loại dựa vào mát ánh sáng truyền qua sợi quang đo máy dị thích hợp Tùy thuộc vào chế thay đổi cường độ tín hiệu mà có nhiều loại cấu hình cho cảm biến Do cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, tính linh hoạt, độ bền không sử dụng thành phần sợi quang chuyên dụng ngoại trừ nguồn quang ổn định, phận cảm biến xử lí tín hiêu hợp lí Tuy nhiên, nhược điểm sai số xảy phép đo tương đói thay đổi cường độ nguồn sáng Page | Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng b Cảm biến sợi quang dựa vào pha Trong loại cảm biến này, nguyên tắc dựa việc so sánh pha ánh sáng sợi dây cảm biến với tham chiếu Các cảm biến sử dụng nguồn sáng kết hợp với hai sợi đơn mode Ánh sáng tách sau tiêm vào sợi tham chiếu cảm biến Pha quang học có độ nhạy cao với nhiễu mơi trường ánh sáng sợi cảm biến tiếp xúc với thay đổi, chuyển pha xảy chúng sau thực băng giao thoa kế Các giao thoa kế thường sử dụng phổ biến là: Giao thoa kế Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot, Aagnac, phân cực cách tử Kỹ thuật điều chế pha dựa cảm biến quang xác nhiều so với điều chế cường độ c Cảm biến sợi quang dựa vào tần số Cảm biến quang học điều chế tần số (Bước sóng) phụ thuộc vào thay đổi tần số ánh sáng để phát Các cấu hình khác tồn cho cảm biến cảm biến huỳnh quang, cảm biến cách tử Bragg,… Cảm biến huỳnh quang sử dụng rộng rãi cho ứng dụng y tế, cảm biến hóa học vật lí Trong cảm biến quang Bragg, cách tử làm cho ánh sáng hoạt động theo cách định phụ thuộc vào tính tuần hoàn cách tử Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng d Cảm biến sợi quang dựa vào phân cực Hướng phần điện trường trường ánh sáng xác định trạng thái phân cực trường ánh sáng Phân cực tuyến tính, hình elip hình trịn dạng trạng thái phân cực khác ánh sáng Chiết suất sợi quang thay đổi tiếp xúc với ứng suất biến dạng ảnh hưởng gọi hiệu ứng quang đàn hồi (Chiết suất cảm ứng) Trong nhiều trường hợp thay đổi chiết suất khác hướng khác dãn đến việc gây lệch pha khác Dưới can nhiễu mơi trường bên ngồi sợi quang hoạt động giống làm chậm tuyến tính Do cách phát thay đổi trạng thái phân cực đầu cảm nhận nhiễu bên ngồi I CẢM BIẾN SỢI BRAGG GRATINGS Giới thiệu cảm biến cách tử sợi Bragg (FBG): Được sử dụng rộng rãi ngành viến thơng để phân chia bước sóng dày đặt, bù tán sắt, ổn định laze làm phẳng độ lợi khuếch đại Erbium FBG sử dụng cho nhiều ứng dụng cảm biến bao gồm giám sát cơng trình dân dụng (đường cao tốc, cầu, tịa nhà, đập,…); viễn thám (giếng dầu, cáp điện, đường ống, trạm vũ trụ,…); cấu trúc thông minh (cánh máy bay, vỏ tàu, tòa nhà,…), cảm biến căng thẳng, áp suất nhiệt độ truyền thống Ưu điểm FBG: Có thể thực chuyển đổi trực tiếp thơng số cảm biến thành bước sóng quang học, khơng phụ thuộc vào mức ánh sáng, đầu nối suy hao sợi quang, FBG khác bước sóng khác Ưu điểm FBG so với đồng hồ đo biến dạng điện trở: Hoàn toàn thụ động ( khơng có điện trở nóng); kích thước nhỏ ( Có thể nhúng nhiều lớp); băng thơng hẹp với dải hoạt động bước sóng rộng ( ghép nhiều tần); không dẫn điện ( miễn nhiễm với nhiễu điện từ); ổn định so với môi trường ( thủy tinh so với đồng); suy hao sợi quang thấp bước sóng 1550 nm (đối với viễn thám); có tiềm chi phí thấp tính đơn giản thiết bị việc sử dụng dịch vụ viễn thông với khối lượng lớn Page | 10 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Nguyên lí hoạt động cảm biến sợi cách tử Bragg bên trong; Cách tử sợi Bragg sợi quang lọc (phản xạ) phụ thuộc vào bước sóng hình thành băng cách đưa vào cấu trúc chiết suất tuần hoàn bên lõi sợi quang Bất chùm ánh sáng phổ rọng tác động vào cách tử, có phần lượng truyền qua phần khác bị phản xạ lại Tín hiệu ánh sáng phản xạ lại hẹp tập trung bước sóng Bragg tương ứng đến hai lần khoảng cách đơn vị tuần hồn Lamda Bất kì thay đổi số phương thức bước cách tử sợi quang gây biến dạng nhiệt độ dẫn đến thay đổi bước sóng Bragg Quang phổ truyền phản xạ cách tử Bragg sợi quang Độ căng đo băng cách sử dụng cảm biến FBG băng cách gắn chúng cách nhúng vào chất cần quang tâm, ưu điểm kỹ thuật tín hiệu phát đưuọc mã hóa phổ, suy hao truyền dẫn sợi quang không cần quan tâm Cách tử Bragg sợi quang có cấu hình chiết suất: Trong đó: n0: Chỉ số trung bình n1: Biên độ cách tử r: Khoảng cách dọc theo sợi quang, cho phép ánh sáng có vectơ sóng ki bị tán xạ theo hướng cho sóng nhiễu xạ vectơ kd = ki – K K = 2p/Lamda: Vecto cách tử, hướng pháp tuyến mặt phẳng cách tử, với Lamda khoảng thời gian cách tử Kỹ thuật chế tạo: a Giao thoa kế chùm tia cách: Một giao thoa kế điển hình thiết lập để chế tạo cách tử, xạ lazer UV chia thành hai chùm với số phản xạ lẻ để bảo tồn tính chẵn lẻ chùm tia Sau đó, hai chùm tia hội tụ kết hợp lại để tạo thành mơ hình rìa tương phản cao lõi sợi quang đơn mode Page | 11 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Sựu hình thành cách tử quang sát cách theo dõi phản xạ truyền dẫn nguồn băng thông rộng, phóng vào sợi quang từ đầu Sau thời gian ngắn, vết khía xuất phổ truyền qua, thể thông qua giản đồ dấu vết máy phân tích quang phổ Quá trình phơi sáng dừng lại đạt đến hệ số phản xạ mong muốn sau cách tử ủ để tránh thay đổi bước sóng nhiệt Giao thoa kế hai chùm tia cách tử Bragg b Kỹ thuật mặt nạ phần tử quang học nhiễu xạ: Chùm tia Lazer chiếu sáng sợi quang qua mặt nạ pha, mặt nạ cách tử nhị phân với mặt cắt rảnh độ sâu tối ưu hoa để nhiễu xạ hầu hết lượng tia Lazer UV tới thành bậc nhiễu xạ giảm thiểu lượng bậc bậc cao Các sơ đồ mặt na pha yêu cầu thành phần hơn, dễ dàng chỉnh thiết lập thử nghiệm nhạy cảm với rung động xung quanh Tuy nhiên kỹ thuật dựa mặt nạ pha bước sóng cụ thể cho mặt nạ pha cụ thể việc căng sợi trước phơi sáng cho phép phạm vi điều chỉnh hạn chế Kỹ thuật mặt nạ pha cách tử Bragg c Phương pháp điểm điểm: Cách tử Bragg có chiều dài ngắn chế tạo cách sử dụng kỹ thuật chế tạo điểm cách chiếu xạ xung Lazer Excimer đơn lẻ Mỗi phần tử cách tử viết cách tạo ảnh khe lõi sợi cảm quang sau sử dụng xung Lazer để chiếu sáng khe góc tới bình thường Kỹ thuật điểm linh hoạt, cho phép chế tao cách tử với nhiều độ dài, chu kỳ cách tử phản ứng quang phổ khác Sự thay đổi số quang cảm ứng xảy vùng tiêu điểm nơi cường độ ánh sáng nằm ngưỡng xác định rõ ràng, kích thước vùng xảy thay đổi chiết suất nhỏ kích thước chùm sáng hội tụ Phương pháp điểm phương pháp đơn giản, khơng cụ thể bước sóng thường xác kỹ thuật khác Page | 12 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Các ứng dụng cảm biến sợi cách tử Bragg (FBG): a Cảm biến căng thẳng: Lưới sợi Bragg thướng dùng cảm biến căng thẳng nhiệt độ, đặc biệt nơi có mơi trường khắc nghiệt Vd: EMI cao, nhiệt độ cao ăn mịn cao Có thể sử dụng cách tử Bragg để cảm nhận thông số môi trường khác phản ứng hóa học, áp suất cahs sử dụng chuyển đổi bổ sung thay sử dụng cách tử sợi quang Bragg Cảm biến căng tĩnh: Rất dễ thực với lưới sợi Bragg tính chất tự tham chiếu chúng, dễ dàng đo bước sóng trung tâm trạng thái nghỉ Dùng để đo biến dạng tĩnh dài hạn thành phần cấu trúc đó, với ưu điểm lớn lưới sợi Bragg khả trở lại để kiểm tra chúng sau khoảng thời gian lớn vài tháng chí vài năm Cảm biến căng thẳng động: Các trận động đất chấn động có tần só thấp lưới sợi Bragg gắn vào cấu trúc theo dõi rung động trận động đất Dùng để kết nối lưới sợi Bragg với cầu, tàu cơng trình bờ biển để xác định rung động chúng trình lên xuống thủy triều Một ví dụ khác việc thử nghiệm biến dạng tần số thấp phản ứng tịa nhà cao tầng với gió b Cảm biến nhiệt độ áp suất: Sử dụng lưới sợi Bragg để cảm biến nhiệt độ áp suất họa động giống cảm biến độ căng Được sử dụng để cảm biến nhiệt độ áp suất ngành cơng nghiệp khoan dầu khí, bên giếng dầu Đối với ứng dụng nhiệt độ: Thường sử dụng để kiểm tra nhiệt độ khỏi ảnh hưởng biến dạng cấu trúc kiểm tra, thấy sợi Bragg Gratting sợi tương tự cặp nhiệt điện chỗ găn vào đầu cấu trúc Có thể dùng để ghi lại nhiệt độ q trình lưu hóa bình áp lực sợi thủy tinh Tuy nhiên nhược điểm cặp nhiệt điện có truyền dọc nhiệt dọc theo cặp nhiệt điện Đối với ứng dụng áp suất: Để đo ứng dụng áp suất nên gắn sợi cách tử Bragg vào màng ngăn, sử dụng sợi chuyển đổi áp suất để áp suất môi trường truyền trục tiếp đến lõi sợi Trong ứng dụng áp suất tác động lên cách tử sợi để tạo chế độ biến dạng ba chiều c Cảm biến từ trường điện trường: Phủ Bragg Grating sợi quang lớp phủ sắt điện, cách tử Bragg sợi phủ sau đặt trường điện từ, làm cho cách tử phủ giãn co lại d Cảm biến hóa học: Có thể phủ Bragg Gratting sợi để lớp phủ tạo biến dạng bên sợi theo tỷ lệ với phản ứng hóa học Vd: Phủ cách tử Bragg Palladium, dùng để giám sát sản xuất Hydro Sợi Bragg Grating phủ loại vật liệu phản ứng khác phản ứng với hóa chất đề cập, điều đặc biệt áp dụng trường hợp tác nhân sinh học hấp thụ tác nhân sinh học lớp phủ sợi Bragg Grating làm cho lưới mở rộng Page | 13 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng tương ứng với hấp thụ tác nhân sinh học, gây thay đổi số khác xạ cách tử Bragg sợi mà sau xác định băng dụng cụ đo II CẢM BIẾN GIAO THOA KẾ FABRY - PEROT SỢI QUANG Giới thiệu cảm biến giao thoa kế Fabry - Perot (EFPI): Cảm biến giao thoa kế Fabry – Perot bên sợi quang (EFPI) trọng tâm mà nhà nghiên cứu tập trung suốt nhiều năm qua Cảm biến có độ nhạy cao với nhiệt độ, rung động học, sóng âm từ trường Giao thoa kế tạo cách sử dụng giao diện thủy tinh khơng khí đầu sợi quang làm phản xạ Cảm biến sợi quang EFPI sử dụng sợi Sapphire để làm thành phần cảm biến nhiệt độ cao có thẻ chịu nhiệt cao 1000 độ C, cịn nhiệt độ sợi Silica bắt đầu mềm nên ứng dụng cảm biến nhiệt độ cao Trong cảm biến này, bạch kim có điểm nóng chảy cao tích ụ vào đầu sợi qaung để đóng vai trị tản nhiệt thân đen Thơng tin nhiệt độ đo trích xuất cách lấy tỉ số hai bước sóng lựa chọn cụ thể vật đen phát Cảm biến Fabry – Perot nội dựa sợi Sapphire đo nhiệt độ 1000 độ C, nhược điểm sử dụng sợi Sapphire làm Fabry – Perot hiệu suất cảm biến nhạy cảm với nhiễu pha nguồn, loại bỏ cách sử dụng khoảng tạo khe không khí có chiều dài ngắn Ngun lí hoạt động cảm biến sợi quang EFPI bên ngoài: Sơ đồ cấu hình cảm biến EFPI cho thấy ánh sáng từ tia Lazer lan truyền dọc theo sợi dẫn chế độ đến khoang Fabry – Perot tạo thành sợi đầu vào (đầu ra) sợi đích Một phần ánh sáng (khoảng 4%) phản xạ mặt cuối đầu sợi đầu vào (đầu ra) quay trở lại trực tiếp xuống sợi quang Ánh sáng truyền khỏi sợi quang đầu vào (đầu ra) chiếu vào mặt cuối sợi quang sợi quang đích, ánh sáng phản xạ từ sợi đích ghép lại phần vào sợi đầu vào (đầu ra) Sự giao thoa hai phản xạ làm phát sinh vân giao thoa Page | 14 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Các khía cạnh cảm biến giao thoa kế Fabry - Perot sợi bên ngồi Dịng tín hiệu diot quang phát hiển thị tỷ lệ với độ lệch pha hai trường quang phản xạ Giả sử phát sóng phẳng, mạch lạc đầu cảm biến, sóng biểu diễn dạng biên độ phức tạp Ui (x, z, t): Trong đó: Ai hàm tọa độ ngang x khoảng cách di chuyển z số i = 1,2,… đại diện cho tham chiếu phản xạ cảm nhận, tườn ứng Giả sử phản xạ tham chiếu A1 = A, hệ số phản xạ cảm nhận A2 tính gần đúng: Trong đó: a: Bán kính lõi sợi quang t: Hệ số truyền mặt phân cách thủy tinh khơng khí (0.98) s: Điểm cuối phân tách NA: Khẩu độ số sợi quang đơn mode Cường độ quan sát máy dò chồng chất hai biên độ:  Qua hệ tổn thất đơn giản hóa cơng thức để hiểu hoạt động cảm biến EFBI Khi ta theo dõi thời gian thực thay đổi pha viền đầu mang lại thông tin khoảng cách khe hở khơng khí mặt cuối hai sợi đầu cảm biến Do độ nhạy cao pha rìa khe hở khơng khí hình dạng cảm biến EFBI biến thể hấp dẫn phép đo nhiều đại lượng đo liên quan đến chuyển vị vi mô Các ứng dụng cảm biến giao thoa kế Fabry – Perot (EFPI): Cảm biến giao thoa kế EFBI cung cấp độ nhạy cao, dải rung động lớn, phản ứng nhanh để đo áp suất, nhiệt độ, biến dạng, dịch chuyển, từ trường, tốc độ dòng chảy,… Cảm biến giao thoa kế sử dụng làm cảm biến nhúng vật liệu EFBI phát tiếng nổ âm bẻ gãy đầu bút chì bề mặt mẫu nhôm EFBI cảm biến áp suất Và cịn dùng để đo độ ẩm, dịch chuyển, từ trường Các cảm biến EFBI thích hợp để triển khai cảm biến ghép kênh ghép kênh phân chia theo không gian, theo thời gian, theo tần số ghép kênh mạch lạc Page | 15 Báo Cáo Chun Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG I CÁC ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG TRONG CÁC LĨNH VỰC            II Đo đặc tính vật lí biến dạng, độ dịch chuyển, nhiệt độ, áp suất, vận tốc gia tốc cấu trúc có hình dnagj kích thước Giám sát sức khỏe vật lí cấu trúc thực tế thời gian Tòa nhà cầu: Giám sát bê tơng (q trình ninh kết), theo dõi vết nứt (chiều dài, tốc độ lan truyền), đo dịch chuyển không gian, theo dõi biến dạng dài hạn,… Đường hầm: máy đo độ giãn dài quang học đa điểm, giám sát hôi tụ, đánh giá bê tông phun/ hầm đúc sẵn giám sát phát hư hòng mối nối Đập: Giám sát móng , giám sát mở rộng mối nối, đo dịch chuyển, khơng gian, giám sát rị rỉ giám sát nhiệt độ phân tán Kết cấu di sản: Giám sát chuyển vị, phân tích vết nứt, đánh giá thiệt hại sau địa chấn, giám sát phục hồi tương tác cũ Địa đạo: Máy đo độ mở rộng quang học đa điểm, giám sát hội tu, đánh giá hầm đúc sẵn giám sát phát hư hỏng khớp nối Các phép đo học quay, gia tốc, đo điện trường từ trường, nhiệt độ, áp suất, tuyến tính vị trí góc, biến dạng, độ ẩm, phép đo hóa học,… Cảm biến vật lí: Sử dụng để đo ràng buộc vật lí thích hợp nhiệt độ, ứng suất, … Cảm biến hóa học: Sử dụng để đo pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ,… Cảm biến sinh học (y tế): Sử dụng ion ứng dụng y tế sinh học đo lưu lượng máu, hàm lượng glucose,… ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG TRONG THỰC TẾ So với loại cảm biến thông thường, cảm biến sợi quang sử dụng nhiều lĩnh vực vật lí, hóa học, y tế sinh học, dầu khí Các phép đo khác thực với độ xác cao độ tin cậy tối ưu biến dạng, quay, dịch chuyển, nhiệt độ, áp suất, vận tốc, gia tốc, điện trường từ trường, đo pH, phân tích khí, lưu lượng máu hàm lượng glucose,… Page | 16 Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Cảm biến sợi quang để cảm nhận nhiệt độ Cảm biến sợi quang để giám sát đường dây điện Giám sát giếng dầu khí Ngồi ra, ứng dụng xây dựng dân dụng chứng minh hiệu hệ thống truyền thống, đặc biệt tòa nhà, cầu, đường hầm, đập cơng trình di sản Khả giám sát chúng làm cho phù hợp hiệu bê tơng q trình ninh kết, ứng suất trước đo chuyển vị không gian, hội tụ, phát hư hỏng; giám sát độ giãn nở mối nối, đo độ dịch chuyển không gian Giám sát đập thủy điện Giám sát độ bền, cấu trúc cầu Page | 17 Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thông – Nhóm Giám sát đường cao tốc GVHD: Nguyễn Tấn Hưng Giám sát an toàn nguy địa chất CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Trong thời gian làm báo cáo chun đề viễn thơng với giúp đỡ tận tình tuần thầy Nguyễn Tấn Hưng, báo cáo nhóm chúng em hồn thành thời gian quy đinh tìm hiểu tổng quan cơng nghệ cảm biến sợi quang (Fiber Optical Sensor), thành phần bản, nguyên lí hoạt động cảm biến, tìm hiểu hai loại cảm biến chi tiết cảm biến sợi quang cách tử Bragg Grating (FBG) cảm biến sợi quang giao thoa kế Fabry – Perot (EFPI) ứng dụng loại cảm biến sợi quang lĩnh vực công nghệ Với nhiều tiềm lớn cảm biến sợi quang nhiều lĩnh vực thuốc đời sống xã hội cảm biến sợi quang dần thay cảm biến thông thường có mặt tất lĩnh vực cơng nghệ Chính điều góp phần vào phát triển mạnh mẽ nhanh chóng lĩnh vực cơng nghệ quang dẫn đến thay đổi đáng kể ngành viễn thông Trong báo cáo nêu lên thành phần bản, nguyên lí hoạt động ứng dụng cảm biến sợi quang, nhóm chúng em có tìm hiểu riêng hai cảm biến cảm biến sợi quang cách tử Bragg Grating (Cảm biến sợi quang dựa vào bước sóng bên trong) cảm biến sợi quang giao thoa kế Fabry – Perot ( Cảm biến sợi quang dựa vào pha bên ngoài) Với phát triển lớn mạnh khoa học kĩ thuật, công nghệ sợi quang không cịn xa lạ người, dần trở thành cơng cụ hữu ích thay cho công nghệ truyền thống trước từ nâng cao chất lượng sống Do tìm hiểu thơng tin tổng quan cảm biến sợi quang giúp có nhìn bao qt công nghệ sợi quang tất lĩnh vực công nghệ tương lai Page | 18 ... SỢI QUANG Khái niệm cảm biến sợi quang: Cảm biến sợi quang thiết bị cảm biến sử dụng cơng nghệ sợi quang để đại lượng vật lí nhiệt độ, áp suất, gia tốc, điện áp, … Cảm biến sợi quang dùng sợi quang. .. 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SỢI QUANG CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thông – Nhóm GVHD:... đầu cuối cảm biến sợi quang cao Page | Báo Cáo Chuyên Đề Viễn Thơng – Nhóm GVHD: Nguyễn Tấn Hưng CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG I PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG Dựa vào vị trí