Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi 1.1 Phân loại cảm biến quang sợi Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến quang sợi đang được nghiên cứu và sử dụng[3]. Chúng ta có thể phân loại cảm biến quang sợi theo các tiêu chí như sau: - Căn cứ vào quá trình điều chế và giải điều chế của cảm biến có thể phân loại cảm biến cường độ (biên độ), cảm biến pha, cảm biến tần số hay cảm biến phân cực. Bởi vì việc phát hiện pha hay tần số trong quang học dựa trên kỹ thuật giao thoa nên chúng ta cũng gọi các cảm biến loại này là cảm biến giao thoa. - Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại trên cơ sở ứng dụng của chúng: cảm biến vật lý ( ví dụ như đo nhiệt độ, sức căng,…), cảm biến hóa học (ví dụ như đo nồng độ pH, phân tích khí, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu,…), cảm biến y sinh (đưa vào qua ống thông hay nội soi để đo lưu lượng máu, nồng độ glucose,…).
Các cảm biến quang sợi theo cường độ hay cảm biến giao thoa đều có thể được dùng trong các ứng dụng này. - Cảm biến quang sợi ngoại sinh và cảm biến quang sợi nội sinh là một cách phân loại khác. Ở cảm biến quang sợi ngoại sinh, quá trình cảm biến diễn ra bên ngoài sợi quang và sợi quang làm việc như một ống dẫn truyền tải ánh sáng đến vùng cảm biến một cách hiệu quả và theo mô hình mong muốn để thu góp ánh sáng từ vùng cảm biến về trung tâm xử lý. Ngược lại, trong một cảm biến quang sợi nội sinh, một hoặc nhiều tính chất vật lý của sợi quang sẽ thay đổi khi có tác động của các thông số môi trường.
- Cảm biến quang sợi cũng có thể được phân loại theo đáp ứng với số điểm đo trong môi trường. Ba loại cảm biến quang sợi quan trọng là: cảm biến điểm- điểm, cảm biến tập trung và cảm biến phân tán. Trong cảm biến điểm-điểm có một điểm đo duy nhất tại điểm cuối của sợi quang tương tự như hầu hết các cảm biến điện. Cảm biến tập trung cho phép đo tại nhiều điểm trong môi trường do một hệ thống sợi quang đảm nhiệm và cảm biến phân tán có thể cảm nhận môi trường tại bất cứ điểm nào dọc theo một tuyến sợi quang.
Mỗi loại cảm biến này lại được phân loại thành các loại nhỏ. Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét vài loại cảm biến quang sợi quan trọng nhất.2 Cảm biến quang sợi nội sinh và cảm biến ngoại sinh Trong cảm biến quang sợi nội sinh, các thuộc tính của chính bản thân sợi sẽ biến các thay đổi của môi trường thành dạng điều chế của chùm sáng truyền qua. Điều Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Cảm biến thủy âm quang sợi chế này có thể là cường độ, pha hay phân cực. Cảm biến quang sợi nội sinh diễn ra trong chính bản thân sợi quang.
Hầu như bất kỳ tác động môi trường nào cũng có thể được biến đổi thành tín hiệu quang để được phân tích, xử lý. Các trường hợp thông thường, mỗi tác động môi trường có thể được đo bằng hàng chục phương pháp sử dụng các loại cảm biến quang sợi khác nhau. Điều quan trọng là cần thiết kế cảm biến để thu được sự thay đổi mong muốn của môi trường. Ngược lại, trong cảm biến quang sợi ngoại sinh, sợi quang được sử dụng để mang ánh sáng (có mang thông tin ban đầu) vào trong một hộp đen có chứa môi trường cần đo và dẫn chùm sáng mang thông tin bị tác động bởi môi trường về thiết bị xử lý, phân tích.
Hộp đen có thể chứa gương, khí hay tế bào chất lỏng, một nhánh cantilever hoặc hàng chục cơ chế khác có thể tạo ra để điều chỉnh hoặc biến đổi chùm sáng[3].3 Cảm biến quang sợi dựa vào điều chế quang Các loại cảm biến quang sợi có điều chế quang gồm bốn loại chính. Dưới đây, chúng tôi sẽ thảo luận về mỗi loại cảm biến này[3].1 Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ Trong một vài khía cạnh, loại đơn giản nhất của cảm biến quang sợi dựa vào thay đổi cường độ ánh sáng thuộc loại cảm biến ngoại sinh dựa trên điều chế cường độ.1 sẽ chỉ ra một cảm biến dịch chuyển bao gồm hai sợi quang được giữ rất gần nhau. Ánh sáng được đưa vào một sợi quang, khi nó đi ra, chùm sáng mở rộng thành hình nón mà có góc phụ thuộc độ dịch chuyển.1: Cảm biến dịch chuyển dựa trên khẩu độ số có thể được sử dụng để chỉ thị đóng cửa và đo mức dịch chuyển của máy móc. Với loại cảm biến này hệ số điều chế thông thường có thể được định nghĩa là ∆� �� �1.
� Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Cảm biến thủy âm quang sợi Ở đây, ∆I là sự thay đổi công suất quang gây ra bởi điều chế, I0 là công suất quang đạt được tại đầu thu khi không có điều chế và P là nhiễu. Một mẫu cảm biến đã được chế tạo và thử nghiệm để đo sức căng cơ khí của hệ thống Hình 1.2 là một mẫu cảm biến dịch chuyển sử dụng trong một hệ thống để giám sát sức căng hay độ dịch chuyển của một hệ cơ khí. Khi có một sự dịch chuyển hay một lực căng cơ học xảy ra sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai lõi sợi quang do vậy thay đổi khẩu độ số của chùm sáng làm cho cường độ tín hiệu thu được tăng lên hoặc giảm đi. Nhờ hệ thống phân tích sẽ biết được sức căng hay độ dịch chuyển.
Tuy nhiên, cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có một số hạn chế như mất mát và thăng giáng trong hệ thống không liên quan đến tác động của môi trường. Hạn chế này xảy ra liên quan tới mất mát do các đầu nối và bộ chia, mất mát do micro hay macro bending, sai lệch cơ khí và sự lệch của nguồn sáng và đầu thu. Để giải quyết các vấn đề này nhiều cảm biến quang sợi dựa vào cường độ với độ phân giải cao đã Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Cảm biến thủy âm quang sợi triển khai thành công hai bước sóng. Một bước sóng được sử dụng để hiệu chỉnh tất cả các lỗi do sự thay đổi cường độ không mong muốn bằng cách bỏ qua vùng cảm biến.
Có nhiều cơ chế biến đổi dẫn đến sự thay đổi cường độ sáng khi chùm sáng truyền qua một sợi quang do vậy cảm biến quang sợi dựa vào cường độ có thể bị ảnh hưởng bởi mất mát do uốn cong, do bộ hợp hai sợi quang, lớp phủ bị thay đổi, phản xạ, hấp thụ, suy hao, tán xạ phân tử, hiệu ứng phân tử hay trường phân rã. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng vi uốn cong(micro bending) Chúng ta biết rằng khi uốn cong sợi quang sẽ có mất mát do hiện tượng uốn cong (bending). Uốn cong cục bộ được gọi là vi uốn cong (micro bending). Do đó, cường độ sáng lối ra tỉ lệ thuận với lượng vi uốn cong.
Vì vậy, bằng việc phát hiện ra sự thay đổi cường độ ánh sáng lối ra của cảm biến quang sợi, lượng vi uốn cong có thể đo được.3: Cảm biến vi uốn cong đơn giản Bên cạnh việc đo dịch chuyển, một vài thông số khác như sức căng, áp suất, áp lực và thay đổi vị trí có thể cũng được thiết kế cơ khí để liên hệ với sự thay đổi vi uốn cong này, bởi vậy các thông số này cũng có thể được đo bằng cùng một cấu hình cảm biến quang sợi.4 là mô hình ứng dụng một cảm biến quang sợi sử dụng hiện tượng uốn cong để mô phỏng độ cong của một vật. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Cảm biến thủy âm quang sợi Hình 1. Một ứng dụng của cảm biến quang sợi sử dụng vi uốn cong Một hệ sợi quang được đặt dọc vật sẽ thay đổi cường độ sáng đi qua nó khác nhau khi có một lực uốn cong vật. Dựa vào sự thay đổi này chúng ta có thể phân tích và mô phỏng lại độ cong này nhờ máy tính.
Ưu điểm chính của sợi quang cảm biến vi uốn cong là giá thành rẻ và khi sử dụng kết hợp với kỹ thuật phản xạ miền thời gian quang, chúng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng rộng hơn. Nhược điểm của nguyên lý sử dụng sợi quang cảm biến vi uốn cong là độ chính xác tổng thể thường khá thấp. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp phản xạ Hình 1.5 chỉ ra nguyên lý cơ bản của một cảm biến quang sợi sử dụng phương pháp phản xạ. Ánh sáng truyền dọc theo sợi quang từ trái sang phải, truyền đến cuối sợi và đến một gương phản xạ chuyển động.
Nếu gương phản xạ chuyển động đến càng gần sợi quang thì hầu hết ánh sáng có thể được phản xạ ngược trở lại sợi và cường độ ánh sáng càng tăng lên. Tuy nhiên khi gương phản xạ chuyển động ra xa so với lối ra cuối sợi quang thì sẽ có ít ánh sáng có thể quay trở lại sợi quang và sẽ thu được tín hiệu yếu. Do đó, quan hệ qua lại giữa khoảng cách giữa gương phản xạ với sợi quang và cường độ ánh sáng phản xạ lại sợi quang có thể được sử dụng để đo độ dịch chuyển. Để tránh sự ảnh hưởng của thăng giáng cường độ của nguồn sáng, một tín hiệu tham chiếu thích hợp có thể được thêm vào trong loại cảm biến quang sợi dựa vào cường độ này.
Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Cảm biến thủy âm quang sợi Hình 1. Cảm biến quang sợi sử dụng phương pháp phản xạ c. Cảm biến quang sợi dựa vào cường độ sử dụng phương pháp ghép sóng phù du Một hiện tượng sóng phù du xảy ra khi ánh sáng lan truyền dọc một sợi quang đơn mode, nó không hoàn toàn bị giới hạn trong lõi sợi mà mở rộng ra vùng bọc thủy tinh xung quanh. Phần sóng ánh sáng trong vùng bao quanh này được gọi là sóng phù du.
Hiện tượng này được sử dụng để chế tạo một trong những thiết bị quang sợi được sử dụng rộng rãi nhất: đó là bộ coupler quang. Cường độ ghép giữa hai sợi quang là một hàm của khoảng cách giữa hai lõi sợi. Khoảng cách càng gần thì khả năng ghép càng mạnh.6 cho thấy một cảm biến quang sợi dựa trên khái niệm ghép sóng phù du này.