Tieu luan quang tu (cam bien soi quang)

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



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.



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



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)



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



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



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



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



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



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



+ 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



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.



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,



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



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:



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).



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



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.



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.



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.

http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_optic_sensor

Education

Tieu luan quang tu (cam bien soi quang)