בשנת 1960 הומצא אור לייזר ולאחר המצאת לייזרים החוקרים גילו עניין ללמוד את היישומים של מערכות תקשורת סיבים אופטיים לחישה, תקשורת נתונים ויישומים רבים אחרים. לאחר מכן ה מערכת תקשורת סיבים אופטיים הפכה לבחירה האולטימטיבית עבור העברת נתונים של ג'יגה-ביט ומעבר לכך. סוג זה של תקשורת סיבים אופטיים משמש להעברת נתונים, קול, טלמטריה ווידאו בתקשורת למרחקים ארוכים או רשתות מחשבים או רשתות LAN. טכנולוגיה זו משתמשת בגל אור כדי להעביר את הנתונים על גבי סיב על ידי שינוי אותות אלקטרוניים לאור. חלק מהמאפיינים המצוינים של טכנולוגיה זו כוללים משקל קל, הנחתה נמוכה, קוטר קטן יותר, העברת אות למרחקים ארוכים, אבטחת שידור וכן הלאה.
חיישני סיבים אופטיים
באופן משמעותי, ה טכנולוגיית טלקומוניקציה שינתה את ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית סיבים אופטיים. המהפכה האחרונה הופיעה כמעצבים לשילוב התוצאות היצרניות של מכשירים אופטו-אלקטרוניים עם מכשירי סיבים אופטיים-טלקומוניקציה ליצירת חיישני סיבים אופטיים. רבים מהרכיבים הקשורים למכשירים אלה מפותחים לעיתים קרובות ליישומי חיישני סיבים אופטיים. יכולתם של חיישני הסיבים האופטיים גדלה במקום החיישן המסורתי.
חיישני סיבים אופטיים
חיישני הסיבים האופטיים הנקראים גם חיישני סיבים אופטיים משתמשים בסיבים אופטיים או באלמנט חישה. חיישנים אלה משמשים לחישת כמויות מסוימות כמו טמפרטורה, לחץ, רעידות, תזוזות, סיבובים או ריכוז של מינים כימיים. לסיבים יש כל כך הרבה שימושים בתחום החישה מרחוק מכיוון שהם אינם זקוקים לחשמל במקום המרוחק ויש להם גודל זעיר.
חיישני סיבים אופטיים הם עילאיים לתנאים שאינם רגישים, כולל רעש, רעידות גבוהות, חום קיצוני, סביבות רטובות ולא יציבות. חיישנים אלה יכולים להשתלב בקלות באזורים קטנים וניתן למקם אותם נכון בכל מקום בו יש צורך בסיבים גמישים. ניתן לחשב את שינוי אורך הגל באמצעות מכשיר, רפרומטרומטריה של תחום תדרים אופטי. ניתן להחליט על עיכוב הזמן של חיישני הסיבים האופטיים באמצעות מכשיר כגון רפלקטומטר אופטי של תחום זמן.
דיאגרמת חסימות של חיישן סיבים אופטיים
תרשים הבלוקים הכללי של חיישן הסיבים האופטיים מוצג לעיל. דיאגרמת הגוש מורכבת ממקור אופטי ( דיודה פולטת אור , LASER, ודיודת לייזר), סיבים אופטיים, אלמנט חישה, גלאי אופטי והתקני עיבוד קצה (מנתח הספקטרום האופטי, אוסצילוסקופ). חיישנים אלה מסווגים לשלוש קטגוריות על בסיס עקרונות ההפעלה, מיקום החיישן והיישום.
סוגי מערכות חיישני סיבים אופטיים
ניתן לסווג את החיישנים הללו ולהסביר אותם באופן הבא:
1. בהתבסס על מיקום החיישן, חיישני הסיבים האופטיים מסווגים לשני סוגים:
- חיישנים פנימיים של סיבים אופטיים
- חיישן סיבים אופטי אקסטרינס
חיישני סיבים אופטיים מסוג פנימי
בסוג חיישנים זה, החישה מתרחשת בתוך הסיב עצמו. החיישנים תלויים בתכונות של הסיב האופטי עצמו כדי להמיר פעולה סביבתית ל- וויסות של קרן האור העוברת דרכה. כאן, אחד המאפיינים הפיזיים של אות האור עשוי להיות בצורה של תדר, שלב, ועוצמת קיטוב. המאפיין השימושי ביותר של חיישן הסיבים האופטי הפנימי הוא שהוא מספק חישה מבוזרת למרחקים ארוכים. הרעיון הבסיסי של חיישן הסיבים האופטי הפנימי מוצג באיור הבא.
חיישני סיבים אופטיים מסוג פנימי
חיישני סיבים אופטיים מסוג אקסטרינסיים
בחיישני סיבים אופטיים מסוג חיצוני, הסיבים עשויים לשמש כמובילי מידע המראים את הדרך לקופסה שחורה. הוא מייצר אות אור בהתאם למידע שהגיע לתיבה השחורה. הקופסה השחורה עשויה להיות עשויה מראות,גז או כל מנגנון אחר שיוצר אות אופטי. חיישנים אלה משמשים למדידת סיבוב, מהירות רטט, תזוזה, פיתול, מומנט ותאוצה. העיקרי היתרון של חיישנים אלה היכולת שלהם להגיע למקומות שאינם מגיעים להשגה אחרת.
חיישני סיבים אופטיים מסוג אקסטרינסיים
הדוגמה הטובה ביותר לחיישן זה היא מדידת הטמפרטורה הפנימית של מנוע סילון המטוס המשתמש בסיבים להעברת קרינה לפירומטר קרינה, הנמצא מחוץ למנוע. באותו אופן, ניתן להשתמש בחיישנים אלה גם למדידת הטמפרטורה הפנימית של ה- רוֹבּוֹטרִיקִים . חיישנים אלה מספקים הגנה מצוינת על אותות מדידה מפני השחתת רעשים. האיור הבא מראה את הרעיון הבסיסי של חיישן הסיבים האופטיים החיצוניים.
2. על בסיס עקרונות ההפעלה, חיישני סיבים אופטיים מסווגים לשלושה סוגים:
- מבוסס עוצמה
- מבוסס שלב
- מבוסס קיטוב
חיישן סיבים אופטי מבוסס אינטנסיביות
חיישני סיבים אופטיים מבוססי עוצמה דורשים יותר אור וחיישנים אלה משתמשים בסיבי ליבה מרובי-מצבים. הדמות המוצגת נותנת מושג על האופן שבו עוצמת האור עובדת כפרמטר חישה וכן כיצד סידור זה גורם לסיבים לעבוד כ חיישן רטט. כשיש רטט, יהיה שינוי באור המוחדר מקצה לקצה אחר וזה יהפוך את האינטליגנציה למדידת משרעת הרטט.
חיישן סיבים אופטי מבוסס אינטנסיביות
באיור, חיישן הסיבים האופטי והרטט הקרוב יותר תלוי בעוצמת האור בחלקים מאוחרים יותר. לחיישנים אלה יש מגבלות רבות עקב הפסדים משתנים במערכת שאינם מתרחשים בסביבה. הפסדים משתנים אלה כוללים הפסדים בגלל שחבור, הפסדי כיפוף מיקרו ומקרו, הפסדים בגלל חיבורים במפרקים וכו '. הדוגמאות כוללות חיישנים מבוססי עוצמה או חיישן מיקרובנד וחיישן גל מתחמק.
היתרונות של חיישני סיבים אופטיים אלה כוללים עלות נמוכה, יכולת ביצוע כחיישנים מבוזרים אמיתיים, פשוטים מאוד ליישום, אפשרות להיות מרובי וכו '. החסרונות כוללים וריאציות בעוצמת האור ומדידות יחסית וכו'.
חיישן סיב אופטי מבוסס קיטוב
סיבים אופטיים מבוססי קיטוב חשובים עבור סוג מסוים של חיישנים. ניתן לשנות את המאפיין הזה פשוט על ידי משתנים חיצוניים שונים וכך, אלה סוגי חיישנים יכול לשמש למדידת טווח פרמטרים.סיבים מיוחדים ורכיבים אחרים פותחו עם תכונות קיטוב מדויקות. באופן כללי, אלה משמשים במגוון של יישומים למדידות, תקשורת ועיבוד אותות.
חיישן סיב אופטי מבוסס קיטוב
ההתקנה האופטית לחיישן מבוסס סיב אופטי של קיטוב מוצגת לעיל. הוא מעוצב על ידי קיטוב האור ממקור האור דרך מקטב. האור המקוטב מתחיל בשעה 45 מעלות לצירים שנבחרו באורך של קיטוב דו-מוליך המגן על הסיבים. קטע זה של הסיב משמש כסיב חישה. לאחר מכן, הפרש הפאזה בין שני מצבי הקיטוב משתנה בכל הפרעה חיצונית כמו מתח או מתח. ואז, בהתאם להפרעות החיצוניות, קיטוב המוצא משתנה. לכן, על ידי התחשבות במצב קיטוב המוצא בקצה הבא של הסיב, ניתן לזהות את ההפרעות החיצוניות.
חיישן סיבים אופטי מבוסס שלב
סוגים אלה של חיישנים משמשים לשינוי אור פולט על אות מידע שבו האות נצפה על ידי חיישן הסיב האופטי המבוסס על פאזה. כאשר קרן אור עוברת דרך האינטרפרומטר, האור נפרד לשתי קרנות, כאשר קרן אחת נחשפת לסביבת החישה והקורה השנייה מבודדת מסביבת החישה, המשמשת כנקודת התייחסות. ברגע ששתי הקורות המופרדות משולבות מחדש, הן מפריעות זו לזו. האינטרפרומטרים הנפוצים ביותר הם מיצ'לסון, מאך ז'נדר, סאגנאק, אינטרפרומטרים צורמים וקוטבי מדידה. כאן, האינטרפרומטרים של מאך זהנדר ומישלסון מוצגים להלן.
חיישן סיבים אופטי מבוסס שלב
להלן הבדלים ודמיון בין שני האינטרפרומטרים. מבחינת קווי הדמיון, אינטרפרומטר מיכלסון נחשב לעיתים קרובות לאפרפרומטר של מק זננדר מקופל. התצורה של אינטרפרומטר מיכלסון דורשת רק מצמד סיבים אופטי אחד. מכיוון שהאור עובר פעמיים דרך סיבי החישה וההתייחסות, העברת הפאזה האופטית ליחידת סיב מוכפלת. לפיכך, למישלסון יש רגישות טובה יותר. יתרון ברור נוסף של מיכלסון הוא שניתן לחקור את החיישן עם סיב יחיד בלבד בין מודול הגלאי למקור. אבל, נדרשת מראה השתקפות איכותית לאינטרפרומטר מיכלסון
3. בהתבסס על יישום, חיישני סיבים אופטיים מסווגים לשלושה סוגים כגון
- חיישן כימי
- חיישן פיזי
- חיישן רפואי ביו
חיישן כימי
חיישן כימי הוא מכשיר המשמש לשינוי מידע כימי בצורה של אות פיזיקלי מדיד הקשור לריכוז של מין כימי מסוים. החיישן הכימי הוא מרכיב חשוב של מנתח ויכול לכלול כמה מכשירים המבצעים את הפעולות הבאות פונקציות: עיבוד אותות, דגימה ועיבוד נתונים. מנתח עשוי להיות חלק חשוב ממערכת אוטומטית.
חיישן כימי
עבודת המנתח על פי תוכנית דגימה כפונקציה של זמן משמשת כמוניטור. חיישנים אלה כוללים שתי יחידות פונקציונליות: קולטן ומתמר. בחלק הקולטן, המידע הכימי הופך לאנרגיה שעשויה להימדד על ידי המתמר. בחלק המתמר, המידע הכימי הופך לאות אנליטי והוא אינו מראה רגישות.
חיישן פיזי
חיישן פיזי הוא מכשיר המיוצר על פי ההשפעה הפיזית והטבע. חיישנים אלה משמשים לספק מידע אודות מאפיין פיזי של המערכת. סוג זה של חיישנים מסומן בעיקר על ידי חיישנים כגון חיישנים פוטואלקטריים, חיישנים פיזואלקטריים , חיישני עמידות למתכת מתכת וחיישנים עמידים בפני פיזו.
חיישן רפואי ביו
חיישן ביו-רפואי הוא מכשיר אלקטרוני המשמש להעברת כמויות שונות שאינן חשמליות בתחומים ביו-רפואיים לכמויות חשמליות הניתנות לזיהוי בקלות. מסיבה זו חיישנים אלה נכללים בניתוח שירותי הבריאות. טכנולוגיית חישה זו היא המפתח לאיסוף מידע פתולוגי ופיזיולוגי אנושי.
חיישן רפואי ביו
יישומים של חיישני סיבים אופטיים
חיישני סיבים אופטיים משמשים במגוון מגוון של יישומים כגון
- מדידת תכונות פיזיקליות כגון טמפרטורה, תזוזה,מהירות, זן במבנים בכל גודל או צורה כלשהי.
- בזמן אמת, מעקב אחר המבנה הפיזי של הבריאות.
- מבנים וגשרים, מנהרות,סכרים, מבני מורשת.
- מצלמת ראיית לילה, מערכות אבטחה אלקטרוניות , זיהוי פריקה חלקית ומדידת עומסי גלגלים של כלי רכב.
לפיכך, סקירה כללית של חיישני סיבים אופטיים ויישומים נדונו. ישנם יתרונות רבים בשימוש בחיישני סיבים אופטיים לתקשורת למרחקים ארוכים הכוללים גודל קטן, קל משקל, קומפקטיות, רגישות גבוהה, רוחב פס רחב וכו '. כל המאפיינים הללו משתמשים בצורה הטובה ביותר בסיבים האופטיים כחיישן. מלבד זאת, לכל עזרה בנושא זה או רעיונות מבוססי חיישנים , אתה יכול ליצור איתנו קשר על ידי תגובה בקטע ההערות למטה.
נקודות זיכוי:
- חיישן סיבים אופטי מאת הפעלת אוטומציה
- חיישן כימי מאת כַּעַס.ה
- חיישן רפואי ביו מאת imimg
