Optical fiber sensors

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Outline

• Sensors Based on Numerical Aperture

Linear Position Sensors Wavelength Division

• Critical Angle Pressure/Index of Refraction Measurement

• Sensor Based on Total Internal Reflection

• Evanescence Based Sensors

• Intensity: Microbending-sensor

• Limitations of Intensity Based Fiber Optic Sensors• Limitations of Intensity Based Fiber Optic Sensors

• Spectral Approaches

Fluorescence

• Fiber Grating

•Summary

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Closure and Vibration Sensors Based on Numerical Aperture

d

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Closure and Vibration Sensors Based on Numerical Aperture

Flexible

mountedmounted

mirror

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Translation Sensor Based on Numerical Aperture

Input light

Detectors

Collection fibers

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Translation Sensor Based on Numerical Aperture

Input light

Detectors

Collection fibers

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Rotary Position Based on Reflectance

Variable reflectance shaft

Input/output fibers

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Linear Position Sensors Wavelength Division

Encoder card

Light source WDMs

λλλλ1

λλλλ3

λλλλ2

Detectors

λλλλ1 λλλλ3λλλλ2

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Linear Position SensorsTime Division

Encoder card

Light source

Detector

Time delay loop

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Critical Angle Pressure/Index of Refraction Measurement

Fiber core

no outside

medium index

of refraction

Light input,

outputFiber cladding

Mirror

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Liquid Level Sensor Based on Total Internal Reflection

LiquidLiquid

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Liquid Level Sensor Based on Total Internal Reflection

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Evanescence Based Sensors

Light in

L

Interaction length

Light

outputs

d

Fiber cores

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Microbend Fiber Sensors

Light source

Microbend

transducer

Detector

transducer

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Intensity: Microbending-sensor

Pressure and deformation measurements

Loss of intensity

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Curvature measurements

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Grating Based Intensity Sensor

Graded index lens

Input fiber Output fiber

Stationary mount

Input fiber Output fiber

Spring

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Limitations of Intensity Based Fiber Optic Sensors

• Variable loss due to connectors

• Microbending losses

• Macrobending losses• Macrobending losses

• Mechanical losses due to creep and

misalignment

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Spectral Approaches

• Self referenced intensity sensors based on

dual wavelengths

• Fiber optic sensors based on spectral

response

» Blackbody radiation

» Absorption/fluorescence

» Dispersive elements - gratings and etalons

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Blackbody Sensors

Blackbody

cavity

Lens

Narrow band filter

Optical fiber

Detector

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Blackbody Radiation

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Variable Absorption Probes

Input fiberGsAs sensor

probe

Output fiber

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Fluorescent Probes

End tip

Fluorescent material

Etched

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Fluorescence

• Probably the most used tool in bioscience

• Very sensitive tool

• Provides a zero background signal• Provides a zero background signal

• Utilises electronic transitions

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Fluorescence

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Bioscience fluorescence markers

• Fluorescent labelled specific antibodies can be

utilized.

–Inflammatoric reactions can be diagnosed by

labelling leucocytes

• Fluorophores are frequently used in

histopathology to stain subcellular structures.

• Specific fluorophores are developed to

measure ionic concentrations in tissue or cells

– pH and calcium concentrations can be

measured using various fluorophores.

False-color image of free Ca2+ concentration in a Purkinje

neuron from embryonic mouse

cerebellum. Molecular probes:

http://www.probes.com/servlets/photo?fileid=g000451

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Absorption/Fluorescent Systems

Probe tip

Connector

Light source

Spectrometer

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Fiber Grating

Laser beams

Induced

grating

pattern

Fiber

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Fiber Grating - Phase Mask Method

Laser beam

Phase mask

Blue Road Research Session 6, Page 7

Induced

grating

pattern

Fiber

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Producing FBG

Phase Mask

Interference Pattern

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Summary - Intensity and Spectrally Based Fiber Sensors

• Intensity based sensors:

» Offer simplicity and low cost

» Are subject to variable attenuation errors

• Spectral techniques may be used to minimize • Spectral techniques may be used to minimize

attenuation errors.

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