Волоконно – оптичний датчик, який використовує оптичне волокно або у якості чутливого елемента ("внутрішні датчики"), або у якості засобу ретрансляції сигналів від віддаленого датчика до електронного блоку, який обробляє сигнали ("зовнішні датчики"). Існує безліч способів використання волокна для дистанційного зондування. Залежно від необхідності, такі датчики використовуються через їх невеликий розмір, або тому, що вони не потребують електричної напруги у віддаленому місці, або тому, що багато датчиків можуть бути мультиплексовані по довжині волокна з використанням світла з різною довжиною хвилі для кожного датчика, або вимірюючи час затримки, за який світло проходить уздовж волокна через кожен датчик. Час затримки може бути визначений з використанням пристроїв, таких як оптичний часовий рефлектометр.

Внутрішні датчики

Оптичні волокна можуть бути використані в якості датчиків для вимірювання напруги, температури, тиску та інших величин, змінюючи волокно таким чином, що вимірювана величина буде визначатись змінами інтенсивності, фази, поляризації, довжини хвилі або часу проходження світла в волокні. Датчики, які реагують на зміну інтенсивності світла є простими, бо мають тільки просте джерело сигналу та відповідний приймач. Дуже корисна особливість внутрішніх волоконно-оптичних датчиків складається в тому, що вони можуть, при необхідності, забезпечувати розподілене зондування на дуже великих відстанях.

Температура може бути виміряна за дуже низькими втратами або на основі аналізу комбінаційного розсіювання світла в оптичному волокні. Електрична напруга можна виявити за допомогою нелінійно-оптичних ефектів у особливим чином легованому волокні, які змінюють поляризацію світла в залежності від напруги або електричного поля. Датчики вимірювання кута можуть бути засновані на ефекті Сан'яка.

Спеціальні волокна, такі як довгоперіодні волоконні решітки можуть бути використані для визначення напряму[1]. Photonics Research Group з Університету Астона у Великобританії має ряд публікацій з застосування датчика вектору вигину.[2][3]

Оптичні волокна використовуються також в якості гідрофону для сейсмічних та гідролокаційних пристроїв. На волоконно-оптичному кабелі було розроблено гідрофоні системи з більш ніж стома датчиками. Гідрофоні сенсорні системи використовуються в нафтовій промисловості настільки ж успішно, як і в військово-морських силах декількох країн. Гідрофоні масиви можуть монтуватися на дно корабля або буксируватись системами стример. Німецька компанія Sennheiser розробила лазерний мікрофон для використання в оптичних волокнах.

Волоконно-оптичний мікрофон та навушники для роботи з волоконно-оптичною середою передачі даних корисні в районах з сильними електричними або магнітними полями. Вони використовуються, наприклад, для зв'язку між групою людей, що працюють з пацієнтом в машині магнітно-резонансної томографії (МРТ) під час МРТ-керованої операції.

Волоконно-оптичні датчики температури і тиску були розроблені для свердловинних вимірювань в нафтових свердловинах.[4][5] Волоконно-оптичний датчик добре підходить для цього середовища, бо він функціонує за дуже високих температур, за яких не може функціонувати напівпровідникові сенсори розподіленого вимірювання температури.

З оптичних волокон можуть бути зроблені інтерферометричні датчики, наприклад, волоконно-оптичний гіроскоп, який використовується в Boeing 767, в деяких моделях автомобілів (для навігації). Вони також використовуються, щоб зробити водневі датчики.

Волоконно-оптичні датчики були розроблені і для одночасного вимірювання температури і напруги з дуже високою точністю за допомогою волоконної бреґґовської решітки.[6]. Це особливо корисно при отриманні інформації від невеликих складних структур. Розсіювання Бріллюена може бути використане для визначення напруги і температури на великих відстанях (20-30 км).[7]

Інші приклади

Волоконно-оптичні датчики постійної та перемінної напруги в середньому і високому діапазоні напруг (100—2000 В) можуть бути створені викликом помірної кількості Керр-нелінійності в одномодовому оптичному волокні, шляхом впливу зовнішнього електричного поля на волокно відповідної довжини.[8]. Методика вимірювань заснована на поляриметричному виявленні, що дозволяє досягати високої точності у несприятливих промислових умовах.

Електромагнітні поля високої частоти (5 МГц, 1 ГГц), можуть бути виявлені за допомогою індукованих нелінійних ефектів у волокні з відповідною структурою. Використовувані волокна, побудовані так, що Ефект Фарадея та ефект Керра є причиною значних змін фази в присутності зовнішнього поля. За відповідної конструкції датчика, цей тип волокна може бути використаний для вимірювання різних електричних і магнітних величин внутрішніх параметрів матеріалу самого волокна.

Електроенергія може бути виміряна в волокні за допомогою волоконного амперсенсора в поєднанні з належною обробкою сигналу в поляризаційній схемі виявлення.[9]

Волоконно-оптичні датчики використовуються в електричних розподільних пристроях, щоб передати світло від електричної дуги в цифрові реле захисту для швидкого відключення вимикача для зменшення енергії в дузі розряду.

Зовнішні датчики

Зовнішні волоконно – оптичні датчики використовують волоконно-оптичний кабель, як правило, одне багатомодове оптичне волокно для передачі модульованого світла від кожного оптичного датчика або електронного датчика, підключених до оптичного кабелю – передатчика. Основною перевагою зовнішніх датчиків є можливість використання їх у важко досяжних місцях. Прикладом може слугувати вимірювання температури усередині реактивного двигуна літака, коли за допомогою волокон передається випромінювання до пірометру, що знаходиться за межами двигуна. Зовнішні датчики можуть бути використані і для вимірювання внутрішньої температури електричного трансформатора, де через велике електромагнітне поле іншими засобами вимірювання цього зробити неможливо.

Зовнішні волоконно – оптичні датчики забезпечують чудовий захист вимірюваного сигналу від шуму. На жаль, багато звичайних датчиків виробляють електричний сигнал, який для роботи з волокном треба перетворювати в оптичний. Наприклад, у випадку платинових термометрів опору (ПТО), зміни температури будуть переведені на зміну опору. Тому ПТО повинні мати електроживлення. Модульований рівень напруги на виході ПТО може бути введений в світловод через звичайний тип передавача. Це ускладнює процес виміру і означає, що низьковольтні кабелі повинні прокладатися через перетворювач.

Зовнішні датчики використовуються для вимірювання вібрації, обертання, переміщення, швидкості, прискорення, крутного моменту і скручування.[10]

Примітки:

1. «Bend Sensors with Direction Recognition Based on Long-Period Gratings Written in D-Shaped Fiber by D. Zhao etc».
2. «Implementation of vectorial bend sensors using long-period gratings UV-inscribed in special shape fibres».
3. «Use of Dual-Grating Sensors Formed by Different Types of Fiber Bragg Gratings for Simultaneous Temperature and Strain Measurements».
4. Sensornet. «Upstream oil & gas case study» (pdf). Процитовано 2008-12-19.
5. Schlumberger. «Wellwatcher DTS Fibre Optic Monitoring product sheet» (pdf). Процитовано 2010-09-22.
6. Trpkovski S., Wade, S. A.; Baxter, G. W.; Collins, S. F.. Dual temperature and strain sensor using a combined fiber Bragg grating and fluorescence intensity ratio technique in Er3+-doped fiber// Review of Scientific Instruments. — 74. — (2003) (5). DOI:10.1063/1.1569406. Переглянуто: 2008-07-04.
7. Measures, Raymond M. Structural Monitoring with Fiber Optic Technology. — С. Chapter 7. — San Diego, California, USA : Academic Press, 2001. ISBN 0-12-487430-4.
8. Ghosh S.K., Sarkar, S.K.; Chakraborty, S.. Design and development of a fiber optic intrinsic voltage sensor// Proceedings of the 12th IMEKO TC4 international symposium Part 2. — (2002): 415–419.
9. Ghosh S.K., Sarkar, S.K.; Chakraborty, S.. A proposal for single mode fiber optic watt measurement scheme// Journal of Optics (Calcutta). — 35. — (2006) (2): 118–124.
10. Zeller, M.; Scheer, G. (2008). «Add Trip Security to Arc-Flash Detection for Safety and Reliability, Proceedings of the 35rd Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA»