Utvr?ivanje prisustva dijela na transporteru automatizirane linije, dobijanje informacija o radu rasvjetnog ure?aja, upravljanje kompaktnom ali efikasnom ma?inom.Tehnolo?ki procesi ne toleri?u lo? kvalitet. Ovdje senzori dobro dolaze.

Postoji mnogo vrsta senzora: magnetni, induktivni, fotoelektri?ni, kapacitivni - svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke. Fotonaponski - jedan od najsvestranijih. Ovdje i laserski i infracrveni, i jednosmjerni, i reflektiraju?i. Ali mi ?emo razmotriti opti?ke senzore, jer oni imaju naj?ire mogu?nosti za konfiguraciju i savr?eni su ?ak i za najnepristupa?nija mjesta.

Opti?ki senzor je podijeljen na par ure?aja: svjetlovodno fotoelektri?no poja?alo i opti?ki kabel s opti?kom glavom. Kabl prenosi svjetlost iz poja?ala.

Ovdje je princip jednostavan. Emiter i prijemnik rade zajedno: prijemnik detektuje svetlosni talas koji emituje emiter. Tehnolo?ki, ovaj proces se realizuje na razli?ite na?ine: pra?enje ugla svetlosnog talasa, merenje koli?ine svetlosti ili merenje vremena povratka svetlosnog talasa kako bi se izmerila udaljenost do objekta.

Opti?ki izvor i prijemnik mogu biti locirani jednostavno u glavi (difuzne ili reflektiraju?e jedinice), ili se mogu napraviti odvojeno - dvije glave (jednostruke jedinice). U glavi opti?kog senzora nalazi se elektronika, dok je prijemnik povezan sa elektronikom upravo pomo?u opti?kog vlakna. Primljeni i emitirani valovi putuju kroz vlakno na na?in sli?an brzom prijenosu podataka u opti?kim mre?ama.

Prednost ovog odvajanja je ?to je prijemnik instaliran na mjernom objektu. Opti?ki kabel je polo?en i spojen na poja?alo, koje se nalazi u posebnom kontrolnom ormaru koji ?titi poja?alo od vanjskog, ?esto grubog, okru?enja proizvodnog pogona. Izbor opcija je raznolik. Poja?ala su jednostavna i slo?ena, posebno - multifunkcionalna, sa mogu?no??u izvo?enja logi?kih i sklopnih operacija.

Osnovna poja?iva?a senzora sa opti?kim vlaknima imaju minimum elektronskih komponenti i funkcionalnost, a najslo?enije se razlikuju po principu "uklju?i i igraj", elektronika u njima je potpuno individualno konfigurirana. Neke senzorske elektronike mogu obraditi vi?e od 10 ulaza vlakana. Naravno, postoji i indikacija. Indikatori pokazuju da li senzor radi ispravno. Osim toga, postoje i druge funkcije.

Interfejs za kontroler je odre?en izlaznim formatom. Ovdje se nalaze i pode?avanje senzora i resetiranje poja?ala. Izlazi su normalno otvoreni, normalno zatvoreni, kolektor, emiter, push-pull. Povezivanje se vr?i pomo?u kabla sa vi?epinskim konektorom. Programiranje se vr?i pomo?u dugmadi ili jednostavno potenciometra.

Dodatnu fleksibilnost pru?aju opcije senzora kao ?to su ka?njenje uklju?ivanja/isklju?ivanja, pulsni izlazi i isklju?ivanje povremenog signala za ve?u slobodu u detaljima i prilago?avanju parametara poja?ala kako bi se zadovoljili individualni zahtjevi procesa. Ka?njenja vam omogu?avaju da usporite reakciju radnog tijela, isprekidani signali - slu?e kao znak da su uvjeti rada naru?eni. Sve se konfiguri?e individualno.

LED indikacija izlaznog statusa, odnosno prisutnost displeja sa informacijama o signalima i izlaznim stanjima - ovo su napredne opcije koje vam omogu?avaju da dijagnostikujete i programirate senzor na licu mesta.

Za stabilnija mjerenja u promjenjivom okru?enju, prikladan je senzor sa pove?anom stopom uzorkovanja i filtriranjem signala. Blok ?e, iako ?e i dalje raditi na niskoj frekvenciji, ipak biti koristan. Ka?njenja za uklju?ivanje/isklju?ivanje ?e pomo?i u uskla?ivanju izlaznih i ulaznih signala.

Upotreba pomo?nih blokova pro?irit ?e mogu?nosti programiranja, na primjer, mo?ete podesiti osjetljivost mjernog elementa pri radu sa posebnim materijalima, kao ?to je staklo, ili programirati isklju?ivanje / uklju?ivanje izme?u ta?aka prebacivanja: pra?enje polo?aja dijela i njegovog pozicioniranje u prostoru.

Ljepota opti?kih kablova je u tome ?to prenose svjetlost umjesto struje. Mogu?e su konfiguracije od razli?itih materijala, sa razli?itim stepenom osetljivosti glava.

Difuzni opti?ki kabel sastoji se od para furnira, od kojih jedan ide do poja?ala, drugi - do osjetljive glave. Istovremeno, dva kabla su povezana na osetljivu glavu - jedan za izvor svetlosti, drugi za elektroniku.

Jednosmjerni opti?ki kabel sadr?i par identi?nih kablova, od kojih je svaki spojen na poja?alo i ima svoju opti?ku glavu. Jedan kabel se koristi za prijenos svjetlosti, drugi - za prijem.

Sama vlakna su obi?no staklena ili plasti?na. Plastika - tanja, jeftinija, fleksibilnija. Staklo je ja?e i mo?e raditi na vi?im temperaturama. Plastika se mo?e rezati na potrebnu du?inu, dok se staklo re?e samo u fazi proizvodnje. Jakna od vlakana - od ekstrudirane plastike do pletenice od nehr?aju?eg ?elika, za te?ka okru?enja.

Najva?nija stvar pri odabiru opti?kog senzora je odabrati pravu opti?ku glavu. Na kraju krajeva, s osjetljivo??u glave povezana je to?nost detekcije dijelova, malih, fiksnih ili pokretnih. Pod kojim uglom ?e se nalaziti prijemnik i emiter u odnosu na objekat, kolika je dozvoljena disperzija. Bilo da je potreban okrugli snop vlakana za dobivanje kru?ne grede ili produ?eni za dobivanje horizontalne projekcije.

?to se ti?e okruglih greda, u difuznoj glavi one se mogu ravnomjerno razgranati sa svim izvornim vlaknima na jednoj polovini, a sa prijemnim vlaknima na drugoj. Ovaj dizajn je uobi?ajen, ali mo?e uzrokovati ka?njenje u ?itanju informacija iz dijela koji se kre?e pod pravim uglom u odnosu na liniju bifurkacije.

Opcija sa ujedna?enom distribucijom izvornih i prijemnih vlakana daje ujedna?enije zrake. Ujedna?eni snopovi omogu?uju vam da izjedna?ite efekte slanja i primanja valova, a detekcija ?e se pokazati neovisnom o smjeru kretanja objekta.

Tip opti?ke glave, du?ina kabla i poja?alo imaju zna?ajan uticaj na senzorsku udaljenost optike. Te?ko je dati ta?nu procjenu, ali proizvo?a?i navode ove podatke. Senzor sa jednim snopom ima ve?i domet od difuznog. Du?e vlakno - kra?i domet. Savr?enije poja?alo - ja?i signal, ve?i domet.

Distribuirani I/O se sve vi?e koristi u industrijskoj automatizaciji i mogu?e je povezati vi?e senzorskih opti?kih kablova na jedan razvodnik.

Poja?ala sa opti?kim vlaknima su ?esto samostalni jednokanalni ure?aji na DIN ?inu, lako se montiraju u panel, a jedini nedostatak je usmjeravanje konekcija iz pojedina?nih poja?ala.

Kolektor mo?e grupirati vi?e kanala u jednom kontrolnom centru: kolektori su opremljeni ekranima menija i svaki kanal se programira pojedina?no. Konfigurirani kanali se mogu koristiti putem AND/OR logike ?to uvelike pojednostavljuje PLC kontrolu.

Upotreba opti?kih vlakana se dobro pokazuje u sistemima koji rade u uslovima jakog elektri?nog ?uma. Opti?ko vlakno ne percipira elektri?ni ?um, a elektronsko poja?alo je za?ti?eno ku?i?tem. Male monta?ne linije sa automatizovanom detekcijom delova na transporterima u procesu sastavljanja ure?aja je jo? jedna vrlo obe?avaju?a i ve? prili?no ?esta upotreba. opti?ki senzori.

Glave sa razli?itim orijentacijama, razli?itim veli?inama, razli?itom disperzijom za pru?anje odgovaraju?eg stepena preciznosti fokusa bez obzira na veli?inu senzora - sve to, zajedno sa kontrolnom logikom, otvara ogroman potencijal za mogu?nosti. Na primjer, jedan senzor detektuje prisustvo dijela na po?etku monta?e, a drugi potvr?uje kraj monta?e.

Drugim rije?ima, bez obzira na primjenu, va?no je odabrati senzor i glavu s parametrima prikladnim za potrebnu primjenu potro?a?a: u smislu disperzije, udaljenosti, uzorkovanja, mogu?nosti pode?avanja i programiranja.

Jedini, mo?da, minus je to ?to se vlakna ne mogu pretjerano savijati. Vrijedi se malo vi?e savijati i do?i ?e do nepopravljive plasti?ne deformacije vlakana, propusnost ?e se smanjiti ili potpuno nestati. Dozvoljeni radijus savijanja ovisi o vrsti vlakana, veli?ini i disperziji vlakana u snopu. Ove karakteristike morate uzeti u obzir pri odabiru senzora za va?u primjenu.

apstraktno

Predmetni rad se bavi tehnologijama, principima rada, prakti?nom primjenom opti?kih senzora. Cilj rada je u?enje karakteristike dizajna i principi rada opti?kih senzora i njihova klasifikacija.

Ovaj rad opisuje dizajn i principe rada opti?kih senzora i njihov strukturni elementi, izvr?ena je i klasifikacija opti?kih senzora.

Uvod

Idealni za upotrebu u mnogim aplikacijama, senzori bi trebali imati svojstva kao ?to su mala te?ina, mala velicina, mala snaga, otpornost na okoli? i otpornost na elektromagnetne smetnje, dobre performanse i niske cijene. Kako tehnologija napreduje, potreba za senzorima sa ovim karakteristikama dramati?no raste u oblastima kao ?to su vazduhoplovstvo i odbrana, proizvodnja materijala, medicina i gra?evinarstvo. Prodor tehnologija opti?kih vlakana, koje je telekomunikaciona industrija brzo razvila 1970-ih i 1980-ih, na komercijalna tr?i?ta za proizvo?a?e CD plejera, li?nih fotokopirnih ure?aja i laserskih ?tampa?a, u kombinaciji sa smanjenjem cene optoelektronskih komponenti, omogu?ilo je opti?ka vlakna senzori osloba?aju svoj potencijal u pogledu mnogih aplikacija. U stru?noj literaturi mo?ete prona?i opise razli?itih opti?kih senzora.

Svrha ovog rada je prou?avanje karakteristika dizajna i principa rada opti?kih senzora, kao i njihova klasifikacija.

Istovremeno, bitno je:

Pregledajte postoje?u literaturu kako biste prikupili potrebne informacije.

Opisati konstrukcije i principe rada opti?kih senzora i njihovih strukturnih elemenata.

Klasificirajte opti?ke senzore.

Nau?ite kako koristiti opti?ke senzore u praksi.

1. Fiber Optic Sensor Technologies

Tehnologija opti?kih vlakana revolucionirala je telekomunikacije. Revolucija je zapo?ela ograni?enom upotrebom opti?kih vlakana u sistemima koji zahtijevaju ultra-visoke performanse. Revolucija se dogodila kada je masovna proizvodnja, zajedno s tehni?kim pobolj?anjima, uspjela posti?i ultra-visoku produktivnost po ni?oj cijeni od bilo kojeg drugog alternativnog pristupa. Istovremena pobolj?anja i smanjenje tro?kova, zajedno sa masovnom komercijalnom proizvodnjom, doveli su do istiskivanja analoga i pojave novih aplikacija i novih proizvoda kao ?to su CD plejeri, personalni fotokopirni ure?aji i laserski ?tampa?i. Tre?a revolucija do?la je od programera koji su iskoristili brzo rastu?e polje opti?kih komunikacija zajedno s optoelektronskim ure?ajima i stvorili opti?ke senzore.

Otvaraju se zapanjuju?i izgledi, u rasponu od mogu?nosti zamjene ve?ine senzora okoli?a koji trenutno postoje do uvo?enja potpuno novih senzora na tr?i?te koji pru?aju mogu?nosti koje prije nisu postojale.

Kod opti?kih senzora sa vanjskim senzorskim elementom mjerenje parametara se vr?i u podru?ju izvan vlakna. Isto va?i i za hibridne opti?ke senzore. Sami senzori se mogu smatrati "crnim kutijama", sa opti?kim vlaknima koja se koriste za prenos svetlosti do "kutija" i nazad podataka. U ve?ini slu?ajeva, termini eksterni senzor i hibridni senzori se koriste naizmjeni?no. Glavna razlika nastaje u slu?aju kori?tenja energije fotoosjetljivih elemenata, kada se snop svjetlosti koristi za aktiviranje elektronskog senzora i podaci se vra?aju nazad preko opti?kog kanala. U ovom slu?aju, termin "hibrid" je prikladniji.

Velika i va?na podklasa senzora u kojima se opti?ko vlakno koristi kao osjetljivi element, ili ?isti opti?ki senzori, su interferometrijski senzori. Ve?ina senzora koji pru?aju najvi?e performanse su u ovoj podklasi.

Po?etni prodor opti?kih senzora na tr?i?te bio je vo?en njihovom prednosti u performansama. Tabela 1 navodi sve prednosti ovakvih senzora u odnosu na tradicionalne elektronske senzore. Elementi koji se koriste u opti?kim senzorima potpuno su pasivni u odnosu na elektri?nu energiju (ne zra?e niti provode struja), ?to ?esto presudno uti?e na njihovu uspje?nu primjenu u pojedinim oblastima. U medicini, to vam omogu?ava da izolujete pacijente od elektri?nih aparata, elimini?u provodne puteve u podru?ju visokog napona, a kada se postavi, osigurava se kompatibilnost sa svim materijalima. Karakteristike te?ine i veli?ine senzora su kriti?ne u aplikacijama kao ?to je svemir, a ovdje, zbog svoje male te?ine i veli?ine, opti?ki senzori imaju zna?ajnu prednost u odnosu na mnoge druge proizvode. Osim toga, takvi senzori su imuni na elektromagnetne smetnje. Tradicionalni elektri?ni senzori ?esto moraju biti postavljeni u te?ku za?titu, ?to uvelike pove?ava njihovu cijenu, veli?inu i te?inu. Stabilnost okoline je kriti?na kada se opti?ki senzori koriste u okru?enjima visoke temperature, a ?vrsta struktura im omogu?ava da izdr?e ekstremne nivoe vibracija i udarnih optere?enja. Gore navedenim svojstvima mo?ete dodati visoku osjetljivost i ?irokopojasnu vezu. Prilikom kombinovanja kanala niza senzora, velika ?irina opsega samih opti?kih vlakana omogu?ava prenos rezultuju?ih podataka i time pru?a odre?enu prednost.

Tabela 1 - P prednosti opti?kih senzora

Pasivnost (potpuno dielektri?ni senzori) Lagana Mala veli?ina Otpornost na elektromagnetne smetnje Mogu?nost rada na visokim temperaturama ?iroki propusni opseg Otpornost na vibracije i udare Visoka osjetljivost Mogu?nost zatvaranja elektri?nih i opti?kih signala Cijena komponenti je odre?ena velikim telekomunikacijskim i optoelektronskim tr?i?tem

Rani radovi na opti?kim senzorima mogu se generalno klasifikovati u dve glavne kategorije. Relativno jednostavni opti?ki senzori brzo su postali proizvodi masovne proizvodnje, ?esto kroz male start-upove, i formirali specijalizirano tr?i?te mjerenja. Jedan od prvih takvih primjera je mjerenje temperature u podru?ju visokog napona. Sofisticiranije opti?ke senzore, kao ?to su opti?ki ?iroskopi ili hidroakusti?ni prijemni antenski nizovi, slijedile su velike proizvodne firme uz podr?ku vladinih programa u nastojanju da u?u na potencijalno velika tr?i?ta visoke vrijednosti. Po?etni prodor na tr?i?te izme?u 1980. i 1990. godine, u stalnoj konkurenciji sa tradicionalnim senzorskim tehnologijama, bio je spor velikim dijelom zbog visoka cijena ograni?en broj odgovaraju?ih komponenti. Ali situacija se brzo mijenja, a izgledi izgledaju izuzetno povoljni. Kao ?to je prikazano na slici 1, cijena osnovnih opti?kih elemenata rapidno opada, dok se njihov broj i raznolikost pove?ava. Svi ovi faktori su kombinovani sa pove?anom pouzdano??u i pobolj?anim kvalitetom komponenti. Kao rezultat, to je dovelo do brzog ?irenja asortimana proizvedenih opti?kih senzora i po?etka njihove brze promocije na tr?i?tu.

198019902000

Slika 1 – Trendovi razvoja opti?kih senzora

Tabela 2 ilustruje dramati?ne i zna?ajne promjene u nekim od klju?nih elemenata. Cijena singlemode laserske diode kasnih 1970-ih vrijedio je nekoliko hiljada dolara, a vijek trajanja im je bio samo nekoliko sati. Do 1990. ovi elementi su kori??eni u milionima CD plejera i laserskih ?tampa?a, njihova cena je pala na nekoliko dolara po jedinici, a resurs je procenjen na desetine hiljada sati. Jednomodno opti?ko vlakno ko?talo je oko 10 dolara po metru kasnih 1970-ih i bilo je te?ko nabaviti. Godine 1990. upotreba takvih vlakana postala je norma u telekomunikacijskoj industriji, a milioni kilometara komunikacionih linija postavljani su svake godine uz cijenu vlakana manju od 0,10 dolara po metru. U oba slu?aja, razvoj je doveo do smanjenja vrijednosti tro?ka za oko tri reda veli?ine i bio je pra?en jednako naglim pove?anjem kvaliteta i standardizacije.

Osnovne elemente pratili su slo?eniji ure?aji, poput integriranih opti?kih modulatora, koji su kasnih 1970-ih bili laboratorijski kuriozitet, daleko od proizvoda masovne proizvodnje. Do 1990. ovi proizvodi su bili na tr?i?tu u malim koli?inama, a svaki je ko?tao nekoliko hiljada dolara. Ovaj senzor, koji je krajem 1970-ih sam po sebi bio rijedak laboratorijski ure?aj, napravljen na integriranim opti?kim faznim modulatorima, koji su njegov klju?ni element. Godine 1990. ovi ure?aji su bili ponu?eni na tr?i?tu u ograni?enim koli?inama po cijeni od 20.000 dolara po jedinici. Kako bi se osigurao prodor na tr?i?te, cijena ure?aja s prosje?nim karakteristikama trebala bi pasti na oko 500-1000 dolara. A to zauzvrat zahtijeva da cijena faznih modulatora padne na oko 50 USD po jedinici.

Tabela 2 – Potrebne komponente za opti?ke senzore su znatno jeftinije

198019902000 laserske diode 3000 USD/komad (prototipovi) 3 USD/komad (CD plejeri) - Jednomodno vlakno 5-10 USD/m (ograni?eno tr?i?te) 0,1 USD/m (standardna komunikacija) - Integrisani opti?ki modulatori Laboratorijski uzorci 7000 USD/komad (prototipovi) 50 USD/komad (?iroskopi sa opti?kim vlaknima) laboratorijski uzorci ?iroskopa sa opti?kim vlaknima 20000 USD/komad (prototipovi) 500-1000 USD/komad (jeftini navigacijski instrumenti)

Sa svakim uspje?nim novim proizvodom, cijena postoje?ih i novouvedenih komponenti nastavlja opadati, otvaraju?i put za priliv novih komercijalno dostupnih opti?kih senzora. Godine 1980. bilo je vrlo malo dostupnih komponenti i njihova cijena je bila relativno visoka, ?to je rezultiralo aplikacijama opti?kih senzora koje su zauzele vrlo malu ni?u na tr?i?tu, a ponuda je bila ograni?ena na samo nekoliko artikala. Do 1990. godine cijena komponenti od vlakana, izvora svjetlosti i razdjelnika vlakana naglo je pala, a elementi multipleksa su bili lako dostupni za prodaju po razumnim cijenama. Na tr?i?tu su se pojavili i neki novi proizvodi, poput integrisanih opti?kih ure?aja, koji su bili relativno skupi. Ovaj razvoj je doveo do uvo?enja opti?kih senzora kao instrumenta u industriji i elektroenergetskoj industriji, kao i do uvo?enja ograni?enog broja sofisticiranijih prototipova opti?kih senzora kao ?to su ?iroskopi sa opti?kim vlaknima. Mo?e se o?ekivati da ?e do 2000. godine do?i do zna?ajnog pove?anja broja ure?aja dostupnih na tr?i?tu po niskim cijenama, ?to ?e omogu?iti dizajnerima opti?kih vlakana da proizvode ?irok spektar ure?aja koji pru?aju visoke performanse po znatno ni?im cijenama od trenutnih tehnologija. dopustiti. Istovremeno, bi?e mogu?e koristiti senzore u potpuno novim oblastima nauke i tehnologije. Konkretno, najnovija dostignu?a omogu?it ?e zamjenu tradicionalnih rotiraju?ih inercijalnih senzora ?iroskopima s opti?kim vlaknima, ?iru upotrebu opti?kih senzora u procesima upravljanja i proizvodnje, kao i njihovu upotrebu za pra?enje stanja sistema i opreme u zrakoplovstvu. i gra?evinske industrije.

Svi ovi razvoji ?e dovesti do pojave sve vi?e i vi?e slo?eni sistemi baziran na spoju telekomunikacija i tehnologija opti?kih senzora. Nove zgrade ?e koristiti sisteme opti?kih vlakana za umre?avanje svih stanara i pru?anje usluga obrade kriti?nih performansi. Takve usluge ?e obavljati dvostruku funkciju pra?enja temperature, vla?nosti i potro?nje energije i preno?enja najbitnijih informacija centralna ta?ka menad?ment. Kapacitet i mjerne mogu?nosti opti?kih vlakana pru?it ?e mogu?nosti koje su daleko iznad stanja tehnike. Sli?ne usluge mogu pru?iti univerzalnu komunikaciju koja bi eliminirala potrebu za ru?nom provjerom brojila plina i elektri?ne energije. Po istom principu mogu se izgraditi centralizovani sistemi bezbednosti i za?tite od po?ara, kao i koordinacija hitne pomo?i.

Da bi se ovi snovi ostvarili, potrebno je unaprijediti tehnike i metode pretvaranja sirovina u opti?ke komponente, opti?kih komponenti u opti?ke senzore i kreiranje korisnih sistema baziranih na opti?kim senzorima. Ostatak ove knjige posve?en je pregledu odabranih tema u svakoj oblasti i opisivanju korisnih i obe?avaju?ih pristupa. Nadamo se da ?e ?itaoci ove knjige na?i mnogo od koristi u izgradnji nove i bolje budu?nosti.

2. Opti?ki modulatori za opti?ke senzore

Opti?ki modulatori su klju?ni gradivni blokovi vlakana opti?ki sistemi, koji obavlja razli?ite funkcije, uklju?uju?i amplitudnu, faznu, frekvencijsku i polarizacionu modulaciju. U ve?ini slu?ajeva koriste se poluprovodni?ki ure?aji u kojima se svjetlost modulira promjenom opti?kih svojstava materijala ure?aja kada je izlo?en kontrolnom elektri?nom signalu. Mehanizam povezivanja kontrolnog signala sa svojstvima materijala mo?e biti elektroopti?ki, akustoopti?ki ili magnetoopti?ki. Dok se mnogi opti?ki modulatori jo? uvijek prou?avaju u istra?iva?kim laboratorijama, ure?aji visokih performansi postaju izuzetno rasprostranjeni u opti?kim senzorima.

Postoje tri tipa opti?kih modulatora u ?vrstom stanju. To su volumetrijski, integrisani opti?ki ure?aji i ure?aji sa ?istim vlaknima (slika 2). Volumetrijski modulatori, u kojima signal prolazi kroz ?vrsti blok materijala, razvijani su relativno dugo i masovno se proizvode dugi niz godina. Me?utim, oni nemaju valovod i zahtijevaju visoki upravlja?ki napon i vanjsku optiku kako bi primili zra?enje iz opti?kih vlakana i zatim ga ponovo pokrenuli u opti?ko vlakno. U integrisanim opti?kim modulatorima, talasovodi su ugra?eni direktno u materijal modulatora. Ovo uvelike smanjuje zahtjeve za elektri?nom energijom i eliminira potrebu za vanjskom optikom za povezivanje na opti?ka vlakna. Razvijeno je mnogo takvih ure?aja, a neki od njih se masovno proizvode.

Slika 2 - Tri glavna tipa opti?kih modulatora u ?vrstom stanju: a) volumetrijski; b) integrisani opti?ki; c) ?ista vlakna

U modulatorima s ?istim vlaknima, opti?ki signal nikada ne napu?ta vlakno, koje je podvrgnuto kontrolnom signalu, ?to dovodi do potrebne modulacije. Prednost ure?aja ove vrste je mogu?nost da se oslobode optike potrebne za povezivanje na opti?ka vlakna i fino pode?avanje. Me?utim, sposobnost modulacije uobi?ajenih vlaknastih materijala kao ?to je staklo je relativno slaba i ure?aji zahtijevaju dovoljno visok pogonski napon. Modulatori ovog tipa su jo? uvijek u razvoju.

3. Senzori zasnovani na mjerenju intenziteta i Fabry-Perot interferometru

3.1 Senzori intenziteta

Prvi opti?ki senzori razvijeni su ?ak i prije nego ?to su vlakna s malim gubicima postala dostupna 1970-ih. Koristili su snopove ili pojedina?na vlakna za mjerenje svjetlosti koja se odbija ili prenosi od objekta. Ova tehnologija, koja je najjednostavnija po dana?njim standardima, ipak je pru?ila prednosti opti?kih vlakana u ograni?enom broju primjena. Kako su nova vlakna postala dostupna, efikasnost senzora se pove?ala. Dostupnost pouzdanih monofiber opti?kih kablova omogu?ila je implementaciju efikasnih opti?kih sistema i minijaturnih senzora. Pored jednostavnih reflektivnih i oda?ilja?kih sistema, razvijene su metode koje koriste pra?enje rubova, mikropregibe, pune unutra?nja refleksija i fotoelasti?nost. Kretanje prema prakti?na primjena opti?ki senzori su se desili brzo.

Senzori intenziteta su sami po sebi jednostavni i zahtijevaju prili?no ograni?eno elektronsko su?elje. Reflektivni senzor od jednog vlakna radi na sljede?i na?in: svjetlost putuje kroz vlakno s lijeva na desno, kona?no izlazi iz vlakna u obliku sto?ca i udara u pokretni reflektor. Ako se reflektor nalazi blizu kraja vlakna, ve?ina zra?enje se reflektuje nazad u vlakno; ?to se reflektor dalje udaljava od kraja vlakna, manje zra?enja se vra?a u vlakno. Monotoni odnos izme?u udaljenosti reflektorskog vlakna i povratnog zra?enja mo?e se koristiti za mjerenje udaljenosti. O?igledno ograni?enje takvog senzora, uobi?ajeno ograni?enje za ve?inu senzora intenziteta, je nedostatak odgovaraju?eg referentnog signala.

Ako se izlazni nivo izvora svjetlosti promijeni ili gubitak vlakana fluktuira s vremenom, to ?e rezultirati pogre?nim mjerenjem udaljenosti. U velikoj mjeri, ovo se mo?e nadoknaditi kori?tenjem vi?e izvora ili vi?e vlakana. Ovde se pomeranje okomito na osu vlakna meri pomo?u dva prijemna vlakna, izme?u kojih se raspore?uje zra?enje pokretnog vlakna. Uz odgovaraju?u kombinaciju fotostruja iz prijemnih vlakana, mo?e se uo?iti skoro linearna veza izme?u pomaka i izlaza. Jo? jedna shema s uvo?enjem gubitaka. Sila uzrokuje promjene u polarizaciji, ?to modulira amplitudu zra?enja. Za ovaj senzor, gore opisani problemi povezani sa referentnim signalom, kao i nelinearnost karakteristike i histereza zbog piezoopti?kog materijala, ostaju relevantni.

Jedna od najpopularnijih metoda modulacije intenziteta temelji se na savijanju vlakna koje uzrokuje gubitak zra?enja. Takvi senzori za mikrosavijanje koriste se u aplikacijama gdje se izmjereni parametar (deformacija, pritisak, sila, polo?aj, ubrzanje) mo?e mehani?ki pretvoriti u kretanje ure?aja koji deformira vlakno.

Kada je ure?aj za deformisanje zatvoren, gubici zra?enja se pove?avaju, a koli?ina prepu?tenog zra?enja se smanjuje.

kre?e se

Slika 3 - Microbend senzor. Ure?aj za deformiranje pove?ava gubitak savijanja u vlaknu kako se pomak pove?ava.

.2 Senzori temperature sa poluvodi?kim senzorskim elementom

Ovisnost granice apsorpcionog pojasa o temperaturi mo?e se koristiti za mjerenje temperature. Zra?enje iz jednog vlakna prolazi kroz GaAs prizmu u drugo vlakno. Ako je energija fotona manja od pojasa (tj., talasna du?ina je ve?a od oko 900 nm), zra?enje ne slabi mnogo u GaAs. Fotoni kra?e talasne du?ine se apsorbuju. Granica apsorpcione zone se pomera za oko 0,5 nm/°C. To podrazumijeva zahtjeve za ta?nost talasne du?ine na granici zone reda veli?ine 1 A da bi se dobila ta?nost senzora od 0,1°C. Ova preciznost je ograni?ena homogeno??u GaAs strukture. Sli?ni temperaturni senzori mogu se konstruisati kori??enjem filtera osetljivih na temperaturu (npr. Schott RG830 koloidni niskopropusni filter).

Zajedno sa senzorima koji rade na granici zone, mo?e se koristiti ?irok raspon optike za o?itavanje: od jedne fotodiode koja se koristi u krugu za mjerenje intenziteta do CCD spektrofotometrijskih nizova. Optika za o?itavanje naj?e??e koristi par fotodioda pode?enih da reaguju i na duge i na kratke talasne du?ine sa obe strane filtera utora. Izvori svjetlosti za senzor moraju osigurati energiju u najmanje dva podru?ja spektra. Za to se mogu koristiti dvije LED diode koje odgovaraju dugim i kratkim talasima na obje strane filtera utora, ili jedini izvor sa ?irim spektrom od slot filtera. Ako je ?irina spektra izvora manja od 100 nm, savijanja vlakana, gubici konektora, itd. ne?e utjecati na izlaz senzora ako se primjenjuje odgovaraju?a shema normalizacije. Normalizacija se obi?no posti?e kori?tenjem omjera dugovalnih i kratkovalnih fotostruja kao izlaznog signala.

Vi?emodna vlakna

Slika 4 – Senzor temperature koji koristi pomak granice pojasa u GaAs

3.3 Multimode Fabry Perot senzori

Istorija Fabry-Perot senzora zapo?ela je upotrebom interferometra paralelne plo?e na prelazu iz devetnaestog u dvadeseti vek. Senzore napona i pritiska opisali su Fabry i Perot; Megger i Peters su izmjerili indeks loma. Naravno, dizajn svih ovih senzora nije iskoristio prednosti opti?kih vlakana ili ?vrstih izvora svjetlosti.

Multimode senzori imaju niz glavnih prednosti u odnosu na single-mode senzore: (1) mogu?nost efikasnog uvo?enja svjetlosti iz jeftinih, izdr?ljivih LED izvora; (2) kori?tenje lako dostupnih konektora i drugih komponenti opti?kih vlakana i (3) pogodan zavr?etak vlakana. Fabry-Perot senzori mogu iskoristiti dodatne prednosti kori?tenja multimodnih vlakana: (4) jeftine senzorske elemente i (5) mogu?nost kori?tenja iste optike za o?itavanje za vi?e tipova senzora.

Multimodni interferometrijski senzori su manje osjetljivi od svojih ekvivalenata s jednim modom; ali u industrijskim mjerenjima to ?esto nije problem. Na primjer, vi?emodni temperaturni senzori MetriCor-a imaju rezoluciju od oko 0,1°C. Deset centimetara dug jednomodni interferometrijski temperaturni senzor mo?e imati rezoluciju od 10-5 °C koriste?i Hawkerovu vrijednost za temperaturnu osjetljivost vlakana od 100 rad °C-1 m-1, pod pretpostavkom da je osjetljivost interferometra 10-4 rad. Relativno niska osjetljivost multimodnih senzora nije od fundamentalnog zna?aja, budu?i da je dinami?ki raspon svih senzora otvorene petlje istog reda veli?ine. U ovoj situaciji, rezolucija vi?e nego ?to je potrebna samo smanjuje efektivni radni opseg senzora. Ograni?enje dinami?kog raspona mo?e se prevladati ako se u ure?aj implementira brojanje rubova ili ekvivalentna metoda. Kada se koristi metoda brojanja rubova, obi?no postoje problemi s nesigurno??u ?itanja kada se napajanje iznenada prekine, tako da se ova metoda ne mo?e koristiti u prakti?nim primjenama.

3.4 Istorija razvoja multimodnih Fabry-Perot senzora

Rani rad o Fabry-Perot senzorima daje vrijednost sa ta?no??u od 0,5% za temperaturni senzor u rasponu od 150 °C. Razli?iti senzori su razvijeni prema niskim i visokim standardima kvaliteta. Organizacija serijske proizvodnje Fabry - Perot senzora brzo je pre?la sa pojedina?no prikupljenih laboratorijskih uzoraka na ure?aje koji su mogli raditi u ?irokom temperaturnom rasponu. Druga pobolj?anja u dizajnu senzora dovela su do porodice senzora proizvedenih kori?tenjem tehnologije integriranih kola koji su niske cijene i ujedna?eni. Razvijeni su senzori temperature koji se mogu postaviti na kraj vlakna jednostavnim nano?enjem silikonskog sloja debljine 0,7 µm.

.5 Principi rada

Fabry-Perot interferometri se sastoje od dva reflektora smje?tena sa svake strane opti?ki prozirnog medija. Uz odgovaraju?u udaljenost izme?u reflektora, propusnost interferometra je visoka. Promjena udaljenosti dovodi do pada propusnosti. Kod reflektora s visokom reflektiranjem, propusnost je vrlo osjetljiva na promjene valne du?ine ili udaljenosti izme?u reflektora. Uop?teno govore?i, efikasnost interferometra ?esto karakteri?e faktor kvaliteta

F = 4R/(1-R2) (3.1)

gdje je R koeficijent refleksije ogledala u odsustvu gubitaka. Ovisnost propusnosti o udaljenosti izme?u reflektora za razli?ite vrijednosti faktora kvalitete prikazana je na slici 3.3. Interferometri visokog Q su korisni jer omogu?avaju precizno odre?ivanje karakteristika spektra; interferometri sa niskim faktorom kvaliteta omogu?avaju linearni re?im u ?irokom opsegu mernog parametra bez slo?ene ?eme sa povratnim informacijama.

Fabry-Perot interferometri su atraktivni za upotrebu u senzorima jer olak?avaju uspostavljanje veze sa izmjerenim fizi?kim ili kemijskim veli?inama. U slu?aju temperaturnog senzora, to se mo?e ilustrovati ispitivanjem na koje na?ine promjene temperature mogu biti povezane s razmakom reflektora interferometra. U sljede?oj listi svaka stavka predstavlja zasebnu opti?ki parametar, preko kojih se promena temperature mo?e povezati sa opti?kom rezonancom interferometra: (1) linearno ?irenje odstojnog prstena; (2) promjena indeksa prelamanja medija izme?u reflektora; (3) ?irenje medija izme?u reflektora; (4) promena zakrivljenosti reflektora; (5) promjena u apsorpciji ili reflektivnosti reflektora i (6) promjena spektralne apsorpcije ili raspr?enja u mediju izme?u reflektora. Na sre?u, mogu?e je dizajnirati interferometre za mjerenje samo jednog ili dva od gore navedenih parametara, eliminiraju?i odgovor na smetnje ostalih. To omogu?ava, na primjer, razvoj temperaturnih senzora osjetljivih na pritisak.

Opti?ka debljina

Slika 5 - Transmitans Fabry-Perot interferometra na razli?ite vrijednosti faktor kvaliteta

Fabry-Perot senzori sa multimodnim vlaknima koriste razli?ite izvore zra?enja. Po pravilu, spektralna ?irina izvora je glavni parametar koji je va?an i odre?en je izborom odre?ene sheme o?itavanja. O?itavanje zatvorene petlje omogu?ava kori?tenje visokokvalitetnih interferometara i laserskih izvora. U ovom primjeru, talasna du?ina lasera prati pomak u rezonanciji interferometra. Izvori bijele svjetlosti mogu se koristiti ako je dostupan spektrofotometar ili ekvivalent. LED diode su naj?e??e i mogu se koristiti sa interferometrima i ?ita?ima razli?itih dizajna. Neki senzori mogu koristiti dva izvora za smanjenje gre?aka zbog gubitaka i nesigurnosti u interferometru.

4. Vi?emodni difrakcijski senzori

Slika - 6 Difrakcija svjetlosti na ?vrstom objektu

Prije analize svojstava opti?kih re?etki, potrebno je prou?iti difrakciju. Fenomen difrakcije ispoljava svojstva svjetlosti koja se zna?ajno razlikuju od onih koja bi se mogla o?ekivati na osnovu geometrijske optike zraka. Najjednostavniji primjer difrakcije mo?e se uo?iti ispitivanjem sjene koju daje dobro oblikovani predmet, kao ?to je nov?i?, kada je osvijetljen kvazimonokromatskim izvorom (slika 6). geometrijska optika predvi?a da bi sjena koju baca nov?i? trebao biti savr?en tamni krug sa obrisom koji odgovara perimetru nov?i?a. Takva senka je vidljiva, ali ako bolje pogledate njene ivice, vide?ete da nisu tako jasno definisane. Umjesto toga, sastoje se od mnogih naizmjeni?nih tamnih i svijetlih podru?ja (traka). Daljnjim ispitivanjem ustanovit ?e se da sama sjena nije ravnomjerno tamna, ve? postepeno tamni kako se pribli?ava centru. Op?enito, difrakcija se mo?e definirati kao u?inak prepreka na propu?teno zra?enje.

Postoje dvije vrste difrakcije - Fraunhoferova difrakcija i Fresnelova difrakcija. Fresnelova difrakcija se naziva difrakcija bliskog polja, a Fraunhoferova difrakcija se naziva manifestacije dalekog polja. U drugom slu?aju pretpostavlja se paralelni kolimirani snop svjetlosti, a prvi ne sadr?i takvo ograni?enje. Dakle, Fraunhoferova difrakcija je poseban slu?aj Fresnelove difrakcije, ali budu?i da ju je mnogo lak?e analiti?ki opisati, smatrat ?emo je da demonstrira odre?ene karakteristi?ne manifestacije difrakcije.

Najjednostavniji slu?aj za prou?avanje je difrakcija na jednom prorezu. U tom slu?aju svjetlost prolazi kroz uski prorez i projektuje se na ekran. Prime?uje se centralni maksimum I0 - U drugim delovima ekrana dolazi do interferencije izme?u svetlosti koja se difraktuje od gornje i donje ivice proreza. Svi parovi svjetlosnih zraka koji prolaze kroz fragmente proreza na udaljenosti a/2 jedan od drugog imat ?e istu razliku udaljenosti b. U ovom slu?aju, posebno, oslabljuju?e smetnje ?e se pojaviti kada je b jednako cijelom broju pomno?enom sa l/2. Me?utim, po?to greh th - b/(a/2), dobijamo

kao u th = ml (4.1)

gdje je m cijeli broj, sa apsolutnom vrijedno??u jednakom ili ve?om od 1. Jedna?ina (4.1) je jedna?ina za Fraunhoferove difrakcijske minimume na jednom prorezu. Prou?avanje ove jedna?ine otkriva dvije zna?ajne ta?ke. Prvo, kako se a smanjuje (jaz se su?ava), pojavljuju se minimumi pri ve?oj vrijednosti v. Drugo, pri konstantnoj vrijednosti ?irine proreza, a b raste sa talasnom du?inom (tj., crvena svjetlost se lomi vi?e od plave svjetlosti). Ovo je suprotno od onoga ?to se de?ava tokom refrakcije, kada je ova pojava posledica op?te smanjenje indeks loma u opti?kim materijalima sa smanjenjem talasne du?ine (hromatska disperzija).

Rezolucija opti?kih sistema je ?esto ograni?ena difrakcijom. Primjer za to je problem koji se javlja kada teleskop poku?ava odvojiti slike dvije odvojene zvijezde koje se nalaze u neposrednoj blizini. Difrakcijski obrasci svjetlosti od dvije zvijezde stvoreni u teleskopu se preklapaju. Ako su centralni maksimumi dovoljno blizu, izgledaju kao jedan. Ako se maksimum stvoren svjetlo??u jedne zvijezde poklopi sa prvim minimumom stvorenim svjetlo??u druge, tada je postignuta maksimalna rezolucija. Ako se slike dalje razdvoje, rezolucija izme?u dvije zvijezde ?e biti jasnija. Uvjet grani?ne rezolucije naziva se Rayleighov kriterij. Za dato so?ivo, Rayleighov kriterijum omogu?ava izra?unavanje ugla minimalne rezolucije. Ako so?ivo ima pre?nik D i potpuno je osvetljeno svetlo??u talasne du?ine A, tada je ugao minimalne rezolucije

thmin =1,22l /D (4.2)

OD prakti?na ta?ka Najkorisniji ure?aj zasnovan na difrakciji je difrakciona re?etka (slika 7). U ovom slu?aju, re?etka prenosi svjetlost kroz skup proreza ?irine a svaki, razmaknutih na udaljenosti s jedan od drugog. Ova udaljenost se naziva period re?etke. Jednostavna analiza za svjetlost koja pada okomito na re?etku daje jedna?inu re?etke s

sinth =ml (4.3)

odre?ivanje polo?aja maksimuma za svjetlost s talasnom du?inom l. Rigoroznija analiza, uzimaju?i u obzir broj proreza N i ?irinu proreza, omogu?ava da se dobije kutna raspodjela opti?ke snage I (th), pada na ekran. U ovom slu?aju, normalizirana raspodjela opti?ke snage je data sa

ja( th )=sin2A1sin2NA2/A21sin2A2 (4.4)

gdje su A1 i A2 definirani kao

A1= pa sinth /l A2= ps sinth /l (4.5)

upadno svetlo

Slika - 7 Difrakcija vi?estrukim prorezima

Vrijednost A1 predstavlja efekat difrakcije na jednom prorezu, A2 - interferenciju od vi?e proreza. Prou?avanje jedna?ine (4.4) pokazuje da je polo?aj maksimuma glavne re?etke povezan s kvadratom broja proreza. Posljedi?no, pove?anje broja slotova dovodi do pove?anja centralnih maksimuma razli?itih redova i potiskivanja sekundarnih efekata difrakcije izme?u njih.

Kona?no, dvije druge karakteristike re?etke od interesa su ugaona disperzija i rezolucija. Ugaona disperzija se mo?e izra?unati direktno iz osnovne jednad?be re?etke (4.3) uzimaju?i derivaciju obje strane, uz pretpostavku da su s i m konstantni. Ispostavilo se

dth /dl =m/s costh (4.6) Mo?e se vidjeti da se promjena ugla s promjenom talasne du?ine pove?ava sa pove?anjem reda. Potrebna je sofisticiranija analiza da bi se odredila rezolucija ili najmanja razlika talasnih du?ina ? l, koji se mo?e detektovati na datoj talasnoj du?ini l i reda m re?etke sa N

5. Multimode polarizacijski senzori

polarizacija senzora opti?kih vlakana

5.1 Fenomenolo?ki opis polarizacije i retardacije

Jedan od mnogih va?na svojstva svjetlosni snop je tip njegove polarizacije. Dozvoljene vrste polarizacije su linearne, elipti?ne ili kru?ne. Bilo koje elektromagnetno zra?enje mo?e se predstaviti kao skup komponenti, od kojih svaka ima odre?eno stanje linearne polarizacije. Slika 8 prikazuje "snimku" elektri?nog polja sa jednom od glavnih ravnih talasnih komponenti svetlosnog snopa. Smjer polarizacije definira se kao smjer elektri?nog polja povezanog s komponentom koji je okomit na smjer ?irenja. Rezultat usrednjavanja tokom vremena velikog broja komponenata ?ija su polja me?usobno superponirana, pored dozvoljenih tipova polarizacije mogu se pojaviti nepolarizovane ili delimi?no polarizovane.

Energija koju prenosi ravni talas direktno je povezana sa kvadratom elektri?nog polja povezanog sa talasom. To se mo?e pokazati izra?unavanjem Umov-Poyntingovog vektora, koji odre?uje energiju koju nosi val.

Propagiraju?i elektromagnetski talas Elektri?no polje

Smjer ?irenja

Slika - 8 "Snimak" elektromagnetnog talasa koji se ?iri

Sada, za odre?ivanje energije vala, mo?e se koristiti Umov-Poyntingov vektor P = 1/2 ExH.Ako je vektor E usmjeren du? x-ose, a H usmjeren du? y-ose, Umov- Poynting vektor je jednak

P = ^ExH = z(e/4m)1/2E20 (5.1)

budu?i da je za slu?aj ravnog talasa H=(e/4m)1/2E, gde je e dielektri?na konstanta, a m magnetna konstanta medija. Za analizu razmatramo takva pseudoelektri?na polja povezana sa svjetlosnim zracima, ?ija je apsolutna vrijednost na kvadrat jednaka intenzitetu zraka. Ova pseudo-polja su jednaka realnim poljima do faktora proporcionalnosti

e=(e/4m)1/4E (5.2)

tako

I = e.e*=(e/4m)1/2E20 (5.3)

gdje je I energija po jedinici povr?ine svjetlosnog snopa.

Da biste opisali razli?ita polarizaciona stanja mogu?a za snop svjetlosti, razmotrite dvije linearno polarizirane komponente ravnih valova, od kojih se svaka ?iri u smjeru z. Vektori amplitude njihovih elektri?nih polja usmjereni su du? x i y osa, respektivno. Odgovaraju?a pseudo-polja se mogu predstaviti kao

E1=xaxe-i(ot-kz+dx) (5.5)

gdje dX i dY predstavljaju odgovaraju?u fazu svakog od valova u odnosu na neku referentnu ta?ku na z-osi. Jedna?ine (5.5) se mogu prepisati kao

e1=xAxei(0), e2=yAyeid (5.6)

Slo?ene promjene prostornog i vremenskog polja sada su uklju?ene u Ax i Ay, a referentna to?ka na z-osi je pomjerena tako da je dx=0 i dy=d. Sada mo?emo re?i da veli?ina e1 zaostaje za d u odnosu na

Mogu?a polarizaciona stanja sada se mogu konstruisati uzimaju?i u obzir zbir vektora e1 i e2:

ETxAx+yAyeid (5.7)

Ako je Ax = Ay = A i d = 0, onda

ET(d=0)=A(x+y) (5.8)

Ovdje je snop polariziran u smjeru p/4, kada posmatra?, okrenut prema opti?kom izvoru, vidi snop. Ako je d=p, onda

eT=(d=p)=A(x-y) (5.9)

one. svjetlost je polarizirana u smjeru -p/4.

Ako napravite "snimku" elektri?nog polja (t = 0), mo?ete vidjeti da se polja u jednad?bi (5.8) i (5.9) mijenjaju ovisno o polo?aju na z-osi, kao komponenta cos kz uklju?ena u A. Ako se, s druge strane, odabere odre?ena ta?ka na z-osi, promjene u ovoj ta?ki ?e biti proporcionalne cosot. Oba ova slu?aja predstavljaju linearnu polarizaciju.

Sada razmotrite slu?aj d=2p/2, ili ?etvrtvalno ka?njenje. U ovom slu?aju, zbir vektora em postaje jednak

ET=a(x cos(ot-kz)-ysin(ot-kz)) (5.10)

Kod t = 0, vektor polja ostaje konstantne veli?ine, ali se rotira oko z-ose kako se pozicija z mijenja. Sli?no, pri z = 0, rezultuju?i vektor rotira oko z-ose tokom vremena. Ova vrsta polarizacije naziva se kru?na polarizacija jer kraj vektora polja opisuje krug. Koli?ina ka?njenja p/2 stvara lijevu kru?nu polarizaciju; tj. za posmatra?a koji gleda direktno u izvor, vektor polja rotira ulijevo, suprotno od kazaljke na satu. Kod d=-p/2 vektor polja rotira u smjeru kazaljke na satu, ?to odre?uje desnu kru?nu polarizaciju.

Za vrijednosti d koje nisu jednake mp/2, gdje je m cijeli broj, kraj vektora elektri?nog polja opisuje elipsu, pa se ova vrsta polarizacije naziva elipti?na polarizacija. Mo?e biti lijeva ili desna elipti?na, kao u slu?aju kru?ne polarizacije.

Uop?teni izraz za zbirno polje sa proizvoljnim ka?njenjem je definisan kao

eT=a(xe-i(ot-kz)-ye-i(ot-kz+d)) (5.11)

Ovo je ipak vrlo rijedak slu?aj za izmjereni vektor polja. Obi?no se mjeri opti?ka snaga koja se prenosi na odre?enoj polarizaciji. Da bi se izra?unala rezultuju?a opti?ka snaga kao funkcija ose transmisije polarizatora (ugao th u odnosu na x-os), treba izra?unati kvadrat proizvoda ta?ke jedini?nog vektora u pravcu th i vektora polja

I=|(x costh+y sinth)eT|2 (5.12)

Kombinuju?i jedna?ine dobijamo

I=a2(1+ sin2th cosd) (5.13)

Grafikoni opti?ke energije prepu?tenog zra?enja I, za razli?ite orijentacije ose transmisije polarizatora i ka?njenja, prikazani su na slici 9, sa uglom polarnih koordinata koji odgovara v i polarnim radijusom koji odgovara I.

Slika -9 Intenzitet svjetlosti u odnosu na ugao za nekoliko razli?ite dr?ave polarizacija

6. Fiber-opti?ki senzori bazirani na Sagnac interferometru i pasivnom prstenastom rezonatoru

Sagnac interferometri i pasivni prstenasti rezonatori mogu se koristiti za odre?ivanje ?irokog raspona parametara okoline. ?iroskopi sa opti?kim vlaknima izgra?eni na ovim principima otvaraju ?irok opseg za sve ?vrste kompaktne inercijalne mjerne ure?aje u navigacijskim aplikacijama o kojima se prije nekoliko godina moglo samo sanjati. Upotreba takvih senzora prevazilazi mjerenje rotacije; njihove jedinstvene prednosti otvaraju izglede za ?iroku upotrebu u akusti?nim mjerenjima, magnetsko polje, temperatura, ubrzanje i mehani?ka naprezanja. Ovi ure?aji se mogu koristiti i za prou?avanje karakteristika izvora svjetlosti i opti?kih vlakana.

.1 Kratka recenzija senzori opti?ke rotacije i Sagnac efekta

.2 Osnovne karakteristike senzora rotacije

Tabela-3 Definicija karakteristika

Karakteristike pristranosti Fiksni pomak Izlazna brzina rotacionog enkodera koja nije nula pri nultoj ulaznoj brzini Odmak odstupanja Varijacija izlazne brzine enkodera tokom vremena zbog efekata kao ?to su promjene temperature, magnetna polja, starenje i habanje komponenti Osjetljivost (prag) Minimalna mjerljiva brzina rotacije za datu integraciju Faktor vremenske skale LinearnostMjera neovisnost izlaznog signala od smjera rotacije Histereza Mjera u kojoj mjeri K vrijednost ostaje konstantna za sve razmatrane brzine rotacije Opti?ke karakteristike Spectralne karakteristike buke Unutarnji dno buke kao funkcija frekvencije

Osetljivost, ili prag, je jo? jedna komponenta pristrasnosti. Mjeri se kao minimalna brzina rotacije za dato vrijeme integracije. Imajte na umu da ?to je du?e vrijeme integracije, to je ve?a osjetljivost. Ovdje je va?an kompromisni pristup, budu?i da dozvoljeno vrijeme integracije u velikoj mjeri ovisi o aplikaciji. Na primjer, za transportni avion koji pravi spore okrete, ?irina pojasa od 1 Hz ili vrijeme integracije od 1 s mo?e biti prihvatljivo, dok u drugoj primjeni platforma koja brzo osciluje mo?e zahtijevati propusni opseg od 100 Hz ili vrijeme integracije od 0,01 s. Zna?aj gre?ke faktora skale opet ovisi o primjeni. Ako aplikacija dozvoljava samo vrlo spora skretanja, zahtjevi faktora skale mogu biti opu?teniji nego za aplikaciju s brzim skretanjima, pod uslovom da su sve ostale stvari jednake. Tipi?no, ove gre?ke rezultiraju ne-idealnom linearno??u i histerezom.

Drugi faktori tako?e mogu biti od kriti?ne va?nosti za korisnike. To uklju?uje spektralne karakteristike ?uma. U idealnom slu?aju, rotacijski enkoder bi trebao biti bez skokova ?uma na bilo kojoj odre?enoj frekvenciji. Ovo je posebno va?no kada se razvijaju kontrolni sistemi. Mnogi mehani?ki senzori rotacije imaju visok nivo ?uma na karakteristi?nim frekvencijama zbog svojih mehani?ko kretanje. Dinami?ki raspon je razlika izme?u maksimalne i minimalne brzine koja se mo?e izmjeriti. Vrijeme uklju?ivanja je kriti?no za mnoge letove, koji mogu zavr?iti prije nego ?to se senzor rotacije uklju?i. Ovaj problem ?esto nastaje zbog mehani?ki ?iroskopi kojima je potrebno neko vrijeme da se "opuste". Potrebne vrijednosti svih ovih parametara odre?uje korisnik sistema, koji odlu?uje koje su vrijednosti parametara potrebne za odre?ene primjene. Tri karakteristike su klju?ne - cijena, veli?ina i vijek trajanja. Sva tri odre?uju da li je odre?ena primjena izvodljiva. Vijek trajanja se ?esto definira kao vijek trajanja kada se ure?aj jednostavno skladi?ti i ne radi, plus vijek trajanja.

Svi opti?ki senzori rotacije koji su trenutno razvijeni za sisteme navo?enja i upravljanja temelje se na Sagnac efektu, koji se koristi za mjerenje brzine rotacije. Ako se prsten okre?e brzinom O u smjeru kazaljke na satu i vremenski interval za prolazak svjetlosti du? prstena je definiran kao ?t = L/c, gdje je L obim prstena, a c brzina svjetlosti u vakuumu, tada zrak koji se ?iri u smjeru kazaljke na satu putuje svjetlosnom putanjom du?ine 2 pR + OR ?t, a zrak koji se ?iri u smjeru suprotnom od kazaljke na satu putuje putem 2p R- O R?t. Ukupna razlika izme?u opti?kih putanja zraka svjetlosti koje se ?ire jedna prema drugoj, zbog rotacije, jednaka je 2O RL/c. Da bi se dizajnirao efikasan opti?ki senzor rotacije zasnovan na Sagnac efektu, mora se shvatiti da je za postizanje visoke preciznosti potrebno ne samo precizno izmjeriti razliku putanje svjetlosti zbog rotacije, ve? istovremeno osigurati da je rotacija jedini vanjski parametar koji utje?e na mjerenja. U konstrukciji opti?kih senzora rotacije koriste se tri glavne metode: (1) opti?ke ?upljine, (2) interferometri otvorene petlje i (3) interferometri zatvorene petlje. Sljede?ih nekoliko pasusa ocrtava neke od karakteristika ovih pristupa.

Osnovni princip rada opti?kog rezonatora je da je za postizanje radnog stanja rezonancije potrebno da cijeli broj valnih du?ina stane u du?inu opti?kog kola. Ovo specificira da je u smjeru kazaljke na satu

Fccw?t=2 pR +OR ?t/ l (6.1)

i suprotno od kazaljke na satu

Fccw?t=2 pR -OR ?t /l (6.2)

gdje l je talasna du?ina svetlosnog snopa. Sabiranje (6.1) i (6.2) dovodi do relacije

F=Fcw-Fccw=2R /lO (6.3)

Ova jednad?ba je karakteristi?na jedna?ina prstenastog laserskog ?iroskopa i pasivnog opti?kog prstenastog rezonatora. Kao rezultat integracije frekvencije, izlazni signal se dobija kao broj traka po kutu rotacije, ?to je tipi?no za integriraju?i ?iroskop.

Za interferometre s opti?kim vlaknima otvorene petlje, razlika du?ine puta podijeljena s radnom valnom du?inom odre?uje broj rubova zbog rotacijske faze razlike izme?u snopova svjetlosti koji se suprotstavljaju,

ZO =2RL /lcO (6.4)

Ovaj pristup je primjenjiv na ?irok raspon aplikacija gdje su ograni?eni dinami?ki raspon i ta?nost faktora skale dovoljni, kao ?to su usmjeravanje i pra?enje, stabilizacija, robotika i konstrukcija ?iro kompasa. Ograni?eni dinami?ki raspon je zbog gubitka osjetljivosti pri prolasku kroz pojas. Razvijeno je nekoliko metoda zasnovanih na obradi izlaznog signala ?iroskopa sa opti?kim vlaknima otvorene petlje kako bi se pobolj?ao dinami?ki raspon i karakteristike faktora skale.

Opti?ki interferometrijski senzori rotacije mogu biti dizajnirani sa karakteristikama performansi sli?nim onima kod integracionog ?iroskopa koriste?i tehniku nuliranja faze. U ovom slu?aju, fazni pomak uzrokovan rotacijom se poni?tava odgovaraju?im umjetno uvedenim balansiraju?im faznim pomakom. Jedan od na?ina da se to postigne je kori?tenje frekvencije induciranog faznog pomaka. U ovom slu?aju, jedan od snopova, na primjer, koji se prostire u smjeru kazaljke na satu, pomjera se po frekvenciji prije ulaska u petlju vlakana, dok se drugi snop pomjera po frekvenciji nakon izlaska iz vlaknaste petlje. Rezultiraju?i pomak opsega zbog frekventne razlike F je

ZF=FLn/c (6.5)

gdje je n indeks loma vlakna. Ako je fazni pomak vo?en rotacijom postavljen na pomak faze vo?en frekvencijom, tada je izlaz ure?aja

Z=2R/lnO (6.6)

7. Primjena opti?kih senzora

Sa stanovi?ta industrijske primjene, upotreba opti?kih senzora je atraktivna jer imaju odli?nu osjetljivost i ?irok dinami?ki raspon, kompaktni su i omogu?avaju gusto pakovanje, a u budu?nosti imaju nisku cijenu i visoku pouzdanost. U po?etku su se ovi senzori koristili u neprijateljskom okru?enju gdje visoke temperature, korozivne tvari, visoki nivoi elektromagnetnih smetnji ili prijetnje eksplozije, tradicionalni senzori i senzorni elementi ne mogu ispravno raditi. Primjene za mjerenja visokih temperatura su dobar primjer gdje senzori bazirani na vatrostalnim staklenim vlaknima imaju prednosti u odnosu na elektronske mjere naprezanja ili kapacitivne senzore gdje ?i?ane veze mo?da ne?e izdr?ati visoke temperature. Drugi primjer je mogu?nost polaganja dugih kablova izme?u senzora i elektronskih procesorskih jedinica. Kablovi sa opti?kim vlaknima postali su usporedivi po cijeni sa koaksijalnim, pa ?ak i dvo?i?nim kablovima kada se pola?u vodovi dugi vi?e hiljada stopa. Budu?i da je opti?ko vlakno dielektri?ni medij, ono ne zra?i i na njega (barem u prvoj aproksimaciji) ne utje?u elektromagnetne smetnje (EMI). ?to je problem buke akutniji, vlakna postaju privla?nija. Vlakna ne zahtijevaju nikakvu za?titu ili posebno uzemljenje i mogu se odvijati u neposrednoj blizini visokonaponskih vodova. Elektronski moduli potrebni za modulaciju/demodulaciju opti?kih signala ne zahtevaju posebne filtere u okru?enju sa visokim nivoom elektromagnetnih smetnji.

7.1 Mjerenje temperature

Mnoge metode zasnovane na opti?kim vlaknima razvijene su za mjerenje temperature u industrijskim okru?enjima, a neki senzori su komercijalno dostupni. Predstavnici Westinghousea demonstrirali su distribuirana mjerenja temperature u nuklearnim reaktorima i izmjerili temperaturu izduvnih plinova motora analizom spektra emisije crnog tijela koje emituje opti?ko vlakno smje?teno na vru?oj ta?ki. Imajte na umu da kako temperatura raste, zra?enje na datoj talasnoj du?ini tako?e raste. Ovu metodu implementira Accuiber Inc. baziran na radu Dilsa (Dils), a komercijalno su dostupni senzori za mjerenje temperature izduvnih gasova mlaznih motora do 1900°C. Visoko precizna mjerenja temperature do 300 °C tako?er se mogu izvoditi u reaktorima koji rade.

Slika -10 ?ema Accufiberovog Sapphire Blackbody senzora i opti?kog analizatora

Accuiberov senzor uklju?uje tanku safirnu ?ipku (vidi sliku 10). Mjerni kraj ?ipke je prekriven vatrostalnim metalom.

Drugi kraj ?tapa je spojen na niskotemperaturno opti?ko vlakno izvan visokotemperaturne mjerne zone. Energija zra?enja iz toplog metalnog premaza se vodi kroz safirnu ?ipku i niskotemperaturno opti?ko vlakno do jedinice za analizu i prikaz. Metalom oblo?en vrh vlakna je crno tijelo ?iji emisioni spektar ovisi o temperaturi u skladu s Planckovim zakonom zra?enja.

Analiza uskog pojasa spektra zra?enja koje izlazi iz niskotemperaturnog vlakna vr?i se pomo?u opti?kog interferentnog filtera i fotodetektora koji pretvara energiju zra?enja u elektri?nu energiju.

Daljinska mjerenja temperature na temperaturama ispod 400°C mogu se izvesti kori?tenjem spektralno selektivnih metoda koje koristi nekoliko kompanija u komercijalno dostupnim ure?ajima. Takve metode nisu osjetljive na promjene u zra?enju crnog tijela, ve? otkrivaju temperaturno inducirane promjene u spektru fluorescencije ili apsorpcije odre?enih posebnih supstanci.

U trenutnom Luxtron sistemu, u?areni fosfor se postavlja na vrh opti?kog vlakna u zoni merenja (vidi sliku 11). Impulsi opti?ke pobude uzrokuju sjaj fosfora, a vrijeme koje je potrebno da sjaj ugasi ovisi o temperaturi. Mjeri se vrijeme t tokom kojeg luminiscentni signal S\ opada za faktor e u odnosu na njegovu po?etnu vrijednost. Temperatura se dobija iz kalibracione krive vremena opadanja t u odnosu na temperaturu. MetriCor-ov drugi sistem za mjerenje temperature na dvije talasne du?ine prati pomak ruba apsorpcionog pojasa u poluprovodni?kom materijalu kao funkciju temperature.

Slika - 11 ?ema Luxtron-ovog vrha vlakna oblo?enog fosforom kao opti?kog senzora temperature

.2 Merenje pritiska

Nekoliko opti?kih senzora zasnovanih na intenzitetu razvijeno je za merenje pritiska u industrijskim okru?enjima. Takvi senzori se mogu koristiti za pra?enje pritiska u kotlovima, hemijskim reaktorima, motorima i u ljudskom tijelu. Heise proizvodi visokoprecizni senzorski element u kojem je membrana povezana s transmisivnom difrakcijskom re?etkom koja se nalazi izme?u oda?ilja?kih i prijemnih vlakana. Litton i Metricor pretvara?i obezbe?uju korekciju gubitka na dve talasne du?ine i vi?e talasnih du?ina u konektorima i samim vlaknima.

Intenzivno se razvijaju opti?ki senzori pritiska. Konkretno, senzori dizajnirani za akusti?ke aplikacije se razvijaju u okviru programa Fiber Optic Sensor Systems ameri?ke mornarice. Za mjerenje varijabli fluktuacije tlaka koriste se i senzori sa vanjskim osjetljivim elementom i senzori „?ista vlakna“, senzori intenziteta i senzori interferometrijskog tipa.

Da bi se izmerio stati?ki pritisak, mo?e se izmeriti koli?ina intenziteta zra?enja reflektovanog od tanke membrane koja pada pod primenjenim pritiskom. Kalibraciona kriva takvog pretvara?a pritiska prikazana je na slici 12. Takav pretvara?, koji je razvio ORTESN, uklju?uje opti?ki reflektiraju?i senzorski element.

Ako se primjenjuje podijeljeni snop kao ?to je prikazano na umetku na slici 12, tada se polovina vlakana mo?e koristiti za prijenos zra?enja do vlakna, a druga polovina vlakana mo?e se koristiti za prijenos zra?enja do fotodetektora. Svjetlost koja izlazi iz ulaznih vlakana formira niz mrlja, ?iji se pre?nik pove?ava sa pove?anjem udaljenosti od kraja snopa proporcionalno numeri?kom otvoru vlakna. Koli?ina zra?enja koja ulazi u izlazna vlakna nakon odbijanja od membrane ovisi o primijenjenom pritisku, budu?i da se udaljenost od membrane do kraja snopa mijenja ovisno o pritisku.

Senzori sa opti?kim vlaknima razvijeni su za mjerenje stati?kog pritiska na visokim temperaturama. Mogu se koristiti za mjerenje tlaka u plinskim putevima u motorima aviona s visokim operativne karakteristike i da prati procesni pritisak u postrojenjima za ukapljivanje uglja.

0 20 40 60 80 100

Slika -12 Kalibraciona kriva za odnos izme?u izmjerenog i primijenjenog tlaka za pretvara? tlaka prikazanog na umetku, koji uklju?uje opti?ka vlakna reflektor senzorski element

Metalne membrane koje se koriste u konvencionalnim senzorima pritiska po?inju se deformirati na visokim temperaturama, a mjera?i naprezanja ili kapacitivni mjera?i naprezanja prestaju funkcionirati. Osim toga, ka?a koja se koristi u procesu ukapljivanja uglja je izuzetno kausti?na. Inconel legura visoke ?vrsto?e se koristi kao materijal dijafragme kako bi se izbjegle deformacije i problemi korozije; a opti?ki senzor za mikrosavijanje se koristi za mjerenje otklona membrane pod primijenjenim pritiskom. Pokazalo se da ovaj senzor mo?e mjeriti pritisak na temperaturama do 425 °C, dok pokazuje ponovljivost koja ne prelazi 1% ta?nosti mjerenja.

7.3 Merenje nivoa te?nosti

Mnogi pristupi su demonstrirani za mjerenje nivoa teku?ine pomo?u opti?kih senzora. Jedan pristup koristi vlakna za prijenos svjetlosti u prizmu. Sa odgovaraju?e odabranim uglom prizme, totalna unutra?nja refleksija svjetlosti nastaje kada je prizma u zraku. Ako je prizma uronjena u te?nost, svetlost se lomi u te?nosti. Dakle, ovaj ure?aj djeluje kao prekida? svjetla ovisno o nivou teku?ine. Sli?ni senzori su komercijalno dostupni od EoTec i Tedeco. Sa posebno dizajniranim prizmama, ovaj pristup obezbe?uje visok nivo odnosa signal-?um tokom rada on-off i neosetljivost na nakupljanje naslaga na spoljnim stranama prizme. Nivo te?nosti se tako?e meri kontinuiranim metodama kroz merenje pomaka ili pomaka. Senzori nivoa te?nosti koriste se u rezervoarima za gorivo i za otkrivanje curenja u rezervoarima za skladi?tenje petrohemije. Ovo koristi pristupe u kojima se kodna maska izme?u dva fiksna niza vlakana pomi?e kada se nivo promijeni, ili se jedno od vlakana pomi?e kada se nivo promijeni u odnosu na drugo ili nekoliko fiksnih vlakana.

Zaklju?ak

Glavni rezultati ovog kursa:

Napravljena je zbirka literature o tehnologijama opti?kih senzora.

Opisani su dizajn i principi rada opti?kih senzora i njihovih strukturnih elemenata.

Provedena je klasifikacija opti?kih senzora.

Spisak kori?tenih izvora

1. Fiber-opti?ki senzori / ur. E. Udda. - Tehnosfera, 2008. - 520s.

Okosi T. Opti?ki senzori / T. Okosi per. sa japanskog. - Lenjingrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Busurin V. I. Fiber-opti?ki senzori: fizi?ke osnove, pitanja prora?una i primjene / VI Busurin Yu. R. Nosov. - Lenjingrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Kolomiets LN Opti?ki senzori u informacijsko-mjernim sistemima / LN Kolomiets // Senzori i sistemi. -2006. - br. 1. - P.8-14.

Opti?ki senzori i informacijsko-mjerni sistemi / V. B. Garmash, F. A. Egorov, L. N. Kolomiets, A. P. Neugodnikov, V. I. Pospelov // Sb. izvje?taji MNTK Sensors and Systems 2005. - Penza. - 6-10. - 2005. - S.19-39.

Opti?ki senzori su ure?aji koji su dizajnirani za kontrolu udaljenosti i polo?aja, odre?ivanje boja i kontrastnih oznaka, kao i za rje?avanje drugih tehnolo?kih problema. Ure?aji se uglavnom koriste u industrijskoj opremi.

Prema na?inu rada opti?ki senzori se dijele na tri tipa.

Ure?aji koji se reflektuju od objekta sposobni su emitovati i primati svjetlost koja odlazi od objekta koji se nalazi u podru?ju njihovog djelovanja. Odre?eni se reflektuje od mete i, kada pogodi senzor, postavlja odgovaraju?i logi?ki nivo. Veli?ina zone odziva u velikoj mjeri ovisi o vrsti ure?aja, veli?ini, boji, zakrivljenosti i drugim parametrima objekta. U svom dizajnu prijemnik i emiter su prisutni u istom ku?i?tu.

Opti?ki senzori koji se reflektiraju od retroreflektora primaju i emituju svjetlost koja dolazi iz posebnog reflektora, a kada snop bude prekinut od strane objekta, na izlazu se pojavljuje odgovaraju?i signal. Opseg takvog ure?aja ovisi o stanju okoline koja okru?uje senzor i objekt (magla, dim, pra?ina itd.). AT ovaj instrument Emiter i prijemnik su tako?er smje?teni u istom ku?i?tu.

Tre?i tip uklju?uje opti?ke senzore, koji imaju zaseban prijemnik i izvor svjetlosti. Ovi elementi su postavljeni jedan naspram drugog du? iste ose. Objekt koji u?e u regiju uzrokuje njegov prekid, a logi?ki nivo se u skladu s tim mijenja na izlazu.

Svetlosni elementi ure?aja mogu da rade na razli?itim, koji uklju?uju infracrveno ili vidljivo (lasersko) svetlo, kao i druge indikatore oznaka u boji.

U svom dizajnu, opti?ki senzor se sastoji od emitera koji generi?e svjetlost u razli?itim rasponima, kao i od prijemnika koji razlikuje signal koji emituje prvi element. Obje komponente ure?aja nalaze se u jednom i u razli?itim ku?i?tima.

Rad ure?aja zasniva se na promjeni opti?kog zra?enja kada se u podru?ju pokrivenosti pojavi neproziran predmet. Kada je ure?aj uklju?en, opti?ki snop se emituje, prima kroz reflektor ili odbija od objekta.

Zatim se na izlazu senzora pojavljuje digitalna ili druga logika, koju zatim koristi aktuator ili registracioni krug.

Opti?ki senzori imaju razli?itu zonu osjetljivosti, koja se kre?e od nekoliko centimetara do stotina metara.

Najprikladnije je koristiti difuzne ure?aje koji se samostalno aktiviraju na objektu. Uglavnom, opti?ki senzori vam omogu?avaju da promijenite postavke za osjetljivost i indeksiranje izlaznog stanja, a proizvode se i modeli za samopode?avanje.

Na tr?i?tu postoji mnogo proizvo?a?a ure?aja. Na primjer, posebno su popularni ure?aji proizvo?a?a AUTONICS. Odlikuje ih velika raznolikost, niska cijena i visoka pouzdanost.

Upotreba opti?kih senzora je ekonomski izvodljiva u velikim objektima gdje veliki broj kontroleri za stalni nadzor glavnih ure?aja. Za rad u te?kim uvjetima proizvode se posebni modeli koji su otporni na visoke temperature, agresivna okru?enja i sposobni obavljati svoje funkcije u vakuumu. Ovisno o principu rada ure?aja, razlikuju se to?kasti i distribuirani senzori.

Poenta

Glavni element su Breggove re?etke - selektivna ogledala. Zra?enje koje ulazi u opti?ki senzor iz ?irokopojasnog izvora reflektuje se u obliku uskog spektralnog pojasa. Ostatak svjetlosti se kre?e du? vlakna. Ova tehnologija omogu?ava postavljanje vi?e kontrolera du? cijele du?ine linije, posti?u?i apsolutna o?itanja bez dodatne kalibracije. Ovo je danas najpouzdanija opcija za pra?enje.

Kori??enjem ta?kasti senzori mo?e se izmjeriti:

• temperatura;
• vibracije;
• pritisak;
• deformacije;
• uglovi itd.

Distribuirano

Dizajn distribuiranog opti?kog senzora dizajniranog za kontrolu temperature uklju?uje nekoliko osnovnih elemenata. Ovo je opti?ko vlakno i ispitiva?. Sli?an sistem se koristi u slu?ajevima kada je potreban nadzor za velike udaljenosti. Kako to radi: Ispitiva? generi?e laserski impuls koji se povratno raspr?uje u opti?kom vlaknu. Analiza ovog spektra poma?e da se sazna temperatura u svakoj klju?noj ta?ki vlakna.

Za za?titu velikih objekata i mjerenje deformacija mo?ete kupiti akusti?ne senzore. Oni rade na sli?nom principu. Razlika je u tome ?to analizator ne mjeri spektar, ve? oscilacije povratno raspr?enog zra?enja. Zahvaljuju?i ovim podacima, mogu?e je utvrditi izvor zvu?nog vala i pravovremeno poduzeti mjere u slu?aju neovla?tenih smetnji.

Mi nudimo

Prisutnost opti?kih senzora omogu?ava vam potpunu kontrolu statusa va?nih karakteristika. Ovi ure?aji su otporni na elektri?ne i magnetske smetnje. Nepretenciozni su u odr?avanju, pouzdani, izdr?ljivi, ekonomi?no tro?e elektri?nu energiju, mogu raditi na mrazu i ekstremnim vru?inama.

U na?oj trgovini mo?ete kupiti proizvode Omron-a i drugih poznatih proizvo?a?a takve opreme. Na?i menad?eri ?e vas savjetovati o svemu tehni?ka pitanja. Postoje opcije u slu?aju da se senzori planiraju koristiti ekstremnim uslovima. Na?im kupcima nudimo samo certificirane proizvode po pristupa?nim cijenama. Po potrebi mo?ete naru?iti usluge instalatera.

Senzori sa opti?kim vlaknima omogu?uju mjerenje mnogih karakteristika laboratorijskih i industrijskih objekata, posebno temperature. Uprkos ?injenici da je njihova upotreba prili?no naporna, ona pru?a niz prednosti, upotreba ovakvih senzora u praksi: neinduktivnost (tj. na njih ne uti?e elektromagnetna indukcija); male dimenzije senzora, elasti?nost, mehani?ka ?vrsto?a, visoka otpornost na koroziju itd.

Takozvani Ramanov efekat je posebno pogodan za mjerenje temperature pomo?u opti?kih vlakana od kvarcnog stakla. Svjetlost u staklenom vlaknu se raspr?uje mikroskopski malim fluktuacijama gustine, ?ija je veli?ina manja od valne du?ine. U povratnom rasejanju, zajedno sa frakcijom elasti?nog rasejanja (zra?eno rasejanje) na istoj talasnoj du?ini, mo?e se prona?i i propu?tena svetlost i dodatne komponente na drugim talasnim du?inama, koje su povezane sa vibracijama molekula, a time i sa lokalnom temperaturom (Ramanovo rasejanje).

opti?ki senzori

Senzori sa opti?kim vlaknima (tako?er ?esto nazivani senzori opti?kih vlakana) su opti?ki ure?aji za detekciju odre?enih koli?ina, obi?no temperature ili mehani?kog naprezanja, ali ponekad i pomaka, vibracija, pritiska, ubrzanja, rotacije (mjereno pomo?u opti?kih ?iroskopa zasnovanih na Sagnac efektu ), i hemijske koncentracije. Op?ti princip takvi ure?aji u tome ?to se svjetlost iz lasera (naj?e??e jednomodnog fiber lasera) ili superluminiscentnog opti?kog izvora prenosi kroz opti?ko vlakno, do?ivljava blagu promjenu svojih parametara u vlaknu ili u jednoj ili vi?e Braggovih re?etki, a zatim dosti?e krug za detekciju koji procjenjuje ove promjene.

U pore?enju sa drugim tipovima senzora, opti?ki senzori imaju sljede?e prednosti:

• · Sastoje se od elektri?no neprovodnih materijala (ne zahtevaju elektri?ne kablove), ?to im omogu?ava da se koriste, na primer, na mestima sa visokim naponom.
• · Mogu se bezbedno koristiti u eksplozivnim okru?enjima jer ne postoji opasnost od elektri?ne varnice, ?ak ni u slu?aju kvara.
• · Na njih ne uti?u elektromagnetne smetnje (EMI), ?ak ni u blizini udara groma, i ne elektrifikuju druge ure?aje sami.
• Njihovi materijali mogu biti hemijski inertni, tj. ne kontaminiraju okru?enje i nisu podlo?ni koroziji.
• · Imaju veoma ?irok raspon radnih temperatura (mnogo vi?e od elektronskih ure?aja).
• · Imaju mogu?nost multipleksiranja; vi?e senzora u jednoj vezi sa vlaknima mo?e se integrirati sa jednim opti?kim izvorom (vidi dolje).

Senzori bazirani na Braggovim re?etkama

Opti?ki senzori se ?esto baziraju na vlaknastim Braggovim re?etkama. Osnovni princip mnogih opti?kih senzora je da Braggova talasna du?ina (tj. talasna du?ina maksimalne refleksije) u re?etki zavisi ne samo od perioda Braggove re?etke, ve? i od temperature i mehani?kog naprezanja. Za kvarcna vlakna, promena Braggove talasne du?ine po jedinici deformacije je oko 20% manja od istezanja, jer postoji efekat deformacije na smanjenje indeksa prelamanja. Temperaturni efekti su bliski onima koji se o?ekuju samo za termi?ko ?irenje. Temperaturni i deformacijski efekti mogu se razlikovati kada se koriste razli?ita tehni?ka sredstva (na primjer, kada se koristi referentna re?etka koja nije podlo?na deformaciji, ili kada se koristi razne vrste vlaknaste re?etke) tako da se obje vrijednosti bilje?e istovremeno. Da bi se registrovala samo deformacija, rezolucija dosti?e nekoliko µe (tj. relativna promena du?ine reda) dok ta?nost ima isti red male veli?ine. Za dinami?ka mjerenja (npr. akusti?ni fenomeni), posti?e se osjetljivost ve?a od 1 meu po 1 Hz opsegu.

Distributed sensing

Drugi opti?ki senzori ne koriste vlaknaste Braggove re?etke kao senzore, ve? samo vlakno kao senzore. Princip sondiranja u njima se zasniva na efektu Rayleighovog rasejanja, Ramanovog rasejanja ili Brillouinovog rasejanja. Na primjer, metoda opti?ke reflektometrije u vremenskom domenu, gdje se polo?aj podru?ja sa slabom refleksijom mo?e odrediti pomo?u impulsnog sondiraju?eg signala. Ova metoda se tako?er koristi za odre?ivanje drugih veli?ina, kao ?to su temperatura ili napon, ovisno o Brillouin frekventnom pomaku.

U nekim slu?ajevima, izmjerena vrijednost je prosje?na vrijednost po cijeloj du?ini vlakna. Ova metoda je tipi?na za neke temperaturne senzore, kao i za interferometre bazirane na Sagnac efektu koji se koriste kao ?iroskopi. U drugim slu?ajevima mjere se veli?ine zavisne od polo?aja (npr. temperatura ili napon). Ovo se zove distribuirano sensing.

Kvazi-distribuirano sensing

Odre?ena vlakna mogu sadr?avati niz nizova senzora (vidi gore) za pra?enje temperature i distribucije naprezanja kroz vlakno. To se naziva kvazi-distribuirano sensing. Postoje razna tehni?ka rje?enja za adresiranje samo jedne re?etke (i time precizno odre?ivanje polo?aja du? vlakna)

U jednoj metodi, koja se zove multipleksiranje pune talasne du?ine (WDM) ili reflektometrija opti?kog frekvencijskog domena (OFDR), re?etke imaju ne?to druga?iju Braggovu talasnu du?inu. Talasna du?ina podesivog lasera u integracijskoj jedinici mo?e se podesiti na valnu du?inu koja pripada odre?enoj vrsti re?etke, a valna du?ina maksimalnog odraza ukazuje na utjecaj deformacije ili, na primjer, temperature. Osim toga, ?irokopojasni izvori svjetlosti (npr. superluminiscentni izvori) mogu se koristiti zajedno sa fotodetektorom za skeniranje talasne du?ine (npr. baziran na Fabry-Perot fiber rezonatoru) ili baziran na CCD spektrometru. u svakom slu?aju, maksimalni iznos re?etke, u pravilu, ne prelaze 10-50, ?to je ograni?eno rasponom pode?avanja propusni opseg izvor svjetlosti i potrebnu razliku talasnih du?ina u re?etkama vlakana.

Druga metoda, nazvana multipleksiranje s vremenskim podjelom (TDM), koristi identi?ne re?etke niske refleksije u koje se ?alju kratki impulsi svjetlosti. Refleksija od razli?itih re?etki se bilje?i pomo?u vremena njihovog dolaska. Vremenska podjela (TDM) se ?esto koristi u kombinaciji s podjelom talasne du?ine (WDM) za mno?enje broja razli?itih kanala stotinama ili ?ak hiljadama puta.

Drugi pristupi

Pored gore opisanih pristupa, postoji mnogo alternativne metode. Evo nekih od njih:

• · Fiber Braggove re?etke mogu se koristiti u interferentnim opti?kim vlaknima, gdje se koriste samo kao reflektori i mjere fazni pomak u zavisnosti od udaljenosti izme?u njih.
• · Postoje laserski Bragg senzori, gde se senzor re?etke nalazi u poslednjem ogledalu opti?ke ?upljine laserskog vlakna, na bazi vlakna dopiranog erbijem, koje percipira svetlost pumpe na talasnoj du?ini od 980 nm kroz vlakno. Braggova talasna du?ina, koja zavisi, na primer, o temperaturi ili mehani?kom naprezanju, odre?uje talasnu du?inu generisanja. Ovaj pristup, koji ima mnogo opcija za dalji razvoj, obe?ava visoke rezultate zbog uskog opsega spektralnog podru?ja, ?to je karakteristi?no za fiber laser, i visoke osjetljivosti.
• · U nekim slu?ajevima, parovi Braggovih re?etki se koriste kao vlakna za Fabry-Perot interferometre, koji mogu posebno osjetljivo reagirati na vanjske utjecaje. Fabry-Perot interferometar se mo?e napraviti i na drugi na?in, na primjer, kori?tenjem promjenjivog zra?nog raspora u vlaknu.
• · Dugotrajne re?etke su od posebnog interesa za istovremeno otkrivanje vi?e parametara (npr. temperature i naprezanja) ili na drugi na?in za alternativnu detekciju deformacija sa vrlo niskom osjetljivo??u na promjene temperature.

Podru?ja upotrebe

?ak i nakon nekoliko godina razvoja, opti?ki senzori jo? uvijek ne u?ivaju veliki komercijalni uspjeh, jer je te?ko zamijeniti postoje?e tehnologije, ?ak i ako imaju odre?ena ograni?enja. Iako u nekim aplikacijama, opti?ki senzori postaju sve prihva?eniji kao tehnologija s velikim potencijalom za zanimljive mogu?nosti. To je, na primjer, rad u te?kim uvjetima, kao ?to je sondiranje u ure?ajima s visokim naponom ili u mikrovalnim pe?nicama. Senzori za Braggove re?etke se tako?er mogu koristiti, na primjer, za pra?enje stanja unutar krila aviona, vjetroturbina, mostova, velikih brana, naftnih bu?otina i cjevovoda. Zgrade sa ugra?enim opti?kim senzorima ponekad se nazivaju "pametnim strukturama", senzori u njima prate deformacije unutar razli?itih dijelova konstrukcije i primaju podatke o tim promjenama, kao ?to su habanje, vibracije itd. Pametni dizajni su glavna pokreta?ka snaga za razvoj opti?kih senzora.

Prema internet enciklopediji www.rp-photonics.com