View
604
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 1
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................................. 2
NỘI DUNG ............................................................................................................... 3
I. Cảm biến sợi quang ............................................................................................ 3
1.1. Khái niệm cơ bản về sợi quang .................................................................. 3
1.2. Cảm biến sợi quang: ................................................................................... 4
1.3. Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến sợi quang .............................................. 5
1.4. Phân loại cảm biến sợi quang: .................................................................... 5
II. Các loại cảm biến sợi quang: ............................................................................ 6
2.1. Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated Fiber
Optic Sensors - IMFSs): .................................................................................... 6
2.1.1. Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend -
FSMB) ........................................................................................................... 6
2.1.2. Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor -
EWFOS) ........................................................................................................ 7
2.1.3. Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS)
....................................................................................................................... 8
2.1.4. Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor -
TFOS) ............................................................................................................ 9
2.1.5. Cảm biến sợi quang về sự sai khác cường độ (Differential Intensity
Fiber optic sensors - DIFOSs) ....................................................................... 9
2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic Sensor -
PMFOSs) ......................................................................................................... 10
2.2.1. Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer): .................. 10
2.2.2. Loại cảm biến đa chùm tia giao thoa ................................................ 11
2.3. Cảm biến sợi quang điều biến bước sóng (Wavelength Modulated Fiber
Optic Sensor - WMFOS) ................................................................................. 13
2.3.1. Cảm biến sợi quang dựa trên hiện tượng huỳnh quang .................... 14
2.3.2 Cảm biến vật đen tuyệt đối ................................................................. 14
2.3.3 Cảm biến cách tử Bragg: .................................................................... 14
III. Xu hướng trong tương lai .............................................................................. 18
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 19
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 20
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 2
GIỚI THIỆU CHUNG
Với sự phát minh ra laser vào năm 1960 đã đưa đến những ý tưởng mới về các
hệ thống quang học truyền tải dữ liệu. Người ta nhận thấy hệ thống laser có thể gửi
một số lượng dữ liệu lớn hơn rất nhiều so với sóng vi ba và các hệ thống điện tử
khác. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều thí nghiệm khác nhau về truyền tải
thông tin quang trong các môi trường khác nhau và đi đến kết luận môi trường truyền
dẫn tín hiệu ánh sáng tốt nhất là loại sợi thủy tinh. Tuy nhiên ban đầu sợi quang
không được ứng dụng trong truyền tải thông tin vì độ suy hao của nó là vô cùng lớn
(khoảng 1000 dB/km). Đến năm 1969, một số nhà khoa học đã chỉ ra rằng các tạp
chất trong vật liệu sợi quang chính là nguyên nhân gây ra sự mất mát tín hiệu, bằng
cách loại bỏ các tạp chất người ta có thể tạo ra các sợi quang học có độ suy hao thấp.
Năm 1970, Corning Glass Works chế tạo một sợi đa mode với suy hao dưới 20
dB/km và đến năm 1972 đã chế tạo thành công một sợi quang đa mode lõi silica với
suy hao 4 dB/km.
Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo sợi quang, những tính
năng ưu việt và đặc tính của sợi quang các nhà thiết kế đã kết hợp các sản phẩm của
thông tin sợi quang với các thiết bị quang điện tử để tạo ra cảm biến mới có tính
năng ưu việt đó là cảm biến sợi quang (Fiber optic sensor). Loại cảm biến này không
chỉ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin cáp quang mà còn được sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học,…nhằm giám sát
một loạt các thông số môi trường như vị trí, độ rung, độ biến dạng, nhiệt độ, độ ẩm,
độ nhớt, hóa chất, áp suất, dòng điện, điện trường và một số yếu tố môi trường
khác…
Trong tiểu luận này tôi sẽ trình bày khái quát hóa về một số loại cảm biến sợi
quang:
- Cảm biến sợi quang.
- Một số loại cảm biến sợi quang.
- Một số ứng dụng của cảm biến sợi quang trong thực tế.
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 3
NỘI DUNG
I. Cảm biến sợi quang
Trước khi tìm hiểu về cảm biến sợi quang ta tìm hiểu về một số thông tin cơ
bản của sợi quang:
1.1. Khái niệm cơ bản về sợi quang
Một sợi quang gồm ba phần: lõi (core), lớp vỏ (cladding) và lớp phủ (coating).
Cấu trúc cơ bản được thể hiện trong hình 1.
Hình 1. Cấu trúc cơ bản của một sợi quang.
Lõi là một thanh hình trụ làm bằng vật liệu điện môi và thường được làm bằng
thủy tinh hoặc plastic có chiết suất n1. Ánh sáng truyền chủ yếu dọc theo lõi của sợi.
Lớp vỏ được làm bằng vật liệu điện môi có chiết suất n2. Loại vật liệu làm vỏ
thường là thủy tinh hoặc plastic có chiết suất nhỏ hơn so chiết suất của các vật liệu
làm lõi. Chúng có chức năng là giảm tổn hao ánh sáng từ lõi ra bên ngoài sợi quang,
giảm tổn hao do tán xạ ở bề mặt của lõi, bảo vệ các sợi khỏi các chất gây ô nhiễm bề
mặt và tăng độ bền cơ học cho sợi quang.
Các lớp phủ được làm từ vật liệu plastic có tính đàn hồi, nhiệm vụ của nó là
bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hỏng vật lý, ngăn ngừa trầy xước.
Nguyên tắc truyền ánh sáng dọc theo sợi quang dựa trên "phản xạ toàn phần".
Khi góc tới lớn hơn góc giới hạn ánh sáng được phản xạ toàn phần ở lớp võ trở lại
môi trường thủy tinh (xem Hình 2). Góc tới hạn được xác định bằng cách sử dụng
định luật Snell.
Hình 2: Phản xạ toàn phần trong một sợi quang
Sợi quang được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo kích thước lõi
và vỏ, theo chủng loại vật liệu, theo sự biến thiên của chiết suất trong lõi sợi và theo
đặc tính truyền dẫn có sợi quang đơn mode và sợi quang đa mode. Nếu phân loại
theo sự phân bố chiết suất của lõi ta có: loại sợi quang SI (Step index) có chiết suất
lõi và vỏ khác nhau rõ rệt theo hình bậc thang, loại sợi quang GI (Gradient index) có
Sợi bảo vệ Võ bọc dây cáp
Lớp phủ Lõi
Lớp vỏ
Lớp võ (n2) Lõi (n1)
Phản xạ toàn phần
Chùm
sáng tới
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 4
chiếc suất giảm dần từ tâm lõi ra phía vỏ sợi quang. Sự khác nhau của những loại
sợi quang này được mô tả ở hình 3.
Hình 3. Các loại sợi quang khác nhau .
1.2. Cảm biến sợi quang:
Như chúng ta biết cảm biến được định nghĩa là một thiết bị dùng để biến đổi
các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành đại lượng điện có thể
đo được như dòng điện, điện thế, ….. Với sự phát triển của khoa học kỉ thuật và công
nghệ ra đời nhiều loại cảm biến khác nhau. Trong tiểu luận này ta nghiên tìm hiểu
về cảm biến sợi quang.
Cảm biến sợi quang thực chất là một cảm biến sử dụng sợi quang như là một
phần tử cảm biến (các cảm biến nội tại), hoặc là như một phương tiện truyền tín hiệu
của một cảm biến ở xa đến bộ xử lí (cảm biến ngoại sinh). Tùy thuộc vào mục đích
sử dụng mà bộ cảm biến sợi quang có một hay nhiều sợi quang ghép với nhau và
cung có kích thước khác nhau.
Cảm biến sợi quang có nhiều lợi thế hơn các cảm biến điện tử thông thường
là bởi vì chúng có những ưu điểm sau: Kích thước khá nhỏ gọn, nhẹ, và có thể tích
hợp vào một loạt các cấu trúc một cách dễ dàn bao gồm cả vật liệu composite, không
dẫn điện, không bị nhiễu bởi sóng điện từ và nhiễu tần số radio, có khả năng chống
chịu tốt với môi trường khắc nghiệt, độ nhạy cao, có khả năng hình thành mạng lưới
cảm biến, có khả năng cảm biến ở xa tốt và chức năng cảm biến đa dạng: áp lực, ăn
mòn, nhiệt độ và tín hiệu âm thanh…
Buffer Cladding
Core
Đa mode Đơn mode
(a)
n1
n2
Loại sợi Mặt cắt ngang Đường đi tia sáng Chiết suất
n(r) Multimode
Gradient Index (MMGI)
Single mode
Step Index (SMSI)
Multimode
Step Index (MMSI)
(b)
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 5
1.3. Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến sợi quang
Cấu trúc chung của một hệ thống cảm biến sợi quang học được thể hiện trong
hình 4. Nó bao gồm
+ Một nguồn quang (Optical source): Laser, LED, Laser diode …
+ Sợi quang (optic fiber)
+ Cảm biến hoặc phần tử điều biến (Sensor or modolator element): gồm bộ
chuyển đổi (transducer) và vùng đo (measurand) là bộ phận có nhiệm vụ chuyển đổi
tín hiệu thu vào.
+ Đầu dò quang (Detecor optic) và thiết bị điện tử xử lý (electronic processing)
như máy dao động kí, máy phân tích phổ quang học.
Hình 4. Các thành phần cơ bản của một hệ thống cảm biến sợi quang.
1.4. Phân loại cảm biến sợi quang:
Cảm biến sợi quang có phân loại theo ba cách sau:
- Theo vị trí cảm biến có thể chia cảm biến sợi quang thành hai loại:
+ Cảm biến sợi quang nội tại (hình 5.a): các sợi quang được sử dụng nhằm
truyền dẫn ánh sáng từ nguồn đến điều biến ánh sáng tác động lên môi trường và
truyền những tín hiệu sáng này đến đầu do. Hay nói cách khác sợi quang hoạt động
như một phương tiện truyền ánh sáng.
+ Cảm biến sợi quang ngoại sinh (hình 5.b): Sợi quang được sử dụng như một
bộ chuyển đổi tín hiệu môi trường khi có sự biến đổi của chùm sáng truyền trong sợi
quang khi có các tác nhân bên ngoài tác động lên cuộn dây làm nó biến dạng.
Hình 5: Cảm biến sợi quang bên ngoài và bên trong
- Theo nguyên tắc hoạt động ta có loại cảm biến điều biến hoặc cảm biến giải
điều biến. Đây là bộ cảm biến sợi quang có thể ghi nhận được cường độ, pha, tần số
hoặc phân cực của ánh sáng. Tất cả các thông số này có thể bị thay đổi do nhiễu loạn
Sợi
vào
Sợi
ra
Điều biến ánh sáng
Tín hiệu môi trường
Đầu dò ánh sáng Nguồn sáng
a) Cảm biến sợi quang ngoài
Sợi
vào
Sợi
ra
Sợi quang như bộ chuyển đổi
Tín hiệu môi trường
Đầu dò ánh sáng Nguồn sáng
b) Cảm biến sợi quang trong
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 6
bên ngoài. Như vậy, bằng cách phát hiện sự thay đổi các thông số này, các nhiễu
loạn bên ngoài có thể được ghi nhận.
- Theo ứng dụng của chúng ta chia thành:
+ Cảm biến vật lý: sử dụng để đo các tính chất vật lý như: nhiệt độ, áp suất,
độ biến dạng, ….
+ Cảm biến hóa học: sử dụng đo độ pH, phân tích khí, nghiên cứu phổ,….
+ Cảm biến sinh - y khoa (Bio - medical): được sử dụng trong các ứng dụng
y sinh học như đo lưu lượng máu, hàm lượng glucose, nội soi, …
II. Các loại cảm biến sợi quang:
2.1. Cảm biến sợi quang điều biến cường độ quang (Intensity Modulated
Fiber Optic Sensors - IMFSs):
Cảm biến IMFSs hoạt động theo nguyên tắc sự sự suy giảm cường độ quang
có thể do phản xạ, do truyền dẫn, do biến dạng sợi quang. Loại cảm biến IMFSs có
nhiều ưu điểm như: chế tạo đơn giản, chi phí thấp, có khả năng ghép theo kênh,….
Tuy nhiên chúng cũng có một số nhược điểm là: phép đo có độ chính xác không cao
và nếu có sự thay đổi cường độ của nguồn sáng có thể dẫn đến kết quả bị sai lệch để
khắc phục nhược điểm này cần khi sử dụng một hệ thống tham chiếu.
Loại cảm biến IMFSs dựa vào cơ chế làm suy giảm cường độ sáng có thể chia
thành các loại sau:
2.1.1. Cảm biến sợi quang vi uốn cong (Fiber optic sensor microbend -
FSMB)
Cảm biến FSMB là loại cảm biến hoạt động theo nguyên tắc đo sự suy giảm
cường độ quang qua sợi quang khi có sự uốn cong cơ học nhỏ một cách tuần hoàn
của sợi quang.
Sơ đồ cấu tạo đơn giản của loại cảm biến FSMB được mô tả trong hình 6 gồm:
+ Nguồn sáng: laser hoạc LED
+ Sợi quang đa mode.
+ Bộ phân gây biến dạng sợi quang là hai rãnh tấm
+ Thiết bị đo cường độ sáng: các bộ chuyển đổi tính hiệu quang thành tín hiệu
điện, bộ khuếch đại,…
Hình 6: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của cảm biến sợi quang nội tại vi uốn cong
* Nguyên tắc hoạt động:
Nguồn
sáng
Sợi quang
Thiết bi đo
cường độ sáng Bộ phân gây biến dạng sợi quang
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 7
Nếu đưa ánh sáng vào sợi quang mà chưa có tác động từ bên ngoài nên sợi
quang chưa bị uống cong nên ánh sáng truyền từ nguồn đến đầu dò hầu như không
bị mất mát hình 7a.
Hình 7a. Khi chưa có áp lực từ bên ngoài
Khi tác động áp lực lên tấm ở phía trên thì tấm này dịch chuyển đi xuống làm
cho sợi quang bị uống cong, khi bán kính uống cong vượt khỏi giới hạn cong cho
phép sẽ làm cho tia sáng bên trong lõi bị rò ra vỏ làm giảm cường độ chùm sáng.
Kết quả sự suy giảm này được đầu dò đo đạt ở đầu ra. (Hình 7.b)
Hình 7.b: Sự suy giảm cường độ tín hiệu đầu ra khi có áp lực
2.1.2. Cảm biến suy giảm sóng(Evanescent Wave Fiber Optic Sensor -
EWFOS)
Một loại cảm biến khác dựa vào cường độ là cảm biến EWFOS. Loại cảm
biến này ghi nhận sự suy hao sóng do bị hấp thụ bởi hóa chất. Cảm biến hóa học
thường sử dụng theo nguyên tắc này.
Cấu tạo cảm biến EWFOS được mô tả trong hình 7 gồm: nguồn laser, thấu
kính hội tụ chùm tia đến sợi quang, sợi quang là loại sợi đa mode được đặt trong một
buồng dùng để cho hóa chất đi qua, sợi quang có một phần bị bóc võ mục đích để
hóa chất đi vào buồng sẽ hấp thu sóng ánh sáng làm suy giảm sóng và sóng được ghi
nhận ở bộ phận đầu dò.
Hình 7: Cấu tạo đơn giản của cảm biến EWFOS
Như đã đề cập ở trên nguyên lý làm việc của loại cảm biến này dựa vào sự
suy giảm sóng ánh sáng do sự hấp thụ của hóa chất. Để làm được điều này sợi quang
cần phải tách một phần lớp vỏ. Để cảm biến hoạt động người ta sử dụng một nguồn
Ánh sáng
vào Sợi quang
Cao
Ánh sáng ra
Chưa tác
động
Lực tác dụng
Ánh sáng
vào
Ánh sáng ra
Thấp
Laser
Thấu kính
Sợi đa mode
Vùng cảm biến
Đầu dò
Đầu vào
Đầu ra
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 8
ánh sáng có bước sóng có thể hấp thụ bởi các hoá chất. Khi ánh sáng đi qua sợi quang
đến vùng có lớp võ bị tách ra sẽ bị hấp thụ bởi hóa chất khiến cho sóng ánh sáng bị
giả cường độ, sự giảm cường độ tùy thuộc vào nồng độ hóa chất đưa vào. Kết quả là
đo sự thay đổi trong cường độ ánh sáng theo nồng độ hoá chất ở đầu dò. Chúng ta
có thể thay thế vật liệu làm vỏ bọc của sợi quang bằng một chất nhộm hữu cơ mà
không cần tách vỏ bọc của sợi quang và thực hiện phép đo một cách tương tự
2.1.3. Cảm biến sợi quang phản xạ (Reflection Fiber Optic Sensor - RFOS)
Cấu tạo cơ bản của loại cảm biến RFOS như sau hình 8:
+ Nguồn sáng: băng rộng thường sử dụng laser diode (LD)
+ Sợi quang: đa mode.
+ Bộ ghép nối (3dB coupler) có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu tới và tín hiệu
phản xạ đến mo - đun phát hiện (Detecting Module):
+ Detecting Module: có nhiệm vụ xử lí các tín hiệu thu được.
Hình 8: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của bộ cảm biến RFOS
* Nguyên tắc hoạt động: Sử dụng nguồn sáng laser diode băng rộng truyền
vào bộ ghép 3 dB, khi đó ánh sáng sẽ truyền vào sợi quang có công suất tới Pin sau
đó phản xạ ở gương truyền ngược trở lại trong quá trình truyền sẽ có sự suy giảm
cường độ của chùm phản xạ công suất lúc này là Pout. Chùm phản xạ và chùm tới
được đưa đến bộ dò phát hiện để do cường độ. Công suất Pout tỉ lệ với khoảng cách
từ đầu sợi quang đến gương phản xạ (hình 9)
Hình 9. Mô tả quá trình xảy ra ở sợi quang và gương phản xạ
LD Sợi quang
Gương
phản xạ
Bộ ghép: 3dB
Buồng lọc
Bộ chỉnh lưu Bộ lọc chọn lựa Bộ khuếch đai Dsp Unit Bộ KĐ thức cấp
Mo - đun phát hiện
Gương phản xạ có thể
chuyển động
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 9
2.1.4. Cảm biến sợi quang truyền dẫn (Transmission Fiber Optic Sensor -
TFOS)
Loại cảm biến này có cấu tạo được mô tả ở hình 10. Gồm hai sợi quang đặt cách
nhau một khoảng L. Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này giống với loại cảm
biến RFOS nêu trong mục 2.1.3
Hình 10: Một mô hình đơn giản của cảm biến TFOS
Loại cảm biến TFOS thường được dùng để đo khoảng cách từ vật đến cảm
biến, và đo biến dạng bề mặt. Hạn chế của loại cảm biến này là không có tín hiệu
đối chiếu khi có sự thay đổi cường độ của chùm sáng dễ đưa đến kết quả đo đạt
không chính xác.
2.1.5. Cảm biến sợi quang về sự sai khác cường độ (Differential Intensity
Fiber optic sensors - DIFOSs)
Sơ đồ cấu tạo của loại cảm biến này được mô tả trong hình 11.
Hình 11: Sơ đồ khối đơn giản của bộ cảm biến DIFOSs
Các bộ phận chính của bộ cảm biến này là:
+ Nguồn phổ rộng: Laser diode.
+ Bộ ghép có nhiệm vụ chia cường độ sáng qua hai nhánh.
+ Nhánh cảm biến.
+ Nhánh đối chiếu
* Nguyên tắc hoạt động: Có chế hoạt động dựa của loại cảm biến này gần
giống với cảm biến RFOS nêu ở mục 2.1.3 chỉ khác là có một nhánh đối chiếu. Công
suất ghi nhận được là Pout1 - Pout2 ∝ L1 - L2
Nhánh cảm
biến
Nhánh đối chiếu
Bộ ghép Nguồn
sáng
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 10
2.2 Cảm biến sợi quang điều biến pha ( Phase Modulator Fiber Optic
Sensor - PMFOSs)
Cảm biến PMFOSs hoạt động theo nguyên lý ghi nhận những thay đổi trong
pha ánh sáng trong quá trình giao thoa ánh sáng để phát hiện vật thể cần đo. Bộ phận
chính của cảm biến PMFOSs là giao thoa kế được chế tạo cùng với sợi quang. Ưu
điểm của loại cảm biến này nhạy hơn cảm biến cường độ.
Căn cứ vào giao thoa kế và số chùm tia giao thoa người ta chia cảm biến thành
hai loại:
2.2.1. Loại hai chùm tia giao thoa(Two beam interferometer):
Trong loại cảm biến này chia làm hai loại khác nhau đó là cảm biến sử dụng
giáo thoa kế Michelson và cảm biến sử dụng Mach-Zehnder.
* Giao thoa kế Michelson.
Cấu tạo của bộ cảm biến sở dụng giao thoa kế Michelson được mô tả như
trong hình 12
Hình 12: Cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson
+ Nguồn sáng Laser diode phải là nguồn kết hợp.
+ Bộ chia ánh sáng: 50:50
+ Hai gương phản xạ R1 và R2
+ Hai sợi quang có chiều dài L1 và L2.
Hoạt động: ánh sáng từ nguồn sáng LD tới bộ chia (2×2 coupler) sẽ được tách
thành hai chùm theo hai sợi quang cảm biến L1 và sợi quang đối chiếu L2 đến các
gương phản xạ R1 và R2. Tại hai gương R1 và R2 ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại
truyền ngược lại bộ chia sau đó được truyền dẫn đến đầu dò (Detector) để ghi nhân
sự thay đổi cường độ sáng theo độ lệch pha giữa ánh sáng tới và ánh sáng phản xạ.
Cường độ ánh sáng thu được theo công thức:
𝐼 =𝐼04(𝑅1 + 𝑅2)[1 + 2
√𝑅1𝑅2𝑅1 + 𝑅2
cos[2𝑘(𝐿1 − 𝐿2)]]
Từ sơ đồ ta thấy ánh sáng đi qua hai lần cả sợi cảm biến và sợi đối chiếu nên
sự lệch pha quang trên một đơn vị chiều dài của sợi được tăng gấp đôi nên giao thoa
kế Michelson có độ nhạy cao. Và cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson là các
cảm biến có thể được làm việc với chỉ một sợi quang duy nhất giữa các module
nguồn dò và cảm biến.
* Giao thoa kế Mach-Zehnder
Cấu tạo của cảm biến sợi quang sử dụng giao thoa kế Mach - Zehnder như
hình 13.
+ Nguồn sáng.
+ Hai bộ chia: 2×2 Coupler và Coupler
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 11
+ Hai sợi quang L1 và L2
+ Đầu dò (detector) đo cường độ của hai sợi L1 và L2
Hình 13: Sơ đồ khối đơn giản của cảm biến sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder
Nguyên lí hoạt động của loại cảm biến này gần giống với nguyên lý làm việc
của loại giao thoa kế sử dụng giao thoa kế Michelson chỉ khác biệt là đo đồng thời
cường độ của hai sợi L1 và L2. Cường độ ở đầu ra của hai sợi lần lượt là I1 và I2 xác
định theo công thức:
𝐼1 =𝐼02(1 − cos[𝑘(𝐿1 − 𝐿2)])
𝐼1 =𝐼02(1 + cos[𝑘(𝐿1 − 𝐿2)])
Loại cảm biến này có ưu điểm làm giảm ảnh hưởng hồi đáp không mong muốn
(không gương) và giảm nhiễu do biến động cường độ.
Loại cảm biến hai chùm tia giao thoa được sử dụng đo: độ biến dạng, nhiệt
độ, áp suất, âm thanh, dòng/ điện áp,….. cụ thể được ứng dụng trong các hệ thống
Sonar chuống tàu ngầm, các bộ cảm biến âm thanh và địa chấn, đo biến dạng của
các công trình xây dựng,…
2.2.2. Loại cảm biến đa chùm tia giao thoa
Loại cảm biến đa chùm tia gồm có cảm biến giao thoa Fabry-Perot và cảm
biến giao thoa vòng. Trong phần này tôi chỉ đề cập đến cảm Giao thoa kế Fabry-
Perot hình 14:
Hình 14.Sơ đồ khối đơn giản của bộ cảm biến Fabry-Perot (FFPI)
+ Nguồn sáng thường là nguồn kết hợp, bộ ghép nối cho phép chia theo tỉ lệ
50:50, cảm biến (sensor) có hai loại cảm biến nội (Intrinsic) được mô tả như hình
14.a và cảm biến ngoại (Extrinsic) hình 14.b. Chính dựa cách thức cảm biến chia
thành hai loại cảm biến IFPI và cảm biến EFPI
2×2
Coupler Coupler
L2
L1 Nguồn
Detector
I2
I1
LD 2×2 Coupler
Dectector
Sensor
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 12
Hình 14.a Sơ đồ cấu tạo cảm biến nội (IFPI)
Hình 14.a Sơ đồ cấu tạo cảm biến ngoại (EFPI)
Trong một bộ cảm biến EFPI, khoang Fabry- Perot đặt bên ngoài sợi quang.
Sợi quang truyền ánh sáng tới cảm biến EFPI và sau đó nhận lại những tín hiệu ánh
sáng phản xạ từ các cảm biến. Khoang Fabry- Perot được chế tạo bằng vật liệu thủy
tinh có dạng ống. Người ta đưa sợi quang tín hiệu vào một đầu của khoang Fabry-
Perot đầu còn lại của Khoang Fabry- Perot người ta đưa vào sợi tín hiệu ra. Khoảng
cách giữa hai sợi được kiểm soát bằng cách sử dụng một thiết bị định vị quang học
có độ chính xác cao trước khi tiến hành nối bằng nhiệt. Như chúng ta biết độ nhạy
biến dạng được xác định bởi chiều dài đo, trong khi độ nhạy nhiệt độ chỉ được xác
định bởi chiều dài khoang, sợi và ống có cùng hệ số giãn vì nở nhiệt. Do đó, bằng
cách làm cho chiều dài đo nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài khoang, độ nhạy cảm
biến nhiệt độ trở sẽ nhỏ hơn nhiều so với độ nhạy biến dạng.
Đối với một bộ cảm biến IFPI, các gương được chế tạo trong sợi quang dưới
dạng một màn mỏng. Loại màn mỏng này thường được làm từ vật liệu TiO2. Để tạo
ra hai gương này người ta có thể sử dụng các phương pháp sau: lắng đọng chân
không, phún xạ, bốc bay chùm tia điện tử. Vùng không gian giữa hai gương trong
sợi quang vừa đóng vai trò là cảm biến và vừa là ống dẫn sóng. Trong trường hợp
này, ánh sáng không bao giờ rời khỏi sợi.
* Ứng dụng của cảm biến giao thoa Fabry- Perot: Được sử dụng rộng rãi trong
việc đo đạt các thông số như áp suất âm, dao động, độ biến dạng, chuyển dịch.
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 13
Hình 15. Cảm biến áp lực và biến dạng của hãng Fiso Canada
Hình 17: Cảm biến biến dạng:
Hình 18: Cảm biến gia tốc EFPI:
2.3. Cảm biến sợi quang điều biến bước sóng (Wavelength Modulated
Fiber Optic Sensor - WMFOS)
Cảm biến điều biến bước sóng sử dụng những thay đổi về bước sóng của ánh
sáng để dò tìm. Cảm biến huỳnh quang, cảm biến vật màu đen và cảm biến cách tử
Bragg là những ví dụ của các cảm biến điều biến bước sóng.
Loại cảm điều biến bước sóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
cơ sở hạ tầng dân sự, tàu chiến, máy bay/không gian, dầu khí, giám sát đường ống,
điện lực và giao thông vận tải, hệ thống đánh giá thiệt hại. Riêng trong lĩnh vực dân
dụng cảm biến điều biến ứng dụng rất đa dạng như: Giám sát các cấu trúc cầu đường,
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 14
giám sát lưu lượng giao thông, theo dõi và ghi nhận động đất, ứng dụng trong kỹ
thuật địa chất, theo dõi ăn mòn của cấu trúc, cảm biến sức gió gió, ứng trong y học.
Trong phân này tôi giới thiệu sơ qua hai loại cảm biến huỳnh quang, vật đen
tuyệt đối và trọng tâm là cảm biến sợi quang cách tử Brag (FBGSs). Sau đây ta tìm
hiểu từng loại cảm biến cụ thể.
2.3.1. Cảm biến sợi quang dựa trên hiện tượng huỳnh quang
Loại cảm đang được sử dụng rộng rãi cho các lĩnh vực y tế, cảm biến hóa học
và các phép đo tham số vật lý như nhiệt độ, độ nhớt và độ ẩm. Sơ đồ cấu tạo đơn
giản nhất của bộ cảm biến huỳnh được mô tả trong hình 19.
Hình 19: Cảm biến sợi quang phát hiện huỳnh quang
Trong trường hợp của các cảm biến đầu cuối, ánh sáng truyền xuống sợi đến
một đầu dò của vật liệu phát huỳnh quang. Các kết quả về tín hiệu huỳnh quang được
thu bởi các sợi giống nhau và hướng quay trở lại đầu ra của một bộ giải điều biến.
2.3.2 Cảm biến vật đen tuyệt đối
Sơ đồ cấu tạo của cảm biến vật đen tuyệt đối được mô tả trong hình 20. Một
buồng tối được đặt ở phần cuối của một sợi quang. Khi nhiệt độ khoang tăng thì nó
bắt đầu phát sáng và hoạt động như một nguồn ánh sáng. Máy dò kết hợp với các bộ
lọc dải hẹp được sử dụng để xác định xem thông tin của đường cong vật đen tuyệt.
Đây là loại cảm biến đã được thương mại hóa thành công và đã được sử dụng để đo
nhiệt độ trong khoảng vài độ C thuộc các trường RF mạnh.
Hình 20: Cảm biến sợi quang vật đen tuyệt đối.
2.3.3 Cảm biến cách tử Bragg:
Loại cảm biến điều biến bước sóng được sử dụng rộng rãi nhất là các cảm biến
sợi quang cách tử Bragg.
a) Giới thiệu về cách tử Bragg sợi quang (FBG)
Bộ lọc dải hẹp Thấu kính Buồng tối
Đầu dò
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 15
Khoảng cách Λ=λB/neff
λB phản
xạ
λB tới λB truyền
Hình 21: Cấu tạo và chiết suất của FBG
Cách tử Bragg sợi quang thực chất là sự xáo trộn cấu trúc chỉ số chiết suất
theo dạng chu kì dọc theo hướng truyền sóng của sợi quang và được mô tả trong
hình trên 21.
Chiết suất của FBG được tính theo phương trình sau :
2π( , , ) ( , , ) δ ( , , )cos( )
Λn x y z n x y z n x y z z (1)
Trong đó ( , , )n x y z là chiết suất trung bình của lõi sợi quang và δ ( , , )n x y z là
độ biến thiên chiết suất và Λ là chu kì của FBG.
Một lượng nhỏ ánh sáng được phản xạ tại mỗi điểm nơi chiết suất của FBG
thay đổi. Sự phản xạ hoàn toàn trong FBG xảy ra tại các bước sóng riêng khi ở đó
xuất hiện mode ghép mạnh nhất. Đây gọi là điều kiện Bragg được mô tả trong
phương trình (1), bước sóng mà tại đó có sự phản xạ hoàn toàn được gọi là bước sóng
Bragg λB. Chỉ có những bước sóng thoả mãn điều kiện Bragg là chịu ảnh hưởng của
cách tử và phản xạ một cách mạnh mẽ. FBG trong suốt đối với các bước sóng nằm
ngoài vùng bước sóng Bragg.
Bước sóng Bragg được tính như sau:
λB = 2 neffΛ (2)
Trong đó neff là chỉ số khúc xạ ảnh hưởng và Λ là chu kì của FBG. Đây chính
là điều kiện xảy ra phản xạ Bragg. Từ phương trình (2) chúng ta có thể thấy rằng
bước sóng Bragg hoàn toàn phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ và chu kì của cách tử.
Các cách tử dài với chỉ số khúc xạ thay đổi không đáng kể có đỉnh phản xạ rất
nhọn và băng tần phản xạ rất nhỏ.
Hệ số suy hao:
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 16
Gọi Pin là công suất của tín hiệu tới cách tử, Prefl là công suất tín hiệu khi qua
cách tử
Ta có hệ số suy hao là: 1010log ( )in
refl
PdB
p
Khi qua FBG thì chỉ một bước sóng bị phản xạ còn các bước sóng khác truyền
qua do đó phổ tín hiệu truyền qua FB tại bước sóng Bragg bị giảm.
b). Nguyên lý hoạt động
Xét hai sóng truyền theo hai hướng ngược chiều nhau với hằng số truyền dẫn
0 và 1 . Năng lượng được ghép từ sóng này sang sóng khác nếu chúng thoả mãn
điều kiện cân bằng pha Bragg:
0 1
2
(3)
Trong đó là chu kỳ của cách tử. Xét một sóng ánh sáng với hằng số lan
truyền 0 truyền từ trái qua phải. Năng lượng từ sóng này được ghép vào sóng tán
xạ chuyển dịch theo hướng ngược lại tại cùng bước sóng nếu thoả mãn điều kiện pha
Bragg.
0 0 0
22( )
(4)
Ta có 0
0
2 effn
, λ0 là bước sóng của sóng đến, neff là chỉ số khúc xạ hiệu
dụng của sợi quang (vật làm cách tử Bragg), sóng được phản xạ với điều kiện là:
0 2 effn (5)
Bước sóng λ0 này được gọi là bước sóng Bragg. Trong thực tế, hiệu suất phản
xạ giảm khi bước sóng của sóng đến không ăn khớp với bước sóng Bragg. Do đó
nếu có một vài bước sóng được truyền vào cách tử Bragg thì bước sóng Bragg được
phản xạ trong khi các bước sóng khác được truyền qua mà không bị tổn hao hoặc
tổn hao rất ít.
Sự hoạt động của cách tử có thể được hiểu bằng cách tham khảo hình 1.2, hình
vẽ cho thấy sự thay đổi tuần hoàn chỉ số khúc xạ. Sóng đến được phản xạ từ mỗi chu
kỳ cách tử. Các sự phản xạ này được cộng pha khi chiều dài đường đi của sóng λ0 ở
mỗi chu kỳ bằng một nửa bước sóng đến λ0. Điều này tương đương với 0 2effn
(điều kiện Bragg).
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 17
Hình 22: Nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg
c) Một số loại cảm biến sử dụng cách tử Bragg sơi quang (FBGSs)
* Cảm biến FBGS đo biến dạng và nhiệt độ:
Hình 23: Sơ đồ khối cấu tạo của FBGS
Cảm biến độ biến dạng Cảm biến đo nhiệt độ
- Cả ΔΛ và Δn đều thay đổi.
- Độ nhạy: 1,2pm/με.
- Độ nhạy: 10pm/0C.
- Dùng tốt trong môi trường khắc nghiệt
cao.
* Cảm biến FBG giải điều chế được sử dụng trong các máy phân tích phổ,
máy scan, …
Máy phân tích phổ Máy scan
* Cảm biến FBG đa kênh:
Hình 24. Sơ đồ khối của cảm biến FGB đa kênh
Λ
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 18
Ưu điểm có khả năng cảm biến đa năng chỉ với một hệ thống quang duy nhất,
có khả năng đô được một miền bước sóng và tần số.
III. Xu hướng trong tương lai
+ Chế tạo những ống dẫn sóng đặc biệt, chẳng hạn như sợi tinh thể quang tử,
sẽ cho phép cảm biến được nhiều hơn và nhiều hệ cảm biến.
+ Với việc cải thiện công nghệ vi chế tạo sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất cảm
biến, chức năng, độ tin cậy và khả năng hoạt động môi trường khắc nghiệt.
+ Công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến kết hợp với công nghệ mạng sẽ cho phép
tạo ra các mạng cảm biến sợi quang mật độ cao.
+ Với những tính năng ưu việt như nhỏ gọn, ít bị nhiễu loại bởi điện từ trường,
hoạt động tốt trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, đa dạng về chủng loại, có
độ nhạy cao, phù hợp với sự phát triển công nghệ nên cảm biến sợi quang đã và đang
thay thế dần cho các loại cảm biến truyền thống.
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 19
KẾT LUẬN
Qua quá trình tìm hiểu về cảm biến sợi quang tôi nhận thấy rằng đây là một
loại cảm biến có nhiều ưu thế ở hiện tại cũng như trong tương lại. Loại cảm biến này
được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: như trong lĩnh vực dân
sự, quân đội, phi quyền và không gian, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học tự nhiên,
… Trong quá trình tìm hiểu về cảm biến sợi quang chủ yếu là tham khảo tài liệu
nước ngoài nên có những chỗ còn sai sót mong được thầy cùng các bạn học viên
đóng góp ý kiến để báo cáo tiểu luận ngày càng hoàn thiện hơn.
Tiểu luận môn quang tử cảm biến sợi quang GVHD: PGS.TS LÊ VĂN TUẤT
Học viên: Kiều Quang Vũ 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS Lê Văn Tuất, Tài liệu về quang tử, Đại học khoa học Huế.
[2] Phan Quốc Phô và Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản khoa
học và kĩ thuật.
[3] Wekipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_optic_sensor
[4] Miao Yu, Fiber Optic Sensor Technology, Department of Mechanical
Engineering University of Maryland, USA, Feb 6 - 2008.
[5] Jaehee Park, Reflection-Type Optical-Fiber Intrusion Sensor Based on Speckle
Detection, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 50, No. 2, February 2007,
pp. 529∼531
[6] P Suresh Kumar - CPG Vallabhan…,A fiber optic evanescent wave sensor used
for the detection of trace nitrites in water, Journal of Optics A: Pure and applied
optics 4 (2002) 247 ~ 250.