Được sử dụng rất phổ biến hầu như là một lựa chọn không thể thiếu trong nhiều ứng dụng kỹ thuật bao gồm dân dụng, cơ khí, điện, hàng không, vũ trụ, ô tô, hạt nhân, y tế bởi một trong số
Trang 1KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ KĨ THUẬT VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG VÀ ỨNG DỤNG.
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG 4
I GIỚI THIỆU VỀ SỢI QUANG 4
1 Khái niệm cơ bản về sợi quang: 4
2 Nguyên lí hoạt động của sợi quang: 5
3 Phân loại cáp sợi quang: 5
II GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG 6
1 Khái niệm về cảm biến sợi quang: 6
2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến sợi quang: 6
3 Ưu và Nhược điểm của cảm biến sợi quang: 7
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
1 Giới thiệu cảm biến cách tử sợi Bragg (FBG): 10
2 Nguyên lí hoạt động của cảm biến sợi cách tử Bragg bên trong; 11
3 Kỹ thuật chế tạo: 11
4 Các ứng dụng của cảm biến sợi cách tử Bragg (FBG): 13
II CẢM BIẾN GIAO THOA KẾ FABRY - PEROT SỢI QUANG 14
1 Giới thiệu cảm biến giao thoa kế Fabry - Perot (EFPI): 14
2 Nguyên lí hoạt động cảm biến sợi quang EFPI bên ngoài: 14
3 Các ứng dụng của 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
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Bắt nguồn từ việc phát minh ra tia Lazer vào những năm 60 của thế kỉ trước đã giúp những nhà nghiên cứu nhận ra tiềm năng lớn về khả năng truyền dữ liệu liên lạc bằng hệ thống quang học Chính vì khả năng có thể truyền một lượng dữ liệu rất lớn của hệ thống Lazer so với các hệ thống điện khác cho nên đã khuyến khích các nhà nghiên cứu nghiên cứu khả năng của sợi quang để truyền dữ liệu, cảm biến và những ứng dụng khác Sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng trong công nghệ cáp quang đã dẫn đến sự thay đổi đáng kế trong nghành viễn thông Và rồi với sự kết hợp giữa công nghệ viễn thông cáp quang với các thiết bị điện tử đã tạo
ra cảm biến sợi quang Với những cải tiến không ngừng, công nghệ cảm biến sợi quang đã bắt đầu được các công nghệ liên quang đến quang học và cáp quang sử dụng một cách có hiệu quả
Với sự tiến bộ trong hệ thông thông tin liên lạc thông qua việc sử dụng sợi quang, nhu cầu lớn về đo lường và cảm nhận tốc độ truyền dữ liệu, sự thay đổi về pha, cường độ và bước sóng, trong các trường hợp điều kiện môi trường không ổn định, ô nhiễm tiếng ồn, độ rung Chính là những lí do mà cảm biến sợi quang ra đời và đang dần được thay thế các cảm biến thông thường trước đây bởi những tính năng vượt trội của nó Được sử dụng rất phổ biến hầu như là một lựa chọn không thể thiếu trong nhiều ứng dụng kỹ thuật bao gồm dân dụng, cơ khí, điện, hàng không, vũ trụ, ô tô, hạt nhân, y tế bởi một trong số lí đặc biệt trong rất nhiều ưu điểm của cảm biến sợi quang: Suy hao thấp, băng thông cao, khả năng miễn nhiễm nhiễu EMI, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, an toàn , chi phí tương đối thấp,… Cho đến nay, cảm biến sợi quang
đã được sử dụng rộng rãi để giám sát một loạt các thông số môi trường như vị trí, độ rung, biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm, độ nhớt, hóa chất, áp suất, dòng điện, điện trường và một số yếu tố môi trường khác
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ GỒM 4 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
Trang 4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG
1 Khái niệm cơ bản về sợi quang:
Sợi quang học (Optical Fiber/Cable) là một ống dẫn sóng quang học có dạng dây tóc,
thường được làm bằng sợi thủy tinh (nhựa) có thể truyền ánh sáng đi qua chính nó bằng cách giới hạn nó trong các vùng có chỉ số khúc xạ quang học khác nhau Sợi quang chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống thông tin quan, cảm biến sợi quang, liên kết radar, chỉ huy, điều khiển
và đo từ xa trong các ứng dụng của nghành công nghiệp, khoa học nghiên cứu, y học, …
Cáp sợi quang thường được cấu tạo: Sợi quang (Fiber), lớp bảo vệ (Coating), lớp ống đệm bảo vệ (Buffer), lớp chịu lực (Strength members) và lớp vỏ ngoài bảo vệ (Jacket).
Sợi quang (Fiber) : Bao gồm 2 thành phần là lõi (Core) và lớp phản xạ (Cladding).
Lõi là thanh hình trụ được làm từ vật liệu điện môi, thường được làm bằng sợi
thủy tinh (Glass) hoặc nhựa (Plastic) dùng để lan truyền ánh sáng
Lớp phản xạ có cấu tạo tương tự như lõi, nhưng có chiết xuất nhỏ hơn và bao bọc xung quanh lõi giúp ánh sáng phản xạ trở lại lõi
Lớp bảo vệ (Coating): Thường được làm bằng nhựa để bảo vệ sợi quang tránh bị trầy xước, dùng để giám sát ánh sáng từ lõi vào không khí xung quanh, giảm tốn thất tán xạ trên bề mặt lõi, bảo vệ sợi quang khỏi hấp thụ các chất gây ô nhiễm bề mặt và tăng thêm độ bền cơ học
Lớp ống đệm bảo vệ (Buffer): Thường được chia làm 2 loại
Loại ống đệm chặt (Tight buffer): Làm bằng nhựa dẻo, ít bi tác động của nhiệt độ,
có độ uốn cong tốt
Loại ống đệm không chặt (Loose buffer) : Làm bằng ống nhựa có đường kính lớn hơn đường kính sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên trong giúp cho sợi quang co giãn tự nhiên khi nhiệt độ môi trường thay đổi Bên trong ống đệm còn có một lớp chất nhờn để ngăn ẩm, chống cháy và giúp làm sạch sơi quang dễ dàng
Trang 5 Lớp vỏ ngoài bảo vệ (Jacket): Là lớp ngoài cùng nhất để bảo vệ sợi quang khỏi các hư hỏng vật lí do môi trường bên ngoài tác động vào, bộ phận này được tạo từ chất liệu nhựa bởi vì tính chống mài mòn, đàn hồi, chịu nhiệt của chất liệu nhựa
2 Nguyên lí hoạt động của sợi quang:
Nguyên lí hoạt động của sợi quang: Dựa trên nguyên tắc phản xạ toàn phần (TIR - Total
Internal Reflection) Góc mà phản xạ toàn phần bên trong sợi quang gọi là góc tới han, ở bất kì
góc tới nào mà lớn hơn góc tới hạn thì ánh sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường thủy tinh Các tia sáng có thể được sử dụng để truyền một lượng dữ liệu khổng lồ nhờ đường truyền cáp quang, các dây cáp quang được thiết kế sao cho chúng có thể uốn cong tất cả tia sáng vào
bên trong (dựa vào TIR) Cho dù tín hiệu ánh sáng có khả năng bị suy giảm bởi khoảng cách
nhưng nó vẫn truyền tín hiệu tốt hơn so với cáp kim loại thông thường
3 Phân loại cáp sợi quang:
Cáp sợi quang được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên chỉ số khúc xạ, vật liệu sử dụng và phương thức truyền ánh sáng
Phân loại dựa trên chỉ số khúc xạ:
Step Index: Bao gồm một lõi bao quanh bởi lớp bọc có chỉ số nhất định, dùng cho
khoảng cách ngắn, phổ biến các đèn soi trong
Graded Index: Chỉ số khúc xạ của sợi quang giảm khi khoảng cách xuyên tâm từ trục
sợi tăng, thường dùng trong các mạng LAN
Phân loại dựa trên các vật liệu sử dụng:
Sợi quang nhựa: Polymethyl Methacrylate là chất liệu cốt lõi để truyền ánh sáng.
Sợi thủy tinh: Bao gồm các sợi thủy tinh cực kỳ mịn.
Phân loại dựa trên chế độ truyền ánh sáng:
Single Mode: Những sợi này được sử dụng để truyền tín hiệu đường dài.
Multimode: Các sợi này được sử dụng để truyền tín hiệu khoảng cách ngắn.
Trang 6II GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SỢI QUANG
1 Khái niệm về cảm biến sợi quang:
Cảm biến sợi quang là một thiết bị cảm biến sử dụng công nghệ sợi quang để có thể các đại lượng vật lí như 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 đó chuyển thành tín hiệu điện tử và tùy thuộc vào từng loại cảm biến mà nó có thể đọc được bằng một thiết bị đo tích hợp
Cảm biến sợi quang nếu so với các loại cảm biến thông thường có rất nhiều ưu điểm vượt trội như: Miễn nhiễm với nhiễu điện từ, suy hao thấp, băng thông cao, có thể hoạt động trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt, … nên cảm biến sợi quang đang dần trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghệ như: y tế, hóa học, viễn thông, các ngành công nghiệp khác
2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến sợi quang:
Cấu trúc chung của một hệ thống cảm biến sợi quang bao gồm: Nguồn (Bộ khuếch đại), phần tử cảm biến (Bộ điều chế), một máy dò quang học và xử lí điện tử Dưới đây là sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống cảm biến sợi quang
Cấu tạo của hệ thống cảm biến sợi quang:
Nguồn (Bộ khuếch đại): Bao gồm nguồn quang (Lazer, Led, Diode Lazer,…), bộ xử lí
ánh sáng hắt lại, có giao diện vận hành để thiết lập hoạt động của cảm biến và có tín hiệu đầu ra đến thiết bị xử lí khác
Phần tử cảm biến (Đầu dò): Dùng sợi quang học và các vật liệu rời được sử dụng
như một phần tử cảm biến để chuyển đổi các đại lượng đo được thành tín hiệu quang học
Máy dò quang học, bộ xử lí điện từ: Bao gồm các máy phân tích quang phổ, máy
hiện sóng, máy phân tích sóng để phân tích những cái tín hiệu, dữ liệu đầu ra
Trang 7 Nguyên lí hoạt động:
Cảm biến sợi quang sử dụng nguyên tắc hoạt động phản xạ trong toàn phần với mục đích để dẫn hướng nguồn sáng chạy dọc theo sợi quang giúp phát hiện vật thể Ánh sáng đi bên trong sợi quang di chuyển từ đầu này đến đầu kia và phản xạ với thành bên trong giúp phát hiện vật thể, việc di chuyển này mất rất ít độ sáng nên khả năng chính xác là rất cao
Cảm biến sợi quang được sử dụng để phát hiện, đếm hay định vị các bộ phận mà không cần tiếp xúc, cảm biến quang học có thể là bên trong hoặc bên ngoài Các cảm biến bên ngoài thu thập và truyền một lượng ánh sáng cần thiết, trong khi các cảm biến bên trong thường được sử dụng để đo các khúc cua và những thay đổi nhỏ khác về hướng
3 Ưu và Nhược điểm của cảm biến sợi quang:
Ưu điểm:
Dễ dàng chế tạo dưới dạng kết cấu khác nhau bởi vì ít bị nhiễu do kích thước nhỏ và dạng hình trụ của cảm biến sợi quang
Do dùng ánh sáng để truyền dẫn nên không bị ảnh hưởng bởi dòng điện, không bị
tác động bởi nhiễu điện từ (EMI), nhiễu tần số vô tuyến (RFI).
Cảm biến sợi quang có dải băng thông rộng và độ phân giải cao do dùng ánh áng để truyền dẫn tín hiệu cảm biến
Ổn định lâu dài: Không bị suy hao quang học do dịch chuyển hoặc uốn cong các sợi hoặc đầu nối
Lắp đặt đơn giản: Dễ dàng điều chỉnh độ dài của sợi quang, lắp thông qua hàn điểm, dán hoặc tích hợp toàn bộ vào các thành phần
Trọng lượng nhẹ và hình thức nhỏ gọn: Các cảm biến có thể rất nhỏ
Tính đa năng: Có thể sử dụng để thu được tất cả các đại lượng đo được như vật lí, hóa học và sinh học
An toàn bên trong: Các cảm biến phù hợp với môi trường điện áp cao, các khu vực bảo vệ ATEX, cũng như các môi trường xâm thực về mặt hóa học
Nhược điểm:
Nhiễu từ nhiều hiệu ứng khác nhau, ví dụ: Một cảm biến quang dùng để đo độ căng hoặc áp suất thì rất nhạy cảm với nhiệt độ từ bên ngoài tác động vào
Nối cáp sợi quang và các vật liệu khác: Gây khó khăn, mất nhiều công đoạn do cáp quang có nhiều lớp cho nên bắt buộc cáp phải thẳng không được gập lại
Chi phí: Chi phí hàn, nối và các thiết bị đầu cuối trong cảm biến sợi quang cao
Trang 8CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SỢI QUANG
1 Dựa vào vị trí phát hiện:
a Cảm biến bên trong:
Các cảm biến này sử dụng trực tiếp sợi
quang làm vật liệu nhạy cảm (Đầu cảm biến)
dùng để truyền tín hiệu quang với thông tin về
môi trường cần đo Chúng hoạt động thông qua
sự điều biến trực tiếp của ánh sáng được dẫn
vào sợi quang học, ánh sáng không rời khỏi sợi
quang, ngoại trừ (Đầu ra) cảm biến Các cảm
biến này có thể sử dụng cấu hình: Giao thoa kế,
Lưới sợi Bragg (FBG), Lưới sợi dài (LPFG) hoặc
các sợi đặc biệt (Sợi pha tạp).
b Cảm biến bên ngoài:
Trong cảm biến bên ngoài, sợi quang được sử
dụng để dẫn ánh sáng đến và đi từ vị trí đặt đầu
cảm biến quang Đầu cảm biến nằm bên ngoài
sợi quang và thường dựa trên các thành phần
quang học thu nhỏ được thiết kế để điều chỉnh
các đặc tính của ánh sáng để đáp ứng với những
thay đổi của môi trường Trong cấu hình này, sợi
quang truyền năng lượng quang đến đầu cảm
biến, sau đó ánh sáng này được điều chế một
cách thích hợp và được ghép nối trở lại thông
qua sợi quang thứ hai dẫn đến bộ dò quang học
2 Dựa vào nguyên tắc hoạt động
a Cảm biến sợi quang dựa vào cường độ:
Cảm biến trong loại này dựa vào sự mất mát của ánh sáng truyền qua sợi quang được đo bằng một máy dò thích hợp Tùy thuộc vào cơ chế thay đổi cường độ của tín hiệu mà có thể có nhiều loại cấu hình cho các cảm biến này Do cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp, tính linh hoạt, độ bền do không sử dụng các thành phần hoặc sợi quang chuyên dụng ngoại trừ nguồn quang ổn định, bộ phận cảm biến và xử lí tín hiêu hợp lí Tuy nhiên, nhược điểm của nó là sai số
có thể xảy ra do các phép đo tương đói và sự thay đổi cường độ của nguồn sáng
Trang 9b Cảm biến sợi quang dựa vào pha
Trong các loại cảm biến này, nguyên tắc dựa trên việc so sánh pha của ánh sáng trong sợi dây cảm biến với tham chiếu Các cảm biến này sử dụng một nguồn sáng kết hợp với hai sợi đơn mode Ánh sáng được tách ra và sau đó được tiêm vào các sợi tham chiếu và cảm biến Pha quang học có độ nhạy cao với các nhiễu của môi trường vì vậy khi ánh sáng trong các sợi cảm biến tiếp xúc với các thay đổi, sự chuyển pha xảy ra giữa chúng và sau đó được thực hiện băng
giao thoa kế Các giao thoa kế thường được sử dụng phổ biến là: Giao thoa kế Mach-Zehnder,
Michelson, Fabry-Perot, Aagnac, phân cực và cách tử Kỹ thuật điều chế pha dựa trên cảm
biến quang chính xác hơn nhiều so với điều chế cường độ
c Cảm biến sợi quang dựa vào tần số
Cảm biến quang học được điều chế tần số (Bước sóng) phụ thuộc vào sự thay đổi tần số của
ánh sáng để phát hiện Các cấu hình khác nhau tồn tại cho các cảm biến như cảm biến huỳnh
quang, cảm biến cách tử Bragg,… Cảm biến huỳnh quang được sử dụng rộng rãi cho các ứng
dụng y tế, cảm biến hóa học và vật lí Trong cảm biến quang Bragg, cách tử làm cho ánh sáng hoạt động theo một cách nhất định phụ thuộc vào tính tuần hoàn của cách tử
Trang 10d Cảm biến sợi quang dựa vào phân cực
Hướng của phần điện trường của trường ánh sáng được xác định là trạng thái phân cực của trường ánh sáng Phân cực tuyến tính, hình elip và hình tròn là các dạng trạng thái phân cực khác nhau của ánh sáng Chiết suất của sợi quang thay đổi khi tiếp xúc với ứng suất hoặc biến
dạng và ảnh hưởng này được gọi là hiệu ứng quang đàn hồi (Chiết suất cảm ứng) Trong nhiều
trường hợp thì sự thay đổi chiết suất khác nhau do các hướng khác nhau sẽ dãn đến việc gây ra
sự lệch pha khác nhau Dưới sự can nhiễu của môi trường bên ngoài thì sợi quang hoạt động giống như một bộ làm chậm tuyến tính Do đó bằng cách phát hiện sự thay đổi trong trạng thái phân cực đầu ra thì có thể cảm nhận được nhiễu bên ngoài
1 Giới thiệu cảm biến cách tử sợi Bragg (FBG):
Được sử dụng rộng rãi trong ngành viến thông để phân chia bước sóng dày đặt, bù tán sắt,
ổn định laze và làm phẳng độ lợi khuếch đại Erbium FBG còn được sử dụng cho nhiều ứng
dụng cảm biến bao gồm giám sát các công trình dân dụng (đường cao tốc, cầu, tòa nhà, đập,…); viễn thám (giếng dầu, cáp điện, đường ống, trạm vũ trụ,…); cấu trúc thông minh (cánh máy bay,
vỏ tàu, tòa nhà,…), cũng như cảm biến căng thẳng, áp suất và nhiệt độ truyền thống
Ưu điểm chính của FBG: Có thể thực hiện chuyển đổi trực tiếp thông số được cảm biến thành bước sóng quang học, không phụ thuộc vào mức ánh sáng, đầu nối hoặc suy hao sợi quang, hoặc các FBG khác ở các bước sóng khác nhau
Ưu điểm của FBG so với đồng hồ đo biến dạng là điện trở: Hoàn toàn thụ động ( không có
điện trở nóng); kích thước nhỏ ( Có thể được nhúng hoặc nhiều lớp); băng thông hẹp với dải hoạt động bước sóng rộng ( có thể được ghép nhiều tần); không dẫn điện ( miễn nhiễm với nhiễu điện từ); ổn định hơn so với môi trường ( thủy tinh so với đồng); suy hao sợi quang thấp
ở bước sóng 1550 nm (đối với viễn thám); có tiềm năng chi phí rất thấp do tính đơn giản của thiết bị và việc sử dụng dịch vụ viễn thông với khối lượng lớn
