Tài liệu Nghiên cứu chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi (sonar quang sợi)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN THỦY ÂM QUANG SỢI (SONAR QUANG SỢI ) Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 Hà Nội - 2011 MỞ ĐẦU 1 Cảm biến thủy âm quang sợi Mục lục Mở đầu .................................................................................................................................. 3 Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi ......................................................................... 6 1.1 Phân loại cảm biến quang sợi ........................................................................................ 6 1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ .......................................................................... 11 1.3.4 Cảm biến quang sợi dựa vào pha .......................................................................... 14 Chương 2: Nghiên cứu cảm biến thủy âm quang sợi giao thoa ............................................. 19 2.1 Tổng quan về âm thanh ............................................................................................... 19 2.1.1 Các đại lương vật lý đặc trưng của âm .................................................................. 19 2.1.2 Các đơn vị cơ bản đo âm thanh theo hệ thập phân. ............................................... 20 2.1.3 Các đơn vị đo âm thanh theo thang lôgarít: ........................................................... 22 2.1.4 Các đặc trưng sinh lý của âm thanh ...................................................................... 23 2.2. Thủy âm .................................................................................................................... 24 2.3. Cảm biến thủy âm quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder ............................. 25 Chương 3: Thực nghiệm, kết quả thảo luận và hướng ứng dụng ........................................... 30 3.1 Thực nghiệm .............................................................................................................. 30 3.2. Quá trình xây dựng hệ thống cảm biến quang sợi ....................................................... 42 3.3 Kết quả thu được và thảo luận .................................................................................... 45 3.3.1 Ống nhôm mỏng................................................................................................... 46 3.3.2 Ống sứ ................................................................................................................. 47 3.3.3 Ống polimer ......................................................................................................... 48 3.4 Hướng ứng dụng của cảm biến quang sợi đo thủy âm ................................................ 56 Kết luận ............................................................................................................................... 59 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 61 Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 2 Cảm biến thủy âm quang sợi Các ký hiệu viết tắt AGC Automatic Gain Control DBR Distributed Bragg Reflector DFB Distributed FeedBack FBG Fiber Bragg Grating FOAS Fiber- Optic Acoustic Sensors IC Integrated Circuit LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation OE Optical to Electrical OSA Optical Spectrum Analyzer PVC PolyVinyl Chloride PZT PieZoelectric Transducer SONAR SOund Navigation And Ranging Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 3 Cảm biến thủy âm quang sợi Mở đầu Sự phát triển của nền công nghiệp quang điện tử và thông tin quang trong những thập niên qua đã góp phần phát triển nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Trong đó, lĩnh vực nghiên cứu sử dụng sợi quang trong thiết kế các cảm biến đang rất được quan tâm. Các cảm biến quang sợi phát triển nhanh chóng thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội như: - Kích thước nhỏ Khối lượng nhẹ Băng thông rộng Độ nhạy cao Ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường Bền trong môi trường khắc nghiệt Do đó, nhiều cảm biến quang sợi có khả năng thay thế các thiết bị cảm biến truyền thống trong các ứng dụng đo các thông số vật lý, hóa học hay sinh học. Các ứng dụng điển hình như đo gia tốc, đo nhiệt độ, đo áp suất, đo dao động âm, đo sức căng, đo độ ẩm, đo nồng độ tạp chất, đo độ pH hay đo hàm lượng glucoso… Có rất nhiều loại cảm biến quang sợi khác nhau tùy theo cách phân loại mà phân thành cảm biến nội sinh hay cảm biến ngoại sinh. Cảm biến nội sinh là cảm biến mà thuộc tính của chính bản thân sợi sẽ biến các thay đổi của môi trường thành dạng điều chế của chùm sáng truyền qua. Cảm biến ngoại sinh là cảm biến mà thu lại sự thay đổi cường độ ánh sáng bên ngoài đi vào trong sợi và được truyền đi để phân tích đánh giá. Theo cách phân loại điều chế thì các cảm biến quang sợi được chia thành cảm biến dựa vào cường độ, cảm biến dựa vào phân cực, cảm biến dựa vào tần số và cảm biến dựa vào pha. Cảm biến được lựa chọn nghiên cứu trong luận văn này là một cảm biến nội sinh theo cách phân loại thứ nhất và nó là một cảm biến dựa vào pha theo cách phân loại thứ hai. Bởi vì trong nghiên cứu của chúng tôi, thuộc tính đàn hồi của chính bản thân sợi sẽ biến các thay đổi áp suất âm cần đo thành dạng điều chế pha của ánh sáng truyền qua sợi. Pha quang của chùm sáng trong chính bản thân sợi thay đổi rất nhanh với mỗi thay đổi dù rất nhỏ của áp suất âm cần đo nên cảm biến loại này có độ nhạy cao. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 4 Cảm biến thủy âm quang sợi Trong cảm biến này, chúng ta không thể dễ dàng đo trực tiếp sự thay đổi pha quang trong sợi mà sự điều chế pha quang phải được chuyển thành sự điều chế cường độ quang sử dụng các cấu hình giao thoa. Cường độ quang này chúng ta có thể thu lại dễ dàng nhờ một photodiode. Có nhiều cấu hình giao thoa như giao thoa Febry-Perot, Sagnac, Michelson hay Mach-Zehnder. Mỗi cấu hình giao thoa này đều có ưu nhược điểm khác nhau. Chúng tôi nhận thấy rằng cấu hình Mach-Zehnder có ưu điểm là đơn giản, chúng ta có thể sử dụng sợi quang thay thế gương phản xạ mà không yêu cầu các gương phản xạ chất lượng cao như các cấu hình giao thoa kế còn lại. Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder của chúng tôi chế tạo với mong muốn ứng dụng trong việc phân tích thủy âm. Bởi vì việc thu tín hiệu âm trên cạn đã có rất nhiều thiết bị đơn giản, rẻ tiền được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nhiều thiết bị cho việc phân tích tín hiệu thủy âm của nước ta phải đi mua của nước ngoài với giá thành rất cao và khó ứng dụng rộng rãi. Chúng tôi nghiên cứu loại cảm biến thủy âm này với mong muốn có thể ứng dụng rộng rãi cho các nghiên cứu thủy âm với chi phí thấp. Bởi vì thủy âm là một lĩnh vực cơ bản của Hải dương học đã và đang được chú trọng nghiên cứu trong chuyên ngành vật lý hải dương học và các ứng dụng khác. Các kiến thức về thủy âm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như đo vẽ bản đồ biển, dò phá mìn và thủy lôi, phát hiện các mục tiêu phát ra âm thanh dưới nước v.v… Với mục tiêu phát hiện các đối tượng phát ra âm thanh dưới nước, đầu tiên chúng ta phải có các dữ liệu về các đặc trưng nền của thủy âm. Các nghiên cứu này cũng đã được Phòng Nghiên cứu Hải quân của Mỹ thực hiện từ cách đây hơn 25 năm và vẫn đang tiếp tục được phát triển. Có nhiều đơn vị trong nước như Bộ môn Hải dương học - Trường ĐHKH Tự nhiên - ĐH Quốc gia Hà Nội, Phòng Kỹ thuật sensor Viện Vật lý kỹ thuật - Viện KHCN Quân sự hay Phòng thí nghiệm thủy âm của Học viện Hải quân đang tích cực nghiên cứu các đặc trưng thủy âm trong vùng biển Việt Nam để làm cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng thủy âm trong Chương trình quốc gia về biển Đông phục vụ an ninh, quốc phòng và phát triển kinh tế biển. Trong điều kiện Việt Nam, có nhiều vấn đề đặt ra trong quá trình phát triển các nghiên cứu này. Vấn đề đầu tiên là nghiên cứu xây dựng một cấu hình phù hợp cho các cảm biến thủy âm. Cấu hình này phải đảm bảo các đặc tính kỹ thuật và thông số với độ nhạy cao, băng thông đủ rộng, ổn định và giá thành thấp. Vấn đề thứ hai là khảo sát được các các đặc trưng cơ bản của cảm biến loại này như độ nhạy, đáp ứng tần số, suy hao để từ đó xác định phạm vi hoạt động và cách ứng dụng. Với mục đích góp phần vào xây dựng tiềm lực Khoa học công nghệ cho Chương trình biển Đông, chúng tôi lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu của luận văn với tiêu đề “Nghiên cứu chế tạo cảm biến thủy âm quang sợi” với các nội dung sau: Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 5 Cảm biến thủy âm quang sợi - Nghiên cứu nguyên lý các bộ cảm biến quang sợi Chế tạo thử nghiệm cảm biến thủy âm quang sợi Khảo sát một số thông số về độ nhạy, đáp ứng tần số, độ suy hao của cảm biến. Nghiên cứu hướng ứng dụng trong điều kiện Việt Nam Chúng tôi đã bước đầu nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm và khảo sát một số thông số kỹ thuật của cảm biến sử dụng một số thiết bị thuê của Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng. Kết quả ban đầu rất khả quan và đã được báo cáo tại Hội thảo “Khoa học công nghệ thủy âm cho các hoạt động trên biển” do Bộ tư lệnh Hải quân tổ chức ngày 18/02/2011 tại Hải Phòng. Trước đó nghiên cứu cũng được đưa ra trình bày tại Hội thảo Khoa học quốc gia “Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông” lần thứ năm (ICT.rda’10) vào tháng 12/2010 tại Hà nội và Hội nghị Thanh niên Viện KHCN Việt Nam năm 2011. Nội dung nghiên cứu của Luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về cảm biến quang sợi Chương 2: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm cảm biến thủy âm quang sợi Chương 3: Thực nghiệm, kết quả khảo sát và hướng ứng dụng Chương 1 sẽ trình bày phân loại của các loại cảm biến quang sợi được sử dụng hiện nay và các tính chất đặc trưng của chúng. Chương 2 sẽ là nghiên cứu về cảm biến thủy âm quang sợi giao thoa sử dụng cấu hình giao thoa kế Mach-Zehnder, cơ sở lý thuyết và ứng dụng của cảm biến giao thoa. Chương 3 sẽ trình bày về nghiên cứu thực nghiệm, các thiết bị, sơ đồ thực tế, các kết quả ban đầu và hướng ứng dụng trong điều kiện Việt Nam. Các kết quả thu được của luận văn là hoàn toàn mới ở Việt Nam, tuy nhiên các kết quả này chỉ là bước đầu tiên để đi sâu vào công nghệ chế tạo cảm biến thủy âm có hàm lượng công nghệ cao. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 6 Cảm biến thủy âm quang sợi 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 điểmđiểm, 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. 1.2 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 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]. 1.3 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]. 1.3.1 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. Hình 1.1 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. Hình 1.1: 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 �� Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 ∆� �� . � �1.1� 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. Hình 1.2. 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 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. a. 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. Hình 1.3: 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. Hình 1.4 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 10 Cảm biến thủy âm quang sợi Hình 1.4. 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. b. 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 11 Cảm biến thủy âm quang sợi Hình 1.5. 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. Hình 1.6 cho thấy một cảm biến quang sợi dựa trên khái niệm ghép sóng phù du này. Ánh sáng được đưa vào trong một sợi quang, nó lan truyền đến vùng mà sợi thứ hai được đặt rất gần để một phần sóng phù du của sợi thứ nhất sẽ truyền trong sợi thứ hai. Do vậy, hiện tượng ghép sóng phù du xảy ra. Hệ số ghép trực tiếp tỉ lệ với khoảng cách hai sợi quang. Khi một tác động của môi trường như sự thay đổi áp suất, sóng âm hay nhiệt độ sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa hai sợi quang dẫn đến sự thay đổi hệ số ghép. Do đó, cường độ ánh sáng trên sợi thứ hai cũng thay đổi. Như vậy, bằng sự theo dõi sự thay đổi cường độ của sợi quang thứ hai, chúng ta có thể nhận biết được sự thay đổi của môi trường. Hình 1.6: Cảm biến quang sợi dựa trên hiện tượng sóng phù du 1.3.2 Cảm biến quang sợi dựa vào phổ Cảm biến quang sợi dựa vào phổ phụ thuộc chùm sáng điều chế theo bước sóng khi có tác động của môi trường. Những ví dụ của cảm biến quang sợi loại này bao gồm Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 12 Cảm biến thủy âm quang sợi các loại cảm biến dựa trên bức xạ của vật đen, hấp thụ, huỳnh quang, mẫu chuẩn và cách tử phân tán. Một trong những loại cảm biến đơn giản nhất loại này là cảm biến vật đen. Một hốc vật đen được đặt tại điểm cuối của sợi quang. Khi hốc tăng nhiệt độ, nó bắt đầu phát sáng và hoạt động như một nguồn sáng. Bộ thu quang kết hợp với một bộ lọc băng hẹp sẽ được sử dụng để quyết định đặc tính của đường cong vật đen tương ứng nhiệt độ. Loại cảm biến này đã được thương mại hóa thành công và được sử dụng để đo nhiệt độ trong các môi trường độc hại. Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến này cao hơn tại nhiệt độ cao và bị giới hạn ở nhiệt độ khoảng 200 bởi vì tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu thấp. Việc bảo dưỡng phải được thực hiện để đảm bảo rằng điểm nóng nhất là hốc đen và không nằm trên chính sợi dẫn quang đó bởi vì điều đó có thể làm hỏng tính toàn vẹn của tín hiệu. Ngày nay, các cảm biến sử dụng cách tử Bragg trong sợi quang cũng rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi. Hình dưới đây mô tả một vài ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa vào dịch phổ của cách tử Bragg hay hệ cách tử Bragg. Hình 1.7. Một ứng dụng của cảm biến quang sợi dựa trên dịch phổ của cách tử Bragg trong sợi quang Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 13 Cảm biến thủy âm quang sợi Trong hình 1.7 ta thấy cảm biến sử dụng một cách tử Bragg trong sợi (FBG) để phản xạ tại bước sóng �� � 2�Λ với n là chiểt suất và � là chu kỳ cách tử. Tín hiệu phản xạ sẽ được quan sát trên một máy phân tích phổ quang OSA. Cảm biến này được đưa vào trụ cầu và nối với máy tính điều khiển giám sát qua một hệ thống dẫn truyền. Khi có một rung động hay một thay đổi trong kết cấu trụ sẽ làm cách tử trên sợi quang co giãn tức chu kỳ cách tử thay đổi làm cho bước sóng Bragg bị dịch đi. Nhờ quan sát và phân tích độ dịch này ta có thể biết được sự thay đổi trong kết cấu của trụ cầu. Tương tự như vậy khi ứng dụng phương pháp này trong phân tích dữ liệu thay đổi trên cánh máy bay phản lực sử dụng để nghiên cứu và thiểt kế cánh máy bay và tự động hóa điều khiển. Hình 1.8. Một ứng dụng của cảm biến quang sợi trong thiết kế cánh máy bay. Dữ liệu từ hệ cảm biến sẽ được số hóa và mô phỏng trong không gian 3 chiều nhờ phần mềm Matlab. Các kỹ sư có thể dựa vào các mô phỏng này để tính toán và điều chỉnh thiểt kế. Hình 1.8 trình bày thiết kế sơ bộ cảm biến đo biến dạng cánh máy bay sử dụng FBG 1.3.3 Cảm biến quang sợi dựa vào phân cực ánh sáng Sợi quang được làm từ thủy tinh. Chiết suất của sợi quang có thể bị thay đổi khi đặt vào một áp lực hay sức căng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đàn hồi quang. Thêm vào đó, trong nhiều trường hợp, áp lực hay sức căng theo các hướng khác nhau là khác nhau bởi vậy sự thay đổi chiết suất cũng khác nhau theo các hướng khác nhau. Do đó, có một sự sai khác pha giữa các hướng phân cực khác nhau. Nói cách khác là dưới tác động bên ngoài như áp lực hay sức căng, sợi quang sẽ làm việc như một bộ Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 14 Cảm biến thủy âm quang sợi trễ tuyến tính. Bởi vậy bằng việc phát hiện sự thay đổi trong trạng thái phân cực lối ra mà chúng ta có thể thu được sự biến đổi của thông số bên ngoài. Để thiết kế được một cảm biến quang sợi thực tế, chúng ta cần chế tạo các cảm biến nhạy với thông số môi trường cần đo và không nhạy với các thông số môi trường khác. Với cảm biến quang sợi dựa vào phân cực, sự thay đổi chiết suất theo môi trường theo các hướng phân cực hầu như là như nhau. Do vậy, không có sự sai khác pha nào giữa hai trạng thái phân cực khác nhau. Nói cách khác, delta=0. Như vậy, sự thăng giáng của nhiệt độ môi trường cũng không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến. 1.3.4 Cảm biến quang sợi dựa vào pha Pha của trường ánh sáng cũng có thể thay đổi khi có những tác động bên ngoài bởi vậy cảm biến quang sợi cũng có thể được xây dựng dựa trên sự thay đổi pha của trường ánh sáng. Mối quan hệ giữa sự thay đổi pha và sự khác biệt quang trình có thể được biểu diễn bằng biểu thức sau: ���, �� � 2� � ��, �� � �1.2� Ở đây � là bước sóng ánh sáng và ���, �� biểu diễn sự khác biệt quang trình. Bởi vì bước sóng ánh sáng là rất nhỏ nên một sự thay đổi quang trình rất nhỏ trong sợi quang có thể dẫn đến một sự thay đổi lớn của pha quang. Do vậy, nhìn chung, cảm biến quang sợi dựa vào pha nhạy hơn các cảm biến quang sợi dựa vào cường độ. Chú ý rằng, bộ thu quang không thể phát hiện trực tiếp sự thay đổi pha quang nên sự thay đổi pha quang phải được biến đổi thành sự thay đổi về cường độ sử dụng các phương pháp giao thoa như Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot hay Sagnac. Một số kỹ thuật giao thoa được khai thác để triển khai trong cảm biến loại này. Do vậy, cũng có nhiều tài liệu gọi loại cảm biến này là cảm biến giao thoa quang sợi. a. Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot Một giao thoa kế Fabry-Perot la một giao thoa kế đa chùm tia. Hình 1.5 chỉ ra một giao thoa kế Fabry-Perot. Dựa vào độ phản xạ cao của gương, trong loại giao thoa kế này, ánh sáng bị phản xạ qua lại một phần trong một hốc bao nhiêu lần thì tăng độ trễ pha bấy nhiêu lần. Cường độ lổi ra truyền qua của giao thoa kế Fabry-Perot cho thấy hệ số phản xạ càng cao thì đỉnh giao thoa càng sắc nét. Nói theo cách khác là càng gần vùng đỉnh giao thoa, cường độ sáng lối ra càng nhạy với sự thay đổi nhỏ của trễ pha. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 15 Cảm biến thủy âm quang sợi Hình 1.9: Một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot Hệ số phản xạ càng cao, đỉnh giao thoa càng sắc nét. Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot có thể rất cao. Hình dưới đây là một ứng dụng đo gia tốc sử dụng cảm biến quang sợi theo phương pháp giao thoa kế Fabry-Perot. Hình 1.10. Ứng dụng đo gia tốc của cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế FabryPerot Cảm biến này cũng đã được so sánh với một cảm biến truyền thống và ta thấy sự tương ứng của kết quả với độ nhạy thu lớn hơn của cảm biến truyền thống. Phổ tần của hai cảm biến thu được là giống nhau, dạng tín hiệu thu được cũng giống nhau, chỉ khác nhau về độ nhạy vì chỉ một sự thay đổi rất nhỏ của pha cũng có thể gây ra một sự thay đổi rất lớn của cường độ. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 16 Cảm biến thủy âm quang sợi b. Giao thoa kế Sagnac Giao thoa kế Sagnac về mặt nguyên lý được sử dụng để đo phép quay. Nó cũng có thể được triển khai để đo các thông số biến đổi theo thời gian như âm thanh, dao động và sự biến đổi chậm như sức căng. Ưu điểm của cảm biến này là độ nhạy cực cao, phân phối diện rộng và khả năng ghép số lượng lớn và sự kết hợp của các cảm biến giao thoa cho phép đo vị trí và cường độ của các sự kiện biến đổi theo thời gian. Số lượng lớn các sản phẩm con quay quang sợi trong vài năm trở lại đây sẽ cung cấp cho khách hàng các thiết bị giao thoa quan trọng để tiếp tục giảm giá thành và cho phép xây dựng các hệ thống với chi phí hiệu quả. c. Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Michelson Hình 1.11 cho thấy một cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Michelson. Trong trường hợp này, một bộ ghép/tách quang (coupler quang) được sử dụng để vừa chia vừa hợp hai chùm sáng. Ánh sáng truyền từ nguồn laser được chia thành hai nhánh cảm biến và tham chiếu. Sau khi đi hết chiều dài sợi, ánh sáng sẽ bị phản xạ lại theo đúng nhánh đó bằng các gương phản xạ. Ánh sáng sau đó được kết hợp lại bằng bộ ghép/tách quang. Hình 1.11: Cảm biến quang sợi sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder d. Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder Hình 1.12 cho thấy một cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế MachZehnder được sử dụng khá rộng rãi. Cảm biến bao gồm hai nhánh: nhánh cảm biến và nhánh tham chiếu. Ánh sáng từ nguồn sáng kết hợp chẳng hạn như từ một laser bán dẫn phản hồi phân tán DFB được đưa vào sợi quang đơn mode. Ánh sáng sau khi được chia ra thành hai chùm nhờ bộ chia quang với tỉ số cường độ 50/50. Một phần ánh sáng sẽ truyền qua nhánh cảm biến và phần còn lại truyền qua nhánh tham chiếu. Sau khi qua nhánh cảm biến và tham chiếu, lối ra từ hai nhánh lại được kết hợp lại bằng Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 17 Cảm biến thủy âm quang sợi một bộ cộng. Ở đây, tín hiệu giao thoa giữa hai chùm sáng được tạo ra và được thu lại nhờ một photodiode. Hình 1.12: Cảm biến quang sợi dựa trên giao thoa kế Mach-Zehnder Để giảm ảnh hưởng từ các nhân tố thay đổi không mong muốn của môi trường như nhiệt độ và để nâng cao độ nhạy của cảm biến, trong nhiều trường hợp độ dài của nhánh tham chiếu có thể được điều biến có chu kỳ. Điều này có thể làm được bằng cách cuốn sợi quang của nhánh tham chiếu lên một trống gốm áp điện PZT. Một tín hiệu điện hình sin được đưa vào trống gốm áp điện để đường kính của trống điều biến có chu kỳ bằng tín hiệu sin, điều này dẫn đến sự thay đổi có chu kỳ của chiều dài sợi trên nhánh tham chiếu. Chú ý rằng cảm biến quang sợi giao thoa thường được xây dựng sử dụng sợi quang đơn mode điển hình. Bởi vì sợi quang đơn mode điển hình có thể hỗ trợ chế độ hai phân cực trực giao và những hiện tượng như bending xảy ra, sợi quang trở thành lưỡng chiết. Hiệu ứng này có thể dẫn đến thay đổi sự rõ nét của vân giao thoa. Do vậy tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu cảm biến có thể bị ảnh hưởng vởi hiện tượng lưỡng chiết. Có nhiều điểm giống và khác nhau giữa giao thoa kế Michelson và MachZehnder. Về giống nhau thì Michelson có thể bao hàm cả Mach-Zehnder và ngược lại. Do vậy, từ lập luận này có thể thấy rằng, sự mất mát quang học ứng với cả hai cấu hình là như nhau. Tất nhiên, tại lối ra chúng có dạng giống như của Mach-Zehnder. Về khác nhau, cấu hình Michelson chỉ yêu cầu một bộ hợp/chia quang. Bởi vì ánh sáng truyền qua cả hai nhánh cảm biến và tham chiếu hai lần nên dịch pha trên mỗi đơn vị chiều dài được tính gấp đôi. Do vậy, cảm biến sử dụng giao thoa kế Michelson có thể nhạy hơn. Trong nhiều trường hợp thực tế, cấu hình vật lý của giao thoa kế Michelson thường dễ dàng để đóng gói hơn mặc dù điều này vẫn phụ thuộc từng ứng dụng. Ưu điểm rõ ràng khác của cấu hình Michelson là cảm biến có thể được chế tạo với chỉ một sợi quang từ module nguồn/bộ thu tới cảm biến. Tuy nhiên, gương phản xạ chất lượng cao được yêu cầu cho giao thoa Michelson. Thêm vào đó, một phần ánh sáng quay trở lại nguồn laser do lối ra phản xạ lại. Điều này có thể cực kỳ nguy hiểm với nguồn laser diode bán dẫn. Một bộ cách ly quang là cần thiết để giảm ảnh hưởng của hiệu ứng này. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 18 Cảm biến thủy âm quang sợi Trong điều kiện thiết bị chúng tôi chọn sử dụng phương pháp giao thoa kế Mach-Zehnder. Đây là mô hình phổ biến vì thiết bị đơn giản không cần gương phản xạ chất lượng cao. Chúng tôi sẽ mô tả chi tiết thiết bị và nguyên lý hoạt động của thiết bị cảm biến quang sợi trên cơ sở giao thoa kế Mach-Zehnder trong những chương sau. Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 19 Cảm biến thủy âm quang sợi Chương 2: Nghiên cứu cảm biến thủy âm quang sợi giao thoa 2.1 Tổng quan về âm thanh Về mặt vật lý, âm thanh chính là dao động của sóng âm trong môi trường đàn hồi sinh ra khi có các vật thể dao động được gọi là nguồn âm. Bản chất của nguồn âm là kích thích sự dao động của các phần tử kế cận nó nên âm thanh chỉ lan truyền trong môi trường đàn hồi. Môi trường đàn hồi có thể coi là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau, lúc bình thường mỗi phần tử có 1 vị trí cân bằng bền (môi trường chất khí, chất lỏng, chất rắn là những môi trường đàn hồi). Âm thanh không lan truyền được trong chân không. Trong quá trình truyền âm thì dao động giảm dần và tắt hẳn[2]. 2.1.1 Các đại lương vật lý đặc trưng của âm + Tần số: f (Hz) Là số dao động của các phân tử thực hiện trong một 1giây Ký hiệu: f��� � � � � �2.1� Tai người cảm thụ được những âm thanh có tần số từ 16 đến 20.000 Hz. Những âm thanh có f < 16hz gọi là hạ âm. Tai người không cảm thụ được. Những âm thanh có f > 20.000 hz gọi là siêu âm. Tai người cũng không cảm thụ được âm thanh này. + Chu kỳ: T(s) Là số thời gian tính bằng giây để hoàn thành 1dao động Ký hiệu: �� 1 �� � f �2.2� + Bước sóng λ (m) Là khoảng cách ngắn nhất giữa 2 điểm có cùng pha dao động. Tai người cảm thụ được những âm thanh có bước sóng λ = 1,7cm ÷20m �� Nguyễn Thanh Hải – K16Đ2 � � �. � f �2.3�