Оптические датчики. Виды, принцип работы

Что такое оптические датчики?

Термин оптический датчик может означать две разные вещи:

• Существуют датчики для света, по существу, определяющие такие свойства, как оптическая мощность или интенсивность.
• Другие устройства измеряют неоптические свойства, такие как силы, смещения и наклоны, деформация, температура, химические или электрические свойства, и каким-то образом используют свет для этой цели.

  ---

Полезные статьи:

Световые датчики или освещенности

Что такое фотокамера?

Все статьи

Световые датчики

Различные свойства света могут быть рассмотрены с помощью определенных типов оптических датчиков:

• В большинстве случаев измеряется оптическая мощность или интенсивность. Для этой цели часто используется фотодиод или какой-либо другой вид фотоприемника. Иногда используется тепловой детектор, в котором оптическое излучение преобразуется в тепло и измеряется результирующее повышение температуры, обычно с помощью электронных средств. Датчики мощности или интенсивности могут быть интегрированы в измерительные приборы, такие как измерители оптической мощности и мониторы оптической мощности.
• Существуют приложения, в которых необходимо определить пространственное положение светового луча. Для таких целей существуют позиционно-чувствительные детекторы разных видов, некоторые из них с чрезвычайно высоким пространственным разрешением.
• Другие оптические датчики могут проверять дополнительные свойства световых лучей или рассеянного света, например, в отношении поляризации или оптического спектра.

Датчики, использующие свет

В этом разделе объясняются датчики, которые измеряют неоптические свойства на основе принципа измерения, который включает использование света.

Оптические датчики могут иметь существенные преимущества перед конкурирующими технологиями, например, в отношении производительности или удобства использования в экстремальных условиях.

Такие датчики конкурируют с другими сенсорными технологиями, например, основанными на чисто электронных средствах. По сравнению с ними оптические датчики часто дороже, но, тем не менее, могут быть предпочтительнее из-за определенных преимуществ. 

Например, для приложений для измерения в конкретных жестких условиях, проявляющих сложные аспекты, такие как интенсивные электрические поля, радиоволны или экстремальные температуры, может быть выгодно иметь относительно прочный и непроводящий чувствительный элемент. Такой как оптическое волокно, содержащее волоконную дифракционную решетку (Брэгга). 

Такие типы датчиков могут работать, не создавая проблем с изоляцией или взрывоопасности, требуя электроэнергии в неудобном месте или подвергаясь чрезмерному влиянию определенных помех в окружающей среде. 

Другим аспектом является иногда превосходная производительность, например, чрезвычайно высокое разрешение, с которым можно измерить механическую деформацию, особенно в случае интерферометрических датчиков.

В некоторых случаях используется оптический измерительный прибор, к которому подключен один или несколько внешних оптических датчиков. Например, можно иметь несколько или даже много волоконных брэгговских решеток, встроенных в длинное оптическое волокно, или использовать своего рода распределенное зондирование по всей длине волокна. 

Возможный принцип измерения заключается в определении местоположения по времени поступления импульсных сигналов с использованием конечной скорости света. Такая распределенная сенсорная система также может быть существенно более экономичной, чем система, основанная на длинной цепочке электронных сенсорных элементов. Они требуют множество электрических кабелей или сложной системы электронных шин.

Далее мы обсудим наиболее распространенные типы оптических датчиков (сгруппированные по измеряемым величинам), не стремясь создать что-либо близкое к полному обзору сенсорных технологий, поскольку это огромная область.

Датчики присутствия

Датчики, основанные на принципе светового барьера, часто используются для обнаружения присутствия людей или некоторых других объектов. Здесь один посылает луч света, например, лазерный луч от инфракрасного лазерного диода, через определенную область и обнаруживает прибывающий луч, который, может быть заблокирован человеком, входящим в область.

Аналогичным образом, оптические датчики могут использовать рассеянный свет или излучаемое тепловое излучение.

Оптические датчики механических величин

Волоконно-оптические датчики деформации, смещения, наклона, вращения, силы и ускорения стали довольно распространенными и могут иметь удивительные показатели производительности.

Широкий спектр оптических датчиков может использоваться для измерения и контроля механических величин, таких как силы, перемещения и наклоны (= изменения положения вращения) и деформации. Они могут быть основаны на самых разных принципах измерения. Например, изменения положения можно очень точно отслеживать с помощью различных видов интерферометров, которые могут быть реализованы либо с помощью объемной оптики, либо с помощью волоконной оптики. 

Те же принципы могут быть использованы для измерения механических сил, поскольку их можно легко преобразовать в перемещения, используя упругую деформацию некоторой механической части. 

Аналогичным образом, ускорения могут быть измерены, например, через относительное движение испытуемой массы или через силы инерции. Кроме того, существуют различные методы измерения вибраций, частично с высоким временным разрешением и чувствительностью. Для определения вращений существуют оптические гироскопы, например, на основе кольцевых лазеров, которые могут быть чрезвычайно чувствительными.

Многие из этих устройств реализованы в виде волоконно-оптических датчиков.

Часто, но не всегда с использованием волоконных брэгговских решеток. Часто такие датчики также чувствительны к изменениям температуры, но существуют различные способы разделения таких влияний; на самом деле, существует множество датчиков, которые одновременно могут измерять деформацию и температуру. 

Часто используемый метод заключается в использовании двух идентичных волоконных решеток Брэгга, где обе решетки подвергаются воздействию одинаковой температуры, но только одна из них подвергается определенной деформации. 

Датчики брэгговской решетки

Влияние деформации и температуры можно различить с помощью различных методов. Например, с помощью эталонных решеток, которые подвергаются воздействию одной и той же температуры, но не деформации, или комбинируя различные типы волоконных решеток. Так что деформация и температура получаются одновременно.

Существуют также лазерные датчики с брэгговской решеткой, в которых реализованы небольшие волоконные лазеры, состоящие из двух решеток и редкоземельного легированного волокна между ними. В качестве альтернативы, может быть один ВБР и широкополосный отражатель с другой стороны. 

При подаче света накачки такое устройство выдает сигнал с длиной волны, близкой к длине волны Брэгга. Затем можно измерить эту длину волны излучения, и, что примечательно, на нее практически невозможно повлиять даже во время распространения в довольно длинном волокне – в отличие от сигналов с амплитудным кодированием, на которые может повлиять затухание.

Датчики огня и дыма

Огонь можно обнаружить по-разному:

• Можно ощутить результирующее повышение температуры с помощью какого-либо температурного датчика
• Можно измерить генерируемое тепловое излучение (тепловое излучение, инфракрасный свет) с помощью своего рода инфракрасного детектора.
• Можно обнаружить генерируемый дым. Например, в домашних хозяйствах стало очень распространенным использование оптических устройств дымовой сигнализации, которые обнаруживают рассеяние света, генерируемого небольшим светодиодом (LED). Этот свет может рассеиваться в направлении ближайшего фотоприемника, который установлен таким образом, что без дыма генерируемый свет не может достичь его. Обычно источник света не работает непрерывно, и при обнаружении дыма генерируется громкий сигнал тревоги, чтобы люди могли принять меры. Из-за низкого потребления электроэнергии в обычном режиме мониторинга компактной батареи может хватить на годы.

Химические датчики

Химические датчики могут реагировать на концентрацию определенного вещества или на некоторые химические параметры, такие как значение pH, указывающее степень кислотности. Были разработаны различные типы оптических датчиков, которые можно использовать для таких целей. Они могут быть основаны на самых разных принципах работы:

• Величина, представляющая интерес, может изменять показатель преломления или оптическое поглощение вещества, которое можно контролировать с помощью света. Здесь могут потребоваться измерения, зависящие от длины волны. Например, это делается в колориметрических датчиках.
• В других случаях некоторые химические вещества излучают флуоресцентный свет (часто контролируемым образом возбуждаемый падающим зондирующим светом), который может быть чувствительно обнаружен – возможно, даже с существенным пространственным разрешением.
• Часто какой-либо вид зондирующего света взаимодействует с химическим образцом, например, с пучком свободного пространства, проходящим через измерительную ячейку, или с очень локализованным контактом мимолетного света из своего рода волновода с окружающей средой.
• Некоторый агент может быть привлечен определенными химическими веществами, измеряя оптические эффекты этого агента, можно определить концентрацию других химических веществ.
• Химическое зондирование также может быть выполнено на больших расстояниях, например, до положения высоко в атмосфере Земли.

Датчики электрических и магнитных величин

Существуют различные способы, с помощью которых электрические величины можно контролировать с помощью оптических средств. 

Например, показатель преломления некоторых кристаллических материалов линейно зависит от напряженности приложенного электрического поля. Этот электрооптический эффект может быть использован для электрооптического отбора проб, например, при исследовании определенных электронных чипов. Аналогичным образом, можно использовать эффект Фарадея для оптических датчиков, адресуемых магнитным полям. Поскольку магнитные поля часто генерируются электрическими токами, их также можно использовать для изготовления датчиков тока, которые могут быть полезны.

Например, для измерения токов в жестких условиях высокого напряжения, таких как системы передачи электроэнергии сверхвысокого напряжения, включая подземные кабели.