Đề án: Nghiên cứu Cảm biến quang FBG và Ứng dụng cho IoT - Phan Văn Khấn

Tài liệu nghiên cứu tổng quan về cảm biến quang FBG, trình bày nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và các mô hình ứng dụng trong hệ thống IoT.

• Tác giả: Phan Văn Khấn
• Người hướng dẫn: TS. Cao Hồng Sơn
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu Cảm biến Quang FBG và Ứng dụng cho IoT
• Loại tài liệu: Đề án Thạc sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Cảm Biến Quang FBG Định Nghĩa và Nguyên Lý Cơ Bản

Cảm biến quang FBG (Fiber Bragg Grating) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cảm biến sợi quang, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống IoT hiện đại. FBG là một cách tử Bragg được tạo ra trên sợi quang thông thường, hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ bước sóng Bragg. Khi ánh sáng đi vào sợi quang chứa FBG, chỉ những bước sóng nhất định mới bị phản xạ, trong khi những bước sóng khác sẽ truyền qua. Đặc điểm này cho phép cảm biến FBG có thể đo lường chính xác các thay đổi về nhiệt độ, áp suất, và độ biến dạng. Nhờ vào độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu điện từ tuyệt vời, cảm biến quang FBG đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt.

1.1. Cấu Trúc và Hoạt Động của FBG

Cấu trúc FBG gồm một sợi quang có ghi lên một mạng tinh thể tạp nhập tuần hoàn. Mạng tinh thể này tạo ra một sự biến đổi điều kiện về chỉ số khúc xạ dọc theo sợi quang. Khoảng cách giữa các chu kỳ tuần hoàn gọi là chu kỳ Bragg, quyết định bước sóng trung tâm bị phản xạ. Khi nhiệt độ hoặc áp suất thay đổi, chu kỳ Bragg sẽ thay đổi, dẫn đến sự dịch chuyển bước sóng phản xạ. Phần mềm đo lường có thể theo dõi sự dịch chuyển này và chuyển đổi thành giá trị vật lý cần đo.

1.2. Ưu Điểm của Cảm Biến Quang FBG

Cảm biến FBG mang lại nhiều lợi thế so với cảm biến truyền thống. Chúng có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI). Độ chính xác đo lường lên tới ±0.1°C cho nhiệt độ và ±1 MPa cho áp suất. Ngoài ra, cảm biến này có tuổi thọ dài, chi phí bảo trì thấp, và có thể hoạt động trong môi trường cực đoan như nhiệt độ cao, áp suất cao, hoặc môi trường ăn mòn.

II. Nguyên Lý Vật Lý Đằng Sau Cảm Biến Quang FBG

Nguyên lý Bragg là nền tảng của công nghệ cảm biến quang FBG. Theo nguyên lý này, khi ánh sáng có bước sóng λB (bước sóng Bragg) truyền qua sợi quang với mạng tinh thể tuần hoàn, nó sẽ bị phản xạ mạnh. Bước sóng Bragg được xác định bằng công thức: λB = 2nΛ, trong đó n là chỉ số khúc xạ hiệu dụng và Λ là chu kỳ Bragg. Khi cảm biến FBG chịu tác động của lực ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ biến dạng), chu kỳ Bragg và chỉ số khúc xạ sẽ thay đổi, làm dịch chuyển bước sóng Bragg. Sự dịch chuyển này tỷ lệ thuận với độ lớn của tác động ngoài, cho phép đo lường chính xác. Độ nhạy cảm của FBG đối với nhiệt độ là khoảng 0.01 nm/°C, và đối với áp suất là khoảng 0.0015 nm/MPa.

2.1. Quá Trình Phản Xạ Bragg trong FBG

Khi ánh sáng Bragg truyền vào sợi quang, các sóng điện từ tương tác với mạng tinh thể tuần hoàn. Điều kiện phản xạ xảy ra khi đó là sự cộng hưởng Bragg - các sóng phản xạ từ các chu kỳ lân cận sẽ cộng hưởng xây dựng. Phần mềm phân tích sẽ ghi nhận phổ phản xạ và phổ truyền qua của FBG, từ đó xác định chính xác bước sóng Bragg.

2.2. Tính Chất Cảm Biến của FBG

Độ nhạy cảm của cảm biến quang FBG phụ thuộc vào thành phần vật liệu sợi quang và đặc tính của mạng tinh thể. Khi nhiệt độ tăng, chỉ số khúc xạ giảm và chu kỳ Bragg tăng, dẫn đến dịch chuyển bước sóng về phía bước sóng dài. Hệ số nhiệt độ của FBG thường nằm trong khoảng 0.008-0.012 nm/°C tùy thuộc vào loại sợi quang được sử dụng.

III. Phương Pháp Chế Tạo Cảm Biến Quang FBG

Chế tạo cảm biến quang FBG đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến và thiết bị chuyên dụng. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tia cực tím (UV) để ghi mạng tinh thể trực tiếp lên sợi quang đã pha tạp photosensitive. Kỹ thuật này bao gồm việc sử dụng một bộ gương can thiệp để tạo ra các vân giao thoa UV trên sợi quang. Những vân này sẽ thay đổi chỉ số khúc xạ của sợi quang theo mẫu tuần hoàn. Các phương pháp khác bao gồm in thạch bản giao thoa (IL) và phương pháp sử dụng mặt nạ pha. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, nhưng đều có thể tạo ra cảm biến FBG chất lượng cao với độ chính xác tuyệt vời. Quá trình chế tạo yêu cầu kiểm soát chính xác các tham số như cường độ UV, thời gian chiếu sáng, và nhiệt độ quá trình.

3.1. Kỹ Thuật Ghi UV Tiêu Chuẩn

Phương pháp ghi UV sử dụng tia cực tím có bước sóng khoảng 248 nm để pha tạp sợi quang. Bộ gương can thiệp tạo ra hai chùm UV giao thoa với nhau, tạo vân giao thoa có khoảng cách tuần hoàn. Khoảng cách này được điều chỉnh để phù hợp với bước sóng Bragg mong muốn. Cảm biến FBG được chế tạo từ phương pháp này có độ chính xác cao và độ ổn định tốt.

3.2. Các Phương Pháp Chế Tạo Tiên Tiến

In thạch bản giao thoa cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp với độ chính xác cao hơn. Phương pháp mặt nạ pha sử dụng một mặt nạ với các khe hở tuần hoàn để chọn lọc các bước sóng UV, tạo ra vân giao thoa trực tiếp. Các phương pháp này giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và tạo ra cảm biến FBG với hiệu suất tốt hơn.

IV. Ứng Dụng Cảm Biến Quang FBG trong IoT

Cảm biến quang FBG có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các hệ thống IoT (Internet of Things). Nhờ vào khả năng đo lường chính xác và độ tin cậy cao, cảm biến FBG có thể được triển khai trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực xây dựng, cảm biến quang FBG được sử dụng để giám sát sức khỏe của các công trình như cầu, tòa nhà, và đập nước. Chúng có thể đo độ biến dạng, nhiệt độ, và áp suất với độ chính xác rất cao, cho phép phát hiện sớm các vấn đề an toàn. Trong lĩnh vực dầu khí, cảm biến FBG được sử dụng để giám sát các điều kiện trong giếng khoan sâu dưới đất. Ngoài ra, chúng cũng được ứng dụng trong ngành điện, giao thông vận tải, y tế, và nhiều lĩnh vực khác. Các hệ thống cảm biến phân tán dựa trên FBG có thể tích hợp với các mạng IoT để cung cấp dữ liệu thực thời, hỗ trợ quản lý thông minh và dự báo bảo trì.

4.1. Ứng Dụng trong Giám Sát Công Trình Xây Dựng

Cảm biến FBG được lắp đặt trong các cấu kiến để giám sát độ biến dạng và nhiệt độ theo thời gian thực. Hệ thống cảm biến phân tán có thể đo lường tại hàng trăm điểm khác nhau trên cùng một sợi quang. Dữ liệu được thu thập và truyền đến trung tâm xử lý, nơi phân tích tình trạng sức khỏe của công trình. Phương pháp này giúp phát hiện sớm các biểu hiện bất thường và xác định vị trí chính xác của vấn đề.

4.2. Ứng Dụng trong IoT Công Nghiệp

Trong IoT công nghiệp, cảm biến quang FBG có thể tích hợp với các thiết bị khác để tạo ra hệ thống giám sát toàn diện. Chúng đo lường các thông số quan trọng như nhiệt độ lò luyện, áp suất đường ống, và độ biến dạng máy móc. Dữ liệu được truyền qua các giao thức IoT tiêu chuẩn để xử lý và phân tích, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 trình bày về khái niệm IoT, lịch sử phát triển IoT, các thành phần chính trong hệ thống IoT, kiến trúc của hệ thống IoT và xu hướng phát triển IoT. Ngoài ra trong chương còn trình bày cụ thể về vai trò của cảm biến sợi quang trong IoT và ứng dụng của cảm biến sợi quang trong IoT. Sự phát triển của IoT Điều kiện tiên quyết chính để triển khai các ứng dụng và hệ thống thành phố thông minh trong tương lai là sự tồn tại của cơ sở hạ tầng thông minh hiệu quả và đáng tin cậy. Cơ sở hạ tầng như vậy tích hợp một cách hiệu quả và đáng tin cậy các cơ sở hạ tầng cơ bản khác nhau như hệ thống phân phối nước, lưới điện, và cơ sở hạ tầng giao thông cùng với công nghệ thông tin, phân hệ thống cảm biến thông minh và mạng truyền thông.

Một xu hướng nổi bật khác là chăm sóc sức khỏe thông minh, có tiềm năng cải thiện chất lượng chăm sóc bệnh nhân và cách thức chăm sóc sức khỏe được cung cấp, chẳng hạn như thông qua chẩn đoán tốt hơn và nhanh hơn, điều trị bệnh nhân tốt hơn và cải thiện hiệu quả hoạt động. Trong môi trường sản xuất, những phát triển gần đây trong lĩnh vực hệ thống điều khiển kết hợp với công nghệ thông tin và truyền thông hiện đại (ICT) là động lực chính cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Trong những thập kỷ tới, xu hướng này có thể dẫn đến sự thay đổi căn bản trong các quy trình công nghiệp. Sự thâm nhập rộng rãi và triển khai rộng rãi giao tiếp giữa máy với máy (M2M) và Internet vạn vật (IoT) sẽ xóa bỏ ranh giới truyền thống giữa lĩnh vực sản xuất và viễn thông.

Do đó, một số lượng lớn các cảm biến, thiết bị truyền động và nhiều thiết bị thông minh khác được kết nối với nhau bằng mạng truyền thông có mặt khắp nơi, hiệu suất cao và có độ tin cậy cao là những phần xây dựng chính của một IoT hiệu quả và phổ biến. Sự kết hợp và tích hợp tối ưu của các thiết bị và công nghệ này cùng với việc thu thập và xử lý dữ liệu thông minh và hiệu quả là những yếu tố quan trọng trong việc hiện thực hóa các hệ thống và cơ sở hạ tầng tích hợp và thông minh [1]. Khái niệm IoT IoT là một thuật ngữ phổ biến trong kỷ nguyên số ngày nay – là bước nhảy vọt cũng như một khía cạnh quan trọng về trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Mặc dù vậy, IoT lại không được định nghĩa một cách toàn diện, thống nhất, đôi khi nó được định nghĩa từ khía cạnh ứng dụng hoặc là mối quan hệ của nó với Internet.

Sau đây là ba định nghĩa tổng quan về IoT được lựa: - Định nghĩa 1: Cụm từ “ Internet of Things” là cụm từ bao gồm hai từ “Internet” và “Things” và định nghĩa đầu tiên được nhìn nhận từ góc độ này. “Internet” được mô tả như một mạng toàn cầu trong khi “Things” đề cập đến các mục được kết nối với nó. Kết quả là các đồ vật, thiết bị kết nối với nhau và kết nối với Internet thông qua cảm biến, mạng không dây, phần mềm và các công nghệ khác cho phép chúng có thể thu thập, trao đổi dữ liệu. Nhớ đó mà các thiết bị trở nên “ thông minh hơn” nhờ khả năng gửi và (hoặc) nhận thông tin, tự động hoạt động dựa trên các thông tin đó mà không phụ thuộc vào tương tác của con người.

- Định nghĩa 2: Ở định nghĩa này thì khái niệm IoT mang tính trừu tượng hơn, nó đề cập đến bất cứ thứ gì có thể được truy cập từ bất cứ đâu vào bất cứ lúc nào bởi bất kỳ ai thông qua bất kỳ một dịch vụ mạng nào.1: Mô tả tương tác của mạng thiết bị kết nối Internet. - Định nghĩa 3: Năm 2013, tổ chức sáng kiến tiêu chuẩn toàn cầu về IoT (IoT-GSI) định nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được 4 tích hợp, và với mục đích ấy một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng truyền thông".1 mô tả tương tác của các thiết bị IoT giữa thế giới thực và thế giới ảo. Lịch sử phát triển IoT Lịch sử phát triển của IoT có thể được nêu ra thông qua các mốc quan trọng [11]: + 1968: Kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT) trong sản xuất bắt đầu được xây dựng, khi kỹ sư Dick Morley đã chế tạo ra một trong những đột phá quan trọng trong lịch sử sản xuất: bộ điều khiển lập trình logic PLC. Cho đến thời điểm hiện tại, thiết bị này vẫn là bộ phận không thể thay thế trong các dây chuyền tự động hóa.

+ Năm 1990: Máy nướng bánh mì được cho là đồ vật đầu tiên được kết nối internet. John Romkey, một kỹ sư phần mềm tại Mỹ, đã kết nối chiếc máy nướng bánh mì với máy tính qua internet để bật nó lên. + 1999: Đây là cột mốc quan trọng trong quá trình phát triển IoT. Kevin Ashton, Giám đốc Phòng thí nghiệm tự động nhận diện thuộc Đại học Massachusetts – Hoa Kỳ đã đưa khái niệm Internet vạn vật (IoT) vào bài diễn thuyết của mình để mô tả thế hệ cải tiến tiếp theo của công nghệ theo dõi RFID (bộ thiết bị nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến thường được sử dụng nhiều trong siêu thị để chống trộm cắp).

Đây cũng là lần đầu tiên khái niệm IoT được sử dụng. + 2000: LG giới thiệu chiếc tủ lạnh có kết nối Internet đầu tiên trên thế giới với mức giá 20. + 2008: Hội nghị quốc tế đầu tiên về IoT được tổ chức tại Zurich, Thụy Sĩ. + 2009: Theo Cisco, đây là thời điểm mà mạng internet vạn vật thực sự được khai sinh, khi số lượng thiết bị được kết nối internet vượt dân số thế giới.

+ 2013: Từ điển Oxford thêm thuật ngữ “Internet of Things” vào hệ thống định nghĩa. 5 + 2016: Xuất hiện khái niệm IoT trong sản xuất. Khi khái niệm về IoT được sử dụng nhiều hơn trong sản xuất, một khái niệm khác liên quan cũng được ra đời IoT trong công nghiệp. Những dấu mốc quan trọng khác: + 1983: Ethernet được tiêu chuẩn hóa.

+ 1989: Tim Berners-Lee tạo ra giao thức giao thức truyền tải siêu văn bản (HTTP). + 1992: TCP/IP cho phép PLCs kết nối với máy tính. + 2002: Máy chủ Amazon Web Services phát hành, và điện toán đám mây bắt đầu được đưa vào sử dụng. + 2006: Chuẩn OPC UA thúc đẩy các kết nối an toàn giữa các thiết bị, nguồn dữ liệu và các ứng dụng.

+ 2006: Các thiết bị chuyên dụng dần dần trở nên phổ biến và có giá trị kinh tế hơn. Các thiết bị cũng được thiết kế và sản xuất với kích thước nhỏ hơn, sử dụng năng lượng pin hoặc năng lượng mặt trời. + Từ 2010-nay: Các cảm biến có giả các phải chăng hơn, thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi các thiết bị này trong mọi mặt của đời sống. + 1983: Ethernet được tiêu chuẩn hóa.

+ 1989: Tim Berners-Lee tạo ra giao thức giao tiếp chung giao thức truyền tải siêu văn bản (HTTP). + 1992: TCP/IP cho phép PLCs kết nối với máy tính. + 2002: Máy chủ Amazon Web Services phát hành, và điện toán đám mây bắt đầu được đưa vào sử dụng. + 2006: Chuẩn OPC UA thúc đẩy các kết nối an toàn giữa các thiết bị, nguồn dữ liệu và các ứng dụng.

+ 2006: Các thiết bị chuyên dụng dần dần trở nên phổ biến và có giá trị kinh tế hơn. Các thiết bị cũng được thiết kế và sản xuất với kích thước nhỏ hơn, sử dụng năng lượng pin hoặc năng lượng mặt trời. + Từ 2010-nay: Các cảm biến có giả các phải chăng hơn, thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi các thiết bị này trong mọi mặt của đời sống. Các thành phần chính trong hệ thống IoT Một hệ thống IoT sẽ bao gồm 4 thành phần chính: + Thiết bị: gồm các thiết bị cuối tham gia vào mạng.

IoT (đồng hồ đeo tay, tủ lạnh, điện thoại thông minh,…), mỗi thiết bị sẽ được tích hợp một cảm biến không dây thông minh hoặc các thiết bị có thể nhận lệnh trực tiếp từ người dung. + Trạm kết nối hay cổng kết nối: Là cầu nối giữa các công nghệ truyền thông khác nhau. Nó là một máy tính nhúng làm cầu nối kết nối giữa các cảm biến, tác nhân tới mạng Internet hoặc mạng nội bộ Intranet. + Hạ tầng mạng hay các điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.

Đám mây đóng vai trò như “bộ não” của mô hình IoT vì chúng chịu trách nhiệm xử lý, chỉ huy và phân tích các dữ liệu thu thập được. + Bộ phân tích và xử lý dữ liệu: dữ liệu thô sẽ được thu thập, phân tích và chuyển đổi thành các thông tin hữu ích, có khả năng hỗ trợ người dùng đưa ra các quyết định quan trọng. Nguyên lý hoạt động của hệ thống IoT được thực hiện thông qua bốn bước như mô tả trong Hình 1.2: Nguyên lý cơ bản của IoT [12] + Thu thập dữ liệu: Các cảm biến, thiết bị thu thập dữ liệu (nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh…) từ môi trường. + Chia sẻ dữ liệu: nhờ cảm biến, thiết bị được kết nối Internet, dữ liệu được chia sẻ thông qua bộ lưu trữ đám mây.

+ Xử lý dữ liệu: Dữ liệu trên bộ lưu trữ đám mây được hệ thống máy tính xử lý và đưa ra quyết định hoặc gửi kết quả đến người dùng. 7 + Đưa ra quyết định: Người dùng nhận dữ liệu thông qua email, thông báo… và đưa ra quyết định thông qua một bộ giao diện nào đó. Kiến trúc của hệ thống IoT Công nghệ Internet vạn vật (IoT) có rất nhiều ứng dụng và việc sử dụng Internet vạn vật ngày càng phát triển nhanh hơn. Tùy thuộc vào các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của IoT, nó hoạt động tương ứng theo nó đã được thiết kế/phát triển.

Nhưng nó không có một kiến trúc làm việc được xác định tiêu chuẩn được tuân thủ nghiêm ngặt trên toàn cầu. Kiến trúc của IoT phụ thuộc vào chức năng và cách triển khai của nó trong các lĩnh vực khác nhau.