ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG

ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG Hình 1: Trong một hệ cảm biến cáp quang, bộ phát và bộ thu đặt trong cùng một khoang.. Cáp quang nối với bộ khuếch đại cho phép cảm biến tiếp cận các khu vực

ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG

Hình 1: Trong một hệ cảm biến cáp quang, bộ phát và bộ thu đặt trong cùng một khoang Cáp quang nối với bộ khuếch đại cho phép cảm biến tiếp cận các khu vực mà cảm biến quang điện bình thường không thể tới

Hệ cảm biến là một hệ thống gồm một đường cáp quang nối với một cảm biến hoặc một bộ khuếch đại

Cảm biến phát, thu, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành một tín hiệu điện

Cáp quang đóng vai trò phương tiện vận chuyển ánh sáng ra và vào các khu vực hẹp hoặc chịu điều kiện khắc nghiệt

Cáp quang gồm một lõi bằng nhựa hoặc kính được bọc bằng một lớp vải

dày ~ 50 µm

Hình 2

Cáp quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ nội bộ toàn phần :

Hình 3

mặt phẳng liên hệ với nhau bởi công thức :

sin = sin

> Arcsin [ ] =

Với điều kiện như vậy ,trong cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và được truyền đi bằng sóng phản xạ liên tục nối tiếp nhau

Hình 4

Hình 5

Vật liệu dùng để chế tạo cáp quang gồm :

Sợi cáp quang có thể làm bằng thủy tinh hoặc bằng nhựa

Sợi quang thủy tinh có cấu tạo bởi các bó sợi thủy tinh có đường kính khoảng 0.051 mm được bọc trong một lớp PVC hoặc thép

không rỉ mềm

Thủy tinh chịu ăn mòm, có thể làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao hoặc ăn mòn

Các bó sợi thủy tinh có thể chịu nhiệt độ 450ºF, loại đặc biệt có thể chịu tới 1200ºF

Tuy nhiên sợi thủy tinh chỉ chịu được độ uốn nhất định, không thể bẻ ngoặt , kéo dãn hoặc chịu độ rung lớn nếu nhiều sợi bị đứt gãy có thể làm ảnh hưởng tới khả năng truyền tín hiệu của cáp

Hình 6

Gồm một sợi duy nhất có đường kính 0.254 ÷ 1.52 mm

Sợi nhựa mềm và đặc biệt thích hợp cho các cho các ứng dụng yêu cầu độ mềm dẻo lớn để vượt qua các chỗ hẹp

Hãng Omron và một số nhà sản xuất khác đã phát triển loại sợi nhựa siêu bền nhiều lõi linh hoạt Khác với loại nhựa truyền thống, chúng

có nhiều lõi độc lập, có độ mềm gần bằng với dây điện , có thể bẻ gập 90º mà không làm giảm độ truyền sáng

Sợi quang thông thường : Chỉ sử dụng một lõi và một phần lớp vỏ Gập sợi quang có thể bị gẫy hoặc giảm cường

độ ánh sáng



Sợi quang linh hoạt : Có chứa nhiều lõi độc lập tất cả được bao bọc bởi lớp vỏ Sợi quang có thể bị gập lại vuông góc mà

không gẫy hoặc làm giảm cường độ ánh sáng Nhiều sợi quang linh hoạt cho việc lắp đặt dễ dàng mà không mất cường độ ánh sáng,

sử dụng như các loại cáp khác

Khi được bảo vệ bằng một lớp Teflon* , nylon hoặc poly – propylen, sợi quang nhựa có khả năng chịu khắc nghiệt gần như sợi thủy tinh

Mức độ giảm năng lượng ánh sáng trên đường truyền cáp quang chịu ảnh hưởng của 3 yếu tố :

- Vật liệu sợi cáp

Sợi thủy tinh ổn định với mọi bước sóng

Sợi nhựa có xu hướng hấp thụ ánh sánh từ các LED hồng ngoại Các LED phát ra ánh sáng nhìn thấy như ánh sáng đỏ ít bị giảm năng lượng khi truyền qua cáp quang bằng nhựa nên được sử dụng rộng rãi hơn

* Teflon : là nhãn hiệu đã được đăng ký của Công ty Dupont và Công ty hoá chất Dupont Mitsui cho vật liệu Fluoride resin, có khả năng chống lại môi trường hóa chất và khắc nghiệt

Các chế độ cảm biến và cấu hình :

Do các hệ cảm biến cáp quang dựa trên công nghệ cảm biến quang điện nên chúng cho phép mọi chế độ cảm biến quang điện ( phản

xạ khuếch tán ,xuyên qua, phản xạ ngược )

Hai loại cấu hình cảm biến sợi quang là riêng rẽ hoặc hai nhánh :

với bộ phát của cảm biến ở xa, dùng để dẫn hướng ánh sáng tới vị trí cảm nhận Cáp còn lại nối với bộ thu của cảm biến và dùng để dẫn hướng ánh sáng từ vị trí cảm nhận ngược về cảm biến Các cáp phát và cáp phát hiện đặt đối diện nhau.Tín hiệu cảm biến được thu nhận khi ánh sáng truyền từ cáp phát về cáp thu bị gián đoạn Cấu hình cảm biến hai nhánh được dùng cho cả chế độ cảm biến phản xạ khuếch tán và phản xạ ngược

phát và cáp thu thành một các sợi cáp thu và phát được xếp đặt song song theo chiều dài cáp ( xem hình 7 )và được xoắn ngẫu nhiên tại điểm cảm biến Khi một vật thể đặt trước đầu cảm biến, ánh sáng

từ cáp phát phản xạ vật thể ngược về cáp thu và phát hiện được vật thể

Hình 7

Những lợi ích và ứng dụng của sợi quang :

Ứng dụng quan trọng nhất của cáp quang là truyền thông tin.Truyền thông tin dưới dạng tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu điện từ ký sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạch điện nguồn và máy thu.Trong những ứng dụng này thông tin được truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa các xung ánh sáng , đôi khi còn sử dụng cách biến điệu biên độ hoặc tần số của ánh sáng

Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phương pháp quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong các môi trường độc hại Sử dụng cáp quang có thể dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện bình thường ánh sáng không thể chiếu tới được Trong một số trường hợp tín hiệu quang ( phát sinh bằng cách biến điệ ánh sáng ) dưới tác động của một đại lượng vật lý làm thay đổi tính chất quang của cáp quang và do đó thay đổi điều kiện lan truyền sóng Như vậy cáp quang đóng vai trò cảm biến để chuyển sự thay đổi của đại lượng vật lý cần đo thành tín hiệu

quang

Cáp quang đóng vai trò thành phần cơ khí, thụ động trong một hệ cảm biến cáp quang, nó không có bộ phận chuyển dời hay mạch điện nên hoàn toàn miễn dịch với tất cả các nhiễu điện Đặc tính này giúp cách ly

các bộ phận điện tử của hệ cảm biến (trong trường hợp này là cảm biến từ xa) với các nguồn nhiễu điện biết trước

Ngoài ra còn không có nguy cơ phát sinh tia lửa điện, cho phép cảm biến hoạt động an toàn ngay cả trong điều kiện nguy cơ cao như trong nhà máy lọc dầu, chế biến hóa chất, dược phẩm, hầm mỏ

Những tiến bộ gần đây :

Các ứng dụng tự động hóa công nghiệp phức tạp cần có các hệ thống cảm biến tinh vi, kích thước nhỏ Các nhà sản xuất như Omron, Keyence, Banner Engineering và SUNX Sensors đã bắt đầu cho ra những loại cảm biến cáp quang thế hệ mới có bộ LED hiển thị số rất dễ đọc Các giá trị số và phần trăm cho phép người dùng theo dõi và thiết lập chính xác cấu hình cho ứng dụng, giúp phát hiện độ sai lệch vị trí nhỏ nhất hoặc lớp bám trên đầu cáp khi bắt đầu làm giảm hiệu quả cảm biến

Một số cảm biến mới cần ít dây nối hơn Thí dụ như E3X-DAN của Omron cho phép nối 16 cảm biến và dùng chung một đường điện Một đầu nối chủ từ cảm biến chủ cấp điện tới các cảm biến khách

Các cảm biến cáp quang hai đầu ra kết hợp hai cảm biến trong một hệ thống Một số mô hình cho hai đầu ra số độc lập hoặc một đầu ra

số hoặc analog chung Một số loại còn có chức năng khóa đề phòng thay đổi cấu hình cài đặt do vô ý

Hầu hết các loại cảm biến cáp quang thế hệ mới tích hợp một CPU 12-bit hoặc 16-bit và một bộ chuyển đổi A/D 12-bit cho độ phân giải cao và thời gian phản hồi nhanh, trong một số trường hợp có thể nhanh tới 20 µs Một số loại còn có điều khiển từ xa :

Một số hình ảnh của cảm biến sợi quang hiện nay :

_

_ C c à k oa ọc Mỹ uyê bố rằ ọ vừa x c đị được ộ loạ bọ

b ể số dư đ y b ể sâu có ể sả s sợ ỏ ro suố Loạ sợ ự ê ày có k ả ă ruyề s ố ơ c qua ro

v ễ ô oà ra, ó cò ề dẻo ơ c qua - loạ sợ dễ ãy k bị

bẻ co qu ức

Joa a A ze ber , ườ ụ r c cuộc ê cứu ạ Tru â í

Bell, ó "Loạ sợ s ọc ự ê ày có ể đe ắ à ú

à vẫ k ô ãy - đ ều ày ậ là kz d u"

V c ê ỹ ều "Lẵ oa Ve us", ố bọ b ể ro suố ày sử

dụ vậ l u ự ê để sả s ra sợ ề dẻo ở độ ấ C í

đ ều đó c o é c c à k oa ọc y vọ â bả được sợ ự ê

H ay, ọ ươ sả xuấ sợ qua đều đò ỏ sử dụ

độ cao k ế c o sợ bị dò , dễ ãy

T eo A ze ber , ố bọ b ể ày cò có ể bổ su a r vào sợ , là

ă k ả ă ruyề dẫ s - đ ều k ô ể ực được đố v

sợ qua đò ỏ độ cao Bà ó "Mộ ro c ức đố

v cô là đưa ụ a vào cấu rúc uỷ ằ cả uộc

í qua ọc ếu c ú a b ế được c í x c ả là ế ào để đưa

a r vào sợ qua ở độ ấ ư sợ ê ê ì c ú a có ể

k ể so ấ cả ọ uộc í của qua ọc"

G ố bọ b ể ày s rưở ạ vù ư c sâu đ Cao k oả 45

cm, bộ k u ì lư ức ạ , cấu ạo ừ ợ c ấ s l c của ó, ườ được loà ô lấy là ơ rú ụ Ở dư ốc, c c sợ ro suố ạo à

ì vươ c ặ bọ b ể v đ y b ể Loạ sợ ày ườ dà ừ

5 đế 17 c , ỗ sợ có kíc ư c bằ sợ óc ườ

ê cứu ó rê là ộ ro k ấ uộc lĩ vực

ỏ s ọc Đây là ỗ lực ằ ì ểu cơ c ế của ố s ọc

và dụ c c uyê ắc của ó vào cô Mặc dù k ô rực ế

a a ư Ger R c o d, à óa ọc và k oa ọc vậ c ấ uộc Đạ

ọc Ore o , vẫ rấ qua â đế cuộc ê cứu ày Bà ó "Đây là ộ

ví dụ uy vờ về sự uy vờ của ê ê k ế kế và xây dự ê

ố ức ạ C ú a có ể vẽ ra ấy và ĩ c c đ ều

k ể ó, ư so v ê ê ì c ú a vẫ cò đa ở ờ kz đồ

đ "

Ra dy Koc evar, à s ọc b ể uộc Tru â T uỷ s Mo erey ở Cal for a c o rằ à ỏ s ọc đã ực ộ cuộc " ă dò

s ọc" dư đ y b ể Ô ó " ườ là v c ro cô

, y dược oặc cô s ọc oả ra oà và ì k ế c c ợ

c ấ đ c ú { dư đ y b ể sâu Ở đấy có ều uồ lợ lạ cò

c ưa được k a c."

Tro ă ầ đây, ườ a đã k ra loạ e zy e lấy ừ v

k uẩ là a ỡ ro ư c lạ để cả ế c ấ lượ bộ ặ ; ro e

s ở loà sứa c o é b c sĩ ẫu uậ c ếu s và cắ bỏ ế bào

u ư; và ộ loạ e zy e k c lấy ừ v k uẩ số ầ c c ố u

uỷ dư đ y b ể có ể ú â cao c ấ lượ ử AD

Koc evar ó rằ rư c k ế à cuộc ê cứu về bọ b ể ,

A ze ber đã k ra rê l vỏ của ộ loà sao b ể có ều ấu

kí í o là " ắ " c u , ợ { c o kỹ sư về ẫu y cả b ế và

ố ư dẫ Ô ó "T ậ là k ô ể ổ C ú ô qua s

vậ k ô được xế vào loà có ị c và ì ấy c c uộc í qua ọc uy vờ ay ro cơ ể c ú "

_ Mộ ó c c kỹ sư Mỹ vừa ra c c c ế ạo sợ c qua rỗ cỡ a o é ( ầ r u l é ), có ể ruyề s v ốc độ cực a ú ơ vào ộ du dịc để ạo vỏ bọc, và u ó

ro lò ằ đố c y lõ ơ, để lạ ộ l vỏ bọc rỗ ì ố

Quy rì đơ ả ày do Yus a Ya và ộ ó kỹ sư ạ Đạ ọc

Cal for a ở R vers de (Mỹ) s c ế, ươ ự ư v c là ế , bằ c c

ú ộ sợ bấc vào du dịc s

Trư c ê , ó ê cứu lấy đoạ ơ dà k oả 1 c của loà

e la ada ascar e s s ạ Mada ascar, ắ c c đầu vào ộ ả bìa cứ , rồ ú ều lầ vào du dịc e rae yl or os l ca e T ế

đó, ọ để k ô ự ê sợ ơ đã được “bọc o” ày, rồ đe u

đế 420 độ C ằ đố c y lõ ơ bê ro , cò rơ lạ l vỏ bọc

ì ố Tro lò u , l o bọc ày co ó lạ ấ 5 lầ , ạo à

ố s l c rỗ có đườ kí c ỉ ộ cro é (bằ ộ ầ

ì l é )

C c à k oa ọc dự k ế sẽ là ạo ra cấu rúc ì ố ỏ ơ

a C ẳ ạ , ọ sử dụ loạ ơ ả ấ có đườ kí c ỉ 10

a o é của loà S e ody us ac f cus, â bố ở Tru Đô và

a Á Cộ v độ co rú ro lò u , ó k oa ọc y vọ sẽ ạo ra

ố rỗ có đườ kí c ỉ k oả 2 a o é V c c ươ ruyề ố ay, ườ a c ỉ có ể ạo ra ố có đườ

kí ố ểu là 25 a o é

oà ứ dụ ro lĩ vực ruyề dẫ s , ố rỗ là ừ cố ơ

cũ có ể được sử dụ để â cao độ â ả của kí ể v qua ọc, oặc là à ố ú cỡ a o ro c c ế bị cả b ế , có

ể ú được đơ â ử óa c ấ ào đó C o ay, ườ a

vẫ ườ dù ố a o carbo để c ế ạo c c se sor, ư c ú bị

ạ về cấu rúc, ì d và kíc cỡ Tro k đó, c c ố rỗ là ừ

cố ơ có ể có kế cấu ùy {

_ V da bậc ầy về s , Hộ đồ k oa ọc oà a

T ụy Đ ể đã quyế đị rao ả obel Vậ l{ 2009 v ộ ửa uộc về

o sư ốc Hoa C arles K Kao, P ò í v ễ ô S a dard, Harlow, A , về à ựu độ l ê qua đế ruyề dẫ s qua

sợ qua ; và ộ ửa uộc về a à k oa ọc Mỹ W llard S Boyle và Geor e E S c o s c ế về ạc b dẫ ì ả h – cả b ế CCD

Ha à k oa ọc Mỹ W llard S Boyle và Geor e E S

Tro ô c o của ì , Hộ đồ c o b ế a à ự k oa ọc ày đã

ú ì à ê ề ả cơ bả c o c c ạ xã ộ ày ay Họ đã

ạo ra bư c độ ro ứ dụ cô ực ễ và a lạ { ưở c o cô cụ ục vụ c o ê cứu k oa ọc

ă 1966, o sư C arles K Kao đã k c c ức ruyề dẫ

s qua sợ c qua V ộ sợ uầ ủy , í u s có

ể được ruyề dẫ v k oả c c ơ 100 k so v k oả c c ô

dụ 20 é ă 1960 uyế của ô đã ạo cả ứ c o

c c à ê cứu k c ế ục r ể ề ă của sợ qua Sợ qua s êu uầ c ấ đầu ê đã được c ế ạo à cô c ỉ 4 ă sau

đó, ă 1970

Ứ dụ sợ qua đã ạo ê ề ả c o ruyề ô bă ô rộ

oà cầu ư I er e ày ay Á s được ruyề dẫ ro sợ qua ỏ, a cả í u oạ , d l u eo ấ cả c c c ều ờ đó à

c , ì ả , ạc, … có ể ruyề ả k ắ ọ ơ rê ế

ro ờ a c ỉ í bằ ây

Ha à vậ l{ W llard S Boyle và Geor e E S ă 1969 đã

ra CCD (charge-coupled device), cô ì ả sử dụ cả b ế số đầu ê Cô CCD k a c u ứ đ qua eo l{ uyế của Alber E s e (cũ đoạ ả oble Vậ l{ ă 1921) T eo l{ uyế , u

ứ ày, s có ể được c uyể à í u đ Vấ đề k ế

kế ộ cả b ế ì ả là v c u ậ và đọc c c í u ày sau đó

c uyể à số lượ c c đ ể ả của ộ ì ả ro ộ k oả

ờ a rấ ắ

Cả b ế ì ả CCD

CCD được co là r của y ả số V c s c ế ra ế bị ày đã ạo

ê ộ cuộc c c c c ạ ro ế ả , k à s đã có ể

đ ử óa rê cả b ế ay vì qu rì óa ọc rê Dạ ả số

óa ày c o é qu rì xử l{ và â ố ì ả rở ê uậ

và dễ dà ơ Bê cạ đó, cô CCD cũ đã được sử dụ ro

rấ ều ứ dụ y ọc ư cô ộ so ro c ẩ đo và v

ẫu

Số ề ưở rị 10 r u Crow T ụy Đ ể (k oả 1,4 r u USD) sẽ được c a 50% c o o sư C arles K Kao và 50% c o a à vậ l{ W llard

S Boyle và Geor e E S