Thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ

Một phần của tài liệu Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ (Trang 67)

Với ý tưởng điều khiển bước sóng phát xạ của laser DFB trùng với bước sóng phản xạ của cách tửBragg để xây dựng một cấu hình cảm biến mới. Chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm để thu nhận số liệu của sự phụ thuộc của bước sóng phát xạ của laser vào nhiệt độđế cũng như sự phụ thuộc của bước songs phản xạ của cách tử vào nhiệt độmôi trường. Trong phần này chúng tôi trình bày cấu hình cảm biến theo sơ đồ

trên hình 4.11

Laser DFB được gắn trên hệ thống điều khiển nhiệt độ trong vùng 10- 50oC

đồng thời nó được nối với cổng 1 của bộ Circulator. Ánh sáng phát xạ từ laser được truyền tới cổng 2, tại đây có gắn cách tửđược bọc hạt nano/Teflon đăt trên tấm Đồng bên trong của buồng điều khiển nhiệt độ trong vùng 0- 110oC. Khi ánh sáng tới thỏa mãn điều kiện phản xạ của định luật Bragg ánh sáng này sẽ được truyền tới thiết bị

biến đổi quang điện gắn trên cổng 3.

Hình 4.11. Sơ đồ cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang Laser DFB 3 2 1 Thiết bị chuyển đổi quang điện Cách tử được bọc hạt nano / Teflon Buồng điều khiển nhiệt độ Circulator Hệ thống điều khiển nhiệt độđế Dao động ký điện tử

Thiết bị biến đổi quang điện có một photodiode để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phục vụ cho quá trình xử lý tín hiệu. Bộ thu này còn có nhiệm vụ

khuếch đại và lọc tín hiệu thu được. Thiết kế mạch điện tử của thiết bị bao gồm khối nguồn sẽ tạo ra thế một chiều -5V/+5V ổn định đểđịnh thiên cho các tầng khuếch đại. Mạch nguồn này là mạch nguồn phổ dụng sử dụng một mạch cầu để chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thế xoay chiều đưa vào, các tụ nguồn được sử dụng để là phẳng thế sau chỉnh

lưu và đưa tới lối vào hai IC ổn thế âm dương 7905 và 7805. Lối ra là thế ổn định - 5V/+5V. Lối vào -5V sẽđược dùng để phân cực ngược cho photodiode trong module thu PINFET MODULE. Tín hiệu quang lối vào sẽ biến đổi thành tín hiệu điện nhờ một photodiode phân cực ngược. Sau đó tín hiệu này sẽ được khuếch đại nhờ một bộ

khuếch đại có phản hồi và điều khiển khuếch đại tự động AGC. Sau đó tín hiệu qua một bộđệm rồi ra ngoài. Sơ đồ mạch in được chỉ ra trong hình 4.13

Tín hiệu sau khuếch đại được đưa ra ngoài nối đến một kênh của dao động ký điện tửđể quan sát.

Hình 4.13. Sơ đồ mạch in của bộ thu và xử lý tín hiệu quang

Hình 4.14. Dao động ký điện tửdùng đo tín hiệu điện trên photodiode trong hệ cảm biến

Tại nhiệt độ phòng (23oC) laser DFB có bước sóng phát xạ 1550.5nm trùng với

bước sóng phản xạ của cách tử do vậy chúng tôi thu được tín hiệu điện trên photodiode

thông qua dao động ký điện tử là 2.07V. Chúng tôi thực hiện điều chỉnh nhiệt độ

buồng chứa FBG lên 30oC và dữ nguyên nhiệt độ đế laser ở nhiệt độ phòng khi đó bước sóng phản xạ của cách tử dịch về bước sóng 1551.826 nm không còn trùng với

bước sóng phát xạ của laser. Do vậy chúng tôi không thu được tín hiệu điên trên

photodiode. Tiếp theo chúng tôi giữ nguyên nhiệt độ đặt lên cách tử đồng thới tiến

hành thay đổi nhiệt độđế laser lên 25.8 oC theo đường đặc tuyến của laser đã khảo sát.

Khi đó bước sóng phát xạ của laser 1551.84 nm sấp xỉ với bước sóng phát xạ của FBG do vậy chúng tôi thu được tín hiệu trên photodiode là 2.05V. Chúng tôi tiến hành điều chỉnh nhiệt độ của FBG và nhiệt độ trên đế laser từng bước theo đường đặc tuyến đã

thu được từ 2 phần trên chúng tôi thu được tín hiệu điện lớn nhất của photodiode hiện thịtrên dao động ký điênh tử trình bày trong bảng 4.1

Nhiệt độ của hộp Bước sóng của Nhiệt độtrên đế Bước sóng phát xạ Cường độ lớn nhât

chứa FBG (oC) FBG λB (nm) laser (oC) của laser λL (nm) trên photodiode V) 0 1550.620 10.94 1550.61 2.07 10 1551.056 16.2 1551.06 2.07 20 1551.610 22.6 1551.61 2.05 30 1551.826 25.8 1551.84 2.03 40 1552.096 29.2 1552.10 2.02 50 1552.276 31.8 1552.30 1.97 60 1552.626 35.9 1552.58 1.90 70 1552.846 39.0 1552.85 1.81 80 1553.056 41.7 1553.05 1.67 90 1553.236 44.5 1553.21 1.51 100 1553.376 46.3 1553.27 1.47

Bảng 4.1 trình bày sự so sánh giữa sự dịch bước sóng của FBG trong vùng nhiệt

độ 0- 100oC và nhiệt độ của đế laser trong vùng 10-50oC với cường độ tín hiệu điện lớn nhất trên photodiode. Sai số của tín hiệu điện là ± 0.2V. Cường độ tín hiệu điện trên lớn nhất của photodiode trong khoảng 2.05 ± 0.2V khi bước sóng phát xạ từ laser

và bước sóng phản xạ của cách tử trùng nhau trong vùng nhiệt độ 0-300C và nó sẽ bị

giảm khi nhiệt độ đế laser lớn hơn 30oC. Kết quảđo của cảm biến nhiệt độ của chúng

tôi có độ chính xác ± 0.3oC. Đặc biệt là bước sóng của FBG bị dịch do tác động của

Bảng 4.1. Cường độ tín hiệu lớn nhất của Photodiode so với sự thay đổi nhiệt độ của FBG và laser diode

tác nhân vật lý của môi trường có thể đo đước thông qua đo sự thay đổi nhiệt độđế

laser mà không sử dụng máy phân tích phổ quang. Nếu chúng ta có dữ liệu nền của sự

dịch bước sóng của FBG do tác các nhân vật lý và bước sóng phát xạ của laser do thay

Kết luận

Với ý tưởng kết hợp giữa sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ của cách tử và bước sóng phát xạ của laser vào sự thay đổi nhiệt độ. Chúng tôi đã xây dựng cấu hình cảm biến đo nhiệt độ sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang mà không sử dụng đến

máy phân tích phổ quang. Chúng tôi đã tiến hành các thực nghiệm chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang; khảo sát phổ phát xạ của laser DFB và phổ phản xạ của cách tử

Bragg. Chúng tôi đã thu được: 3 cách tử Bragg ở bước sóng 1550.08nm, 1557.198nm,

1557.3nm ;độ nhạy của bước sóng phát xạ của laser vào nhiệt độ là 77,5 pm/ 0C trong vùng nhiệt độ 10-50 0C và độ nhạy của bươc sóng phản xạ của cách tử Braggđã được bọc hạt nano CdSe/Teflon vào nhiệt độ là 27,2pm/ 0C trong vùng nhiệt độ 0 -100oC . Dựa trên những kết quảđó chúng tôi thiết lập cấu hình hệ cảm biến đo nhiệt độ với sai số ± 0.3oC. Chúng tôi điều khiển nhiệt độ trên đếlaser sao cho bước sóng phát xạ của nó trùng với bước sóng phản xạ của FBG đã được bọc hạt nano CdSe/Teflon bị dịch

do tác động của các yếu tố vật lý của môi trường như nhiệt độ, đểxác định độ dịch của

bước sóng của FBG trong phạm vi vài nm. Điều đó có nghĩa các bộ cảm biến được đề

xuất có thể áp dụng đểđo lường sự thay đổi FBG bước sóng mà không cần sử dụng thiết bị phân tích phổ chi phí lớn. Chúng tôi tin rằng các cảm biến FBG mới có một tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong xây dựng dân dụng.

Lời Cảm Ơn: Đề tài được hỗ trợ kinh phí bởi nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấpcơ sở dành cho cán bộ trẻ của Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình

thực hiện đề tài có sử dụng các thiết bị của phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử.

Tài liệu tham khảo tiếng Anh

1. Dong X., Huang Y., Lang K., Zhang W., Kai G., Dong X. J.Microw,

Temperature compensation for micro-vibration sensor with fiber grating, Opt. Tech. Lett. 42 (2004) 474-476.

2. Chen Q.Y., Lu P. Atomic, Molecular and Optical Physics, Ed. by Chen L.T., Nova Sci. Publisher Inc. (2008) 235-260.

3. Francis, To So Yu Shizhuo Yin, Fiber Optics Sensor, Marcel Dekker, Inc., ISBN: 0-8247-0732-X.

4. Gianluca Gagliardi , Mario Salza, Pietro Ferraro, Edmond Chehura, Ralph P. Tatam, Tarun K. Gangopadhyay, Nicholas Ballard, Daniel Paz-Soldan, Jack A. Barnes, Hans-Peter Loock , Timothy T.-Y. Lam, Jong H. Chow and Paolo De Natale, Optical Fiber Sensing Based on Reflection Laser Spectroscopy, Sensors 2010, 10, 1823-1845.

5. Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc. 2002, ISBNs: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic).

6. Jung J., Nam H., Lee B., Byun J.O., Kim N.S.,Meltz G. and Morey W.W., Fiber Bragg grating cryogenic temperature sensors,Proc. SPIE, v.1516 (1991) 185-199.

7. Paren Saidi Reddy, Ravinuthala L.N.Sai Parasad, Kaminenin Srimannarayana, Maduvarasu Sai Shankar, Dipankar Sen Gupta, Anovol method for high temperature measurements using fiber Bragg grating sensor, Optica Appplicata, Vol.XL, No. 3, (2010).

8. Pham Van Hoi, Phan Thanh Binh, Pham Tran Tuan Anh, Ha Xuan Vinh, Chu Thi Thu Ha, Nguyen Thu Trang, Spectra profile expantion of Bragg wavelength on nano - particle embedde fiber - Bragg-grating. Sensor and Actuators A 141 (2008) 334-338.

9. Qiying Chen and Ping Lu, Fiber Bragg Grating and Their Applications as Temperature and Humidity Sensor, Nova Science Publishers, Inc., 2008, pp. 235-260, ISBN: 978-1-60456-907-0.

10.S.M.Sze, Kwok K. Ng, Physics of semiconductor devices, Third Edition, A John Wiley & Sons, JNC., Pulication, 2007, ISBN-I 3: 978-0-47 1-1 4323-9, ISBN-10: 0-471-14323-5.

11.Tao Fu, Jiuming Fanb, Chang Wang, Tongyu Liu, A novel multifunctional optical fiber sensor based on FBG and fiber optic coupler, Proc. of SPIE Vol. 6933, 693317, (2008).

Ngo Quang Minh, Bui Huy, and Pham Van Hoi. “Determination of wavelength

shift of fiber Bragg grating sensors by tunable single-mode diode laser”.

Communications in Physics, Vol.23, No.1 (2013), pp.67-73.

2. Pham Van Hoi, Bui Huy, Nguyen The Anh, Pham Thanh Son, Nguyen Thuy Van,

Hoang Thi Hong Cam, and Ngo Quang Minh, “Optical devices based on

Một phần của tài liệu Nghiên cứu cảm biến quang sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang ứng dụng đo nhiệt độ (Trang 67)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(73 trang)