ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG

ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG

Hình 1: Trong một hệ cảm biến cáp quang, bộ phát và bộ thu đặt trong cùng
một khoang. Cáp quang nối với bộ khuếch đại cho phép cảm biến tiếp cận các
khu vực mà cảm biến quang điện bình thường không thể tới.

Hệ cảm biến là một hệ thống gồm một đường cáp quang nối với một cảm
biến hoặc một bộ khuếch đại .
1


Cảm biến phát, thu, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành một tín hiệu
điện .
Cáp quang đóng vai trò phương tiện vận chuyển ánh sáng ra và vào các
khu vực hẹp hoặc chịu điều kiện khắc nghiệt .
Cáp quang gồm một lõi bằng nhựa hoặc kính được bọc bằng một lớp vải
đặc biệt có chiết suất
, bán kính a ( 10 ÷ 100 µm ) và một vỏ có chiết
suất
<
.
dày ~ 50 µm .

Hình 2

Cáp quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ nội bộ toàn phần :

2


Hình 3

Ở mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất tương ứng là

và

,các góc
và
do một tia sáng tạo thành với đường trực giác của
mặt phẳng liên hệ với nhau bởi công thức :
sin
Khi

>

=

sin

sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần nếu:

> Arcsin [

3

] =


Với điều kiện như vậy ,trong cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và
được truyền đi bằng sóng phản xạ liên tục nối tiếp nhau .

Hình 4

Hình 5

4


Vật liệu dùng để chế tạo cáp quang gồm :
-

tinh khiết hoặc pha tạp nhẹ .

- Thủy tinh, thành phần của

và phụ gia

,

,

…

- Polyme trong ( một số trường hợp).

Sợi cáp quang có thể làm bằng thủy tinh hoặc bằng nhựa
 Sợi quang thủy tinh :

Sợi quang thủy tinh có cấu tạo bởi các bó sợi thủy tinh có đường
kính khoảng 0.051 mm được bọc trong một lớp PVC hoặc thép
không rỉ mềm

Thủy tinh chịu ăn mòm, có thể làm việc trong các điều kiện khắc
nghiệt như nhiệt độ cao hoặc ăn mòn

Các bó sợi thủy tinh có thể chịu nhiệt độ 450ºF, loại đặc biệt có thể
chịu tới 1200ºF .
Tuy nhiên sợi thủy tinh chỉ chịu được độ uốn nhất định, không thể bẻ
ngoặt , kéo dãn hoặc chịu độ rung lớn. nếu nhiều sợi bị đứt gãy có
thể làm ảnh hưởng tới khả năng truyền tín hiệu của cáp .

 Sợi quang nhựa :

5


Hình 6

Gồm một sợi duy nhất có đường kính 0.254 ÷ 1.52 mm.
Sợi nhựa mềm và đặc biệt thích hợp cho các cho các ứng dụng yêu
cầu độ mềm dẻo lớn để vượt qua các chỗ hẹp .

Hãng Omron và một số nhà sản xuất khác đã phát triển loại sợi nhựa
siêu bền nhiều lõi linh hoạt . Khác với loại nhựa truyền thống, chúng
có nhiều lõi độc lập, có độ mềm gần bằng với dây điện , có thể bẻ
gập 90º mà không làm giảm độ truyền sáng .

Sợi quang thông thường : Chỉ sử dụng một lõi và một
phần lớp vỏ. Gập sợi quang có thể bị gẫy hoặc giảm cường
độ ánh sáng.

6

Sợi quang linh hoạt : Có chứa nhiều lõi độc lập tất cả được
bao bọc bởi lớp vỏ. Sợi quang có thể bị gập lại vuông góc mà
không gẫy hoặc làm giảm cường độ ánh sáng . Nhiều sợi quang
linh hoạt cho việc lắp đặt dễ dàng mà không mất cường độ ánh sáng,
sử dụng như các loại cáp khác .

Khi được bảo vệ bằng một lớp Teflon* , nylon hoặc poly – propylen, sợi
quang nhựa có khả năng chịu khắc nghiệt gần như sợi thủy tinh .

Mức độ giảm năng lượng ánh sáng trên đường truyền cáp quang chịu ảnh
hưởng của 3 yếu tố :

- Vật liệu sợi cáp.
- Khoảng cách truyền.
- Bước song ánh sáng.
Sợi thủy tinh ổn định với mọi bước sóng .
Sợi nhựa có xu hướng hấp thụ ánh sánh từ các LED hồng ngoại . Các
LED phát ra ánh sáng nhìn thấy như ánh sáng đỏ ít bị giảm năng lượng khi
truyền qua cáp quang bằng nhựa nên được sử dụng rộng rãi hơn .

7


* Teflon : là nhãn hiệu đã được đăng ký của Công ty Dupont và
Công ty hoá chất Dupont Mitsui cho vật liệu Fluoride resin, có khả
năng chống lại môi trường hóa chất và khắc nghiệt .

Các chế độ cảm biến và cấu hình :

Do các hệ cảm biến cáp quang dựa trên công nghệ cảm biến quang
điện nên
chúng cho phép mọi chế độ cảm biến quang điện ( phản
xạ khuếch tán ,xuyên qua, phản xạ ngược )
Hai loại cấu hình cảm biến sợi quang là riêng rẽ hoặc hai nhánh :
- Cấu hình cảm biến xuyên qua như hình 1 gồm 2 nhánh. Một cáp nối
với bộ phát của cảm biến ở xa, dùng để dẫn hướng ánh sáng tới vị
trí cảm nhận Cáp còn lại nối với bộ thu của cảm biến và dùng để dẫn
hướng ánh sáng từ vị trí cảm nhận ngược về cảm biến .Các cáp
phát và cáp phát hiện đặt đối diện nhau.Tín hiệu cảm biến được thu
nhận khi ánh sáng truyền từ cáp phát về cáp thu bị gián đoạn. Cấu
hình cảm biến hai nhánh được dùng cho cả chế độ cảm biến phản xạ
khuếch tán và phản xạ ngược .

- Ngược với cấu hình hai cáp riên rẽ , cấu hình hai nhánh kết hợp cáp
phát và cáp thu thành một . các sợi cáp thu và phát được xếp đặt
song song theo chiều dài cáp ( xem hình 7 )và được xoắn ngẫu nhiên
tại điểm cảm biến. Khi một vật thể đặt trước đầu cảm biến, ánh sáng
từ cáp phát phản xạ vật thể ngược về cáp thu và phát hiện được vật
thể .

8


Hình 7

Những lợi ích và ứng dụng của sợi quang :

Ứng dụng quan trọng nhất của cáp quang là truyền thông tin.Truyền
thông tin dưới dạng tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang là để tránh

các tín hiệu điện từ ký sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạch điện
nguồn và máy thu.Trong những ứng dụng này thông tin được truyền đi chủ
yếu bằng cách mã hóa các xung ánh sáng , đôi khi còn sử dụng cách biến
điệu biên độ hoặc tần số của ánh sáng
Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phương pháp
quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong các môi trường độc hại . Sử
dụng cáp quang có thể dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện
bình thường ánh sáng không thể chiếu tới được .Trong một số trường hợp
tín hiệu quang ( phát sinh bằng cách biến điệ ánh sáng ) dưới tác động của
một đại lượng vật lý làm thay đổi tính chất quang của cáp quang và do đó
thay đổi điều kiện lan truyền sóng .Như vậy cáp quang đóng vai trò cảm
biến để chuyển sự thay đổi của đại lượng vật lý cần đo thành tín hiệu
quang .
Cáp quang đóng vai trò thành phần cơ khí, thụ động trong một hệ
cảm biến cáp quang, nó không có bộ phận chuyển dời hay mạch điện nên
hoàn toàn miễn dịch với tất cả các nhiễu điện. Đặc tính này giúp cách ly
9


các bộ phận điện tử của hệ cảm biến (trong trường hợp này là cảm biến từ
xa) với các nguồn nhiễu điện biết trước.
Ngoài ra còn không có nguy cơ phát sinh tia lửa điện, cho phép
cảm biến hoạt động an toàn ngay cả trong điều kiện nguy cơ cao như
trong nhà máy lọc dầu, chế biến hóa chất, dược phẩm, hầm mỏ.

Những tiến bộ gần đây :

Các ứng dụng tự động hóa công nghiệp phức tạp cần có các hệ
thống cảm biến tinh vi, kích thước nhỏ. Các nhà sản xuất như Omron,
Keyence, Banner Engineering và SUNX Sensors đã bắt đầu cho ra những

loại cảm biến cáp quang thế hệ mới có bộ LED hiển thị số rất dễ đọc. Các
giá trị số và phần trăm cho phép người dùng theo dõi và thiết lập chính xác
cấu hình cho ứng dụng, giúp phát hiện độ sai lệch vị trí nhỏ nhất hoặc lớp
bám trên đầu cáp khi bắt đầu làm giảm hiệu quả cảm biến .
Một số cảm biến mới cần ít dây nối hơn. Thí dụ như E3X-DAN của
Omron cho phép nối 16 cảm biến và dùng chung một đường điện. Một đầu
nối chủ từ cảm biến chủ cấp điện tới các cảm biến khách.

Các cảm biến cáp quang hai đầu ra kết hợp hai cảm biến trong
một hệ thống. Một số mô hình cho hai đầu ra số độc lập hoặc một đầu ra
10


số hoặc analog chung. Một số loại còn có chức năng khóa đề phòng thay
đổi cấu hình cài đặt do vô ý.

Hầu hết các loại cảm biến cáp quang thế hệ mới tích hợp một CPU
12-bit hoặc 16-bit và một bộ chuyển đổi A/D 12-bit cho độ phân giải cao và
thời gian phản hồi nhanh, trong một số trường hợp có thể nhanh tới 20 µs .
Một số loại còn có điều khiển từ xa :

Một số hình ảnh của cảm biến sợi quang hiện nay :
- Cảm biến sợi quang hiện số hai giá trị E3X-DA-S của hãng Omron:

11


- Bộ khuếch đại sợi quang E3X-NA của hãng Omron :

_

_ C c à k oa ọc Mỹ uyê bố rằ
ọ vừa x c đị được ộ loạ bọ
b ể số dư đ y b ể sâu có ể sả s
sợ ỏ
ro suố .
Loạ sợ ự ê ày có k ả ă
ruyề
s
ố ơ c qua
ro
vễ
ô . oà ra, ó cò
ề dẻo ơ c qua - loạ sợ dễ ãy k bị
bẻ co qu ức.

Joa

a A ze ber , ườ ụ r c cuộc
ê cứu ạ Tru
Bell, ó "Loạ sợ s
ọc ự ê ày có ể đe
à vẫ k ô
ãy - đ ều ày ậ là kz d u".
12

â
ắ

í
à

ú


V c ê
ỹ ều "Lẵ
oa Ve us", ố bọ b ể ro suố ày sử
dụ vậ l u ự ê để sả s ra sợ ề dẻo ở
độ ấ . C í
đ ều đó c o é c c à k oa ọc y vọ
â bả được sợ ự ê .
H
ay, ọ ươ
sả xuấ sợ qua đều đò ỏ sử dụ
độ cao k ế c o sợ bị dò , dễ ãy.

T eo A ze ber , ố bọ b ể ày cò có ể bổ su
a r vào sợ , là
ă k ả ă
ruyề dẫ
s
- đ ều k ô
ể ực
được đố v
sợ qua đò ỏ
độ cao. Bà ó "Mộ ro
c
ức đố
v cô
là đưa ụ a vào cấu rúc uỷ

ằ cả
uộc
í qua
ọc. ếu c ú
a b ế được c í x c ả là
ế ào để đưa
a r vào sợ qua ở
độ ấ
ư sợ
ê
ê
ìc ú
a có ể
k ể so ấ cả ọ uộc í của qua
ọc".

G ố bọ b ể ày s
rưở
ạ vù
ư c sâu
đ . Cao k oả 45
cm, bộ k u
ì lư
ức ạ , cấu ạo ừ ợ c ấ s l c của ó, ườ
được loà ô lấy là
ơ rú ụ. Ở dư
ốc, c c sợ ro suố ạo à
ì vươ
c ặ bọ b ể v đ y b ể . Loạ sợ ày ườ dà ừ
5 đế 17 c , ỗ sợ có kíc

ư c bằ sợ óc ườ .

ê cứu ó rê là ộ ro
k
ấ uộc lĩ vực
ỏ s
ọc. Đây là ỗ lực ằ ì
ểu cơ c ế của
ố s
ọc
và dụ c c uyê ắc của ó vào cô
. Mặc dù k ô
rực ế
a
a ư Ger R c o d, à óa ọc và k oa ọc vậ c ấ uộc Đạ
ọc Ore o , vẫ rấ qua â đế cuộc
ê cứu ày. Bà ó "Đây là ộ
ví dụ uy vờ về sự uy vờ của ê
ê k
ế kế và xây dự
ê
ố
ức ạ . C ú
a có ể vẽ ra ấy và
ĩ c c đ ều

13


k ể

đ ".

ó,

ư

so v

ê

ê

ìc ú

a vẫ cò đa

ở

ờ kz đồ

Ra dy Koc evar, à s
ọc b ể
uộc Tru
â T uỷ s
Mo erey ở
Cal for a c o rằ
à
ỏ s
ọc đã ực
ộ cuộc " ă dò

s
ọc" dư đ y b ể . Ô
ó "
ườ là v c ro cô
, y dược oặc cô
s
ọc oả ra oà và ì k ế c c ợ
c ấ đ
c ú { dư đ y b ể sâu. Ở đấy có ều uồ lợ
lạ cò
c ưa được k a
c."

Tro
ă ầ đây, ườ a đã k
ra loạ e zy e lấy ừ v
k uẩ là a
ỡ ro
ư c lạ để cả ế c ấ lượ bộ ặ ; ro e
s
ở loà sứa c o é b c sĩ ẫu uậ c ếu s
và cắ bỏ ế bào
u
ư; và ộ loạ e zy e k c lấy ừ v k uẩ số
ầ c cố
u
uỷ
dư đ y b ể có ể ú â cao c ấ lượ
ử AD .

Koc evar ó rằ
rư c k
ế à cuộc
ê cứu về bọ b ể ,
A ze ber đã k
ra rê l vỏ của ộ loà sao b ể có ều ấu
kí
í o là " ắ " c u , ợ { c o
kỹ sư về ẫu y cả b ế và
ố
ư
dẫ . Ô
ó "T ậ là k ô
ể
ổ.C ú
ô qua s
vậ k ô được xế vào loà có ị c và ì
ấy c c uộc í
qua
ọc uy vờ ay ro cơ ể c ú ".

14


_
Mộ
ó c c kỹ sư Mỹ vừa
ra c c c ế ạo
sợ c
qua rỗ cỡ a o é ( ầ r u l é ), có ể ruyề s

v ốc độ
cực a
ú
ơ
vào ộ du dịc để ạo vỏ bọc, và u
ó
ro lò ằ đố c y lõ ơ, để lạ ộ l vỏ bọc rỗ
ì ố .

Quy rì đơ ả ày do Yus a Ya và
Cal for a ở R vers de (Mỹ) s
c ế, ươ
ú
ộ sợ bấc vào du dịc s .

ộ
ự

ó kỹ sư ạ Đạ ọc
ư v c là
ế , bằ c c

Trư c ê , ó
ê cứu lấy
đoạ ơ dà k oả 1 c của loà
e la ada ascar e s s ạ Mada ascar, ắ c c đầu vào ộ ả
bìa cứ , rồ ú
ều lầ vào du dịc e rae yl or os l ca e. T ế
đó, ọ để k ô ự ê
sợ ơ đã được “bọc o” ày, rồ đe

u
đế 420 độ C ằ đố c y lõ ơ
bê ro , cò rơ lạ l vỏ bọc
ì ố . Tro lò u , l
o bọc ày co ó lạ ấ 5 lầ , ạo à
ố s l c rỗ có đườ kí c ỉ ộ
cro é (bằ
ộ
ầ
ì
l é ).

C c à k oa ọc dự k ế sẽ là ạo ra
cấu rúc ì ố
ỏ ơ
a. C ẳ
ạ , ọ sử dụ loạ ơ
ả
ấ có đườ kí c ỉ 10
a o é của loà
S e ody us ac f cus, â bố ở Tru Đô và
a Á. Cộ v độ co rú ro lò u , ó k oa ọc y vọ sẽ ạo ra
ố rỗ có đườ kí c ỉ k oả 2 a o é . V c c ươ
ruyề
ố
ay, ườ a c ỉ có ể ạo ra
ố có đườ
kí
ố
ểu là 25 a o é .

15


oà ứ dụ
ro lĩ vực ruyề dẫ
s , ố rỗ là ừ cố ơ
cũ có ể được sử dụ để â cao độ â ả của kí
ể v
qua
ọc, oặc là
à ố
ú cỡ a o ro c c ế bị cả b ế , có
ể ú được
đơ
â ử óa c ấ ào đó. C o
ay, ườ a
vẫ
ườ dù ố
a o carbo để c ế ạo c c se sor, ư c ú bị
ạ về cấu rúc, ì d
và kíc cỡ. Tro k đó, c c ố rỗ là ừ
cố ơ
có ể có kế cấu ùy {.

_ V
da
bậc ầy về
s , Hộ đồ k oa ọc oà
a
T ụy Đ ể đã quyế đị

rao ả obel Vậ l{ 2009 v
ộ ửa uộc về
o sư ốc Hoa C arles K. Kao, P ò
í
vễ
ô S a dard,
Harlow, A , về à
ựu độ
l ê qua đế ruyề dẫ
s
qua
sợ qua ; và ộ ửa uộc về a à k oa ọc Mỹ W llard S. Boyle và
Geor e E. S
c os
c ế về ạc b dẫ ì ả h – cả b ế CCD.

16


Ha

à k oa ọc Mỹ W llard S. Boyle và Geor e E. S

Tro
ô c o của ì , Hộ đồ c o b ế a à
ự k oa ọc ày đã
ú ì
à
ê ề ả cơ bả c o c c ạ xã ộ ày ay. Họ đã
ạo ra

bư c độ
ro ứ dụ cô
ực ễ và a lạ
{ ưở c o
cô cụ
ục vụ c o
ê cứu k oa ọc.

ă

1966, o sư C arles K. Kao đã k
c c
ức ruyề dẫ
s
qua sợ c qua . V
ộ sợ uầ
ủy
, í
u
s
có
ể được ruyề dẫ v k oả c c ơ 100 k so v k oả c c
ô
dụ 20 é
ă 1960.
uyế của ô đã ạo cả
ứ c o
c c à
ê cứu k c ế ục
rể ề

ă của sợ qua . Sợ
qua s êu uầ c ấ đầu ê đã được c ế ạo à cô c ỉ 4 ă sau
đó, ă 1970.

Ứ dụ sợ qua đã ạo ê ề ả c o ruyề
ô bă
ô rộ
oà cầu ư I er e
ày ay. Á s
được ruyề dẫ ro
sợ
qua
ỏ, a cả í
u oạ , d l u eo ấ cả c c c ều. ờ đó à
c , ì ả , ạc,
… có ể ruyề ả
k ắ
ọ ơ rê
ế
ro
ờ a c ỉ í bằ
ây.

17


Ha à vậ l{ W llard S. Boyle và Geor e E. S
ă 1969 đã
ra CCD (charge-coupled device), cô
ì ả sử dụ cả b ế số

đầu ê . Cô
CCD k a
c u ứ đ qua
eo l{ uyế của
Alber E s e (cũ đoạ ả oble Vậ l{ ă 1921). T eo l{ uyế , u
ứ
ày,
s
có ể được c uyể
à
í
u đ . Vấ đề k
ế
kế ộ cả b ế ì ả là v c u ậ và đọc c c í
u ày sau đó
c uyể
à số lượ c c đ ể ả của ộ ì ả
ro
ộ k oả
ờ a rấ
ắ .

Cả

bế

ì

ả

18

CCD


CCD được co là r
của y ả số. V c s
c ế ra ế bị ày đã ạo
ê
ộ cuộc c c c c
ạ
ro
ế ả ,k
à
s
đã có ể
đ
ử óa rê cả b ế
ay vì qu rì
óa ọc rê
. Dạ ả số
óa ày c o é qu rì xử l{ và â
ố ì ả
rở ê
uậ
và dễ dà
ơ . Bê cạ đó, cô
CCD cũ đã được sử dụ
ro
rấ

ều ứ dụ y ọc ư cô
ộ so ro c ẩ đo và v
ẫu.

Số ề
ưở
rị
10 r u Crow T ụy Đ ể (k oả 1,4 r u USD) sẽ
được c a 50% c o o sư C arles K. Kao và 50% c o a
à vậ l{ W llard
S. Boyle và Geor e E. S
.

19