Meranie teploty pod optick?m vl?knom ( Anglick? verzia DTS = Distributed Temperature Sensing) rozumie pou?itie optoelektronick?ch pr?strojov na meranie teploty, kde sa sklenen? vl?kna pou??vaj? ako line?rne sn?ma?e. Typick? aplik?cie pre line?rne vl?knov? teplotn? sn?ma?e s? oblasti s?visiace s bezpe?nos?ou, ako s? syst?my po?iarneho poplachu v cestn?ch, ?elezni?n?ch alebo servisn?ch tuneloch; tepeln? kontrola nap?jac?ch k?blov a nadzemn? vedenia zariadenia na optimaliz?ciu priemyseln?ch vz?ahov; zlep?enie ??innosti ropn?ch a plynov?ch vrtov; zabezpe?enie bezpe?n?ho pracovn?ho stavu priemyseln?ch induk?n?ch taviacich pec?; kontrola tesnosti n?dob so skvapalnen?mi zemn? plyn na lodiach vo vykladac?ch termin?loch; zis?ovanie priesakov na priehrad?ch a n?dr?iach; kontrola teploty v chemick?ch procesoch; detekcia netesnost? v potrubiach.

Princ?p ?innosti sn?ma?a z optick?ch vl?kien

Fyzik?lne vplyvy na optick? vl?kno, ako s?: teplota, tlak, sila ?ahu, lok?lne menia charakteristiky priepustnosti svetla a v d?sledku toho ved? k zmene charakteristiky sign?lu sp?tn?ho odrazu. Z?kladom merac?ch syst?mov zalo?en?ch na optick?ch senzoroch je porovnanie spektier a intenz?t po?iato?n?ho laserov?ho ?iarenia a ?iarenia sp?tne rozpt?len?ho po prechode vl?knom.

Sp?tn? rozptyl svetla pri vystaven? teplote

Optick? vl?kna s? vyroben? z dopovan?ho kremenn?ho skla. Kremenn? sklo je druh oxidu kremi?it?ho (SiO2) s amorfnou pevnou ?trukt?rou. Teplotn? vplyvy iniciuj? vibr?cie v molekul?rnej mrie?ke. Ke? svetlo dopad? na tepelne excitovan? molekuly, doch?dza k interakcii medzi ?asticami svetla (fot?nmi) a elektr?nmi. V optickom vl?kne teda doch?dza k rozptylu svetla, ktor? je zn?my aj ako Ramanov rozptyl.

Sp?tn? rozptyl svetla pozost?va z nieko?k?ch spektr?lnych zlo?iek:
. Rayleighov rozptyl s vlnovou d??kou podobnou vlnovej d??ke pou?itej v laserovom zdroji;
. Stokesove zlo?ky Ramanovho rozptylu s vlnovou d??kou dlh?ou ako je vlnov? d??ka pou?it?ho laserov?ho zdroja, pri ktorej s? emitovan? fot?ny;
. Anti-Stokesove komponenty Ramanovho rozptylu s krat?ou vlnovou d??kou ako Rayleighov rozptyl, v ktorom s? absorbovan? fot?ny.

Intenzita rozptylu takzvan?ho anti-Stokesovho rozsahu z?vis? od teploty, zatia? ?o Stokesov rozsah je prakticky nez?visl? od teploty. Lok?lna teplota optick?ho vl?kna je odvoden? od pomeru intenz?t svetla proti Stokesovi a Stokesovi.

Brillouinove ?iary, ktor? s? intenz?vnej?ie ako Stokesove ?iary, ale maj? men?? spektr?lny posun.Tento spektr?lny posun je sp?soben? akustick?mi vibr?ciami kry?t?lovej mrie?ky vl?kna a nesie inform?ciu o mechanickom nam?han? a teplot?ch p?sobiacich na vl?kno. Vplyv mechanick?ho nam?hania a teploty vedie k zmene polohy Brillouinovej ?iary na stupnici vlnov?ch d??ok.

Sn?ma?e teploty zalo?en? na Ramanov?ch l?ni?ch

najviac modern? vybavenie v syst?me monitorovania distrib?cie teploty, napr?klad v potrubiach, sa pou??va distribuovan? sn?ma? teploty z optick?ch vl?kien zalo?en? na Ramanov?ch vedeniach. Princ?p ?innosti senzora spo??va v tom, ?e intenzita Stokesovej Ramanovej zlo?ky rozpt?len?ho ?iarenia je prakticky nez?visl? od teploty a intenzita Anti-Stokesovej ?iary silne s?vis? s teplotou. To umo??uje ur?en?m pomeru intenzity Anti-Stokesovej l?nie a Stokesovej l?nie ur?i? hodnotu teploty. Tento pr?stup umo??uje zbavi? sa chyby spojenej s mo?n?m kol?san?m v?konu sn?macieho laserov?ho impulzu. Syst?my tohto typu m??u fungova? na vzdialenosti nieko?k?ch kilometrov. Priestorov? rozl??enie m??e dosiahnu? 0,5 m.

Met?da merania

Najzn?mej?ou met?dou sp?tn?ho rozptylu je met?da OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry = Optical Time Domain Reflectometry). Je zalo?en? na pulzno-akustickej met?de (impulzy a ozvena), v d?sledku rozdielu doby ??renia medzi dobou prenosu a detekcie sveteln?ch impulzov mo?no ur?i? ?rove? a miesto rozptylu. Pomer rozptylu emitovan?ho svetla k Ramanovmu efektu, sign?l sp?tn?ho rozptylu pri meran? Ramanovho rozpt?len?ho svetla je faktor 1000. Lok?lne distribuovan? Ramanov teplotn? senzor s technol?giou OTDR je preto mo?n? realizova? len pomocou v?konn?ch (drah?ch) pulzn?ch laserov. (zvy?ajne pevn? lasery) a r?chla, aj drah?, signaliza?n? technika.

Ramanov sn?ma? teploty OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = reflektometria frekven?nej dom?ny) vyvinut? spolo?nos?ou LIOS Technology GmbH nepracuje v ?asovej oblasti, ako technika OTDR, ale vo frekven?nej oblasti. Met?da OFDR z?skava inform?cie o lok?lnej zmene teploty, ak sa sign?l sp?tn?ho rozptylu detekovan? po?as doby merania meria ako funkcia frekvencie a komplexne (komplexn? prenosov? funkcia) a potom sa podrobuje Fourierovej transform?cii. V?znamn?mi v?hodami techniky OFDR s? kv?zi-kontinu?lny re?im laserovej emisie a ?zkop?smov? detekcia sign?lu optick?ho sp?tn?ho rozptylu, v?aka ?omu sa dosahuje v?razne vy??? odstup sign?lu od ?umu ako pri pou?it? pulznej technol?gie. . T?to technick? v?hoda umo??uje pou?itie lacn?ch polovodi?ov?ch laserov?ch di?d a nen?kladn?ch elektronick?ch komponentov na prenos sign?lu. Proti nim stoj? technicky zlo?it? Ramanovo meranie rozpt?len?ho svetla (komplexn? meranie pod?a magnit?dy a f?zy) a n?kladn? ?as? kv?li FFT (Fourier Transform Unit) potrebn? na spracovanie sign?lu a s vy???mi po?iadavkami na linearitu elektronick?ch jednotiek a komponentov. .

?trukt?ra meracieho syst?mu

Sch?ma syst?mu merania teploty s optick?mi vl?knami pozost?va z jednotky na ?pravu sign?lu s frekven?n?m gener?torom, laserom, optick?m modulom, prij?macou jednotkou a mikroprocesorovou jednotkou, ako aj svetlovodn?m k?blom (vl?kno z kremenn?ho skla) ako line?rny sn?ma? teploty. V s?lade s met?dou OFDR je intenzita lasera po?as ?asov?ho intervalu merania modulovan? s?nusovo a frekvencia je modulovan? vo forme line?rnej frekven?nej modul?cie. Frekven?n? odch?lka je priamou pr??inou lok?lnej odozvy OTDR. Frekven?ne modulovan? laserov? svetlo je nasmerovan? do svetlovodu. Ramanovo rozpt?len? svetlo sa objavuje v akomko?vek bode pozd?? vl?kna, vy?arovan? vo v?etk?ch smeroch. ?as? Ramanovho rozpt?len?ho svetla sa pohybuje v opa?nom smere ako jednotka na ?pravu sign?lu. Potom sa vykon? spektr?lna filtr?cia sp?tne rozpt?len?ho svetla, jeho premena v merac?ch kan?loch na elektrick? sign?ly, zosilnenie a elektronick? spracovanie. Mikroprocesor vypo??ta Fourierovu transform?ciu. Ako medziv?sledok sa z?skaj? Ramanove krivky sp?tn?ho rozptylu ako funkcia d??ky k?bla. Amplit?da kriviek sp?tn?ho rozptylu je ?mern? intenzite zodpovedaj?ceho Ramanovho rozptylu. Z pomeru kriviek sp?tn?ho rozptylu sa z?ska teplota vl?kna pozd?? svetlovodn?ho k?bla. Technick? ?pecifik?cie Ramanove syst?my merania teploty je mo?n? optimalizova? vyladen?m parametrov pr?stroja (dosah, lok?lne rozl??enie, presnos? teploty, ?as merania). Svetlovodn? k?bel je tie? mo?n? upravi? pod?a mo?nost? konkr?tnej aplik?cie. Tepeln? odpor sklolamin?tov?ho povlaku obmedzuje maxim?lny teplotn? rozsah svetlovodn?ho k?bla. ?tandardn? d?tov? vl?kna maj? akrylov? alebo UV (ultrafialov?m) povlakom a s? vhodn? pre teploty do 80°C. Sklolamin?t potiahnut? polyamidom je mo?n? pou?i? do maxim?lnej teploty 400 °C.

Brillouinove syst?my(inform?cie zo str?nky www.vodosfera.com)

Ako u? bolo uveden?, spektr?lny posun Brillouinovej ?iary je sp?soben? akustick?mi vibr?ciami kry?t?lovej mrie?ky vl?kna a nesie inform?cie o mechanickom nam?han? a teplot?ch p?sobiacich na vl?kno. Doteraz vytvoren? algoritmy na spracovanie sign?lov tak?chto syst?mov umo??uj? oddeli? inform?cie o teplote a mechanick?ch vplyvoch.

Pre monitorovac? syst?m Brillouin s? typick? nasleduj?ce charakteristiky: vzdialenos?, na ktor? m??e fungova? jeden syst?m, je 40 - 50 km s priestorov?m rozl??en?m 1 - 2 metre.

Nev?hody monitorovac?ch syst?mov Brillouin zah??aj? zlo?itos? ich zariadenia, ?o sp?sobuje vysok? n?klady. V?hodou syst?mov Brillouin je schopnos? pracova? so senzorov?mi k?blami na b?ze oby?ajn?ho lacn?ho komunika?n?ho vl?kna. ?as pr?jmu sign?lu z tak?chto syst?mov je pribli?ne 1 - 2 min?ty. Pri pr?ci s dlh??mi ?iarami sa ?as merania predl?uje.

Na zv??enie citlivosti a v?razn? skr?tenie ?asu merania sa pou??va met?da zalo?en? na stimulovanom Brillouinovom rozptyle. Od syst?mov zalo?en?ch na spont?nnom rozptyle sa l??i t?m, ?e do vl?kna sa s??asne posiela nepretr?it? „sk??obn?“ sign?l. laserov? ?iarenie a v?konn? pulz pumpy

Monitorovacie syst?my zalo?en? na stimulovanom Brillouinovom rozptyle zabezpe?uj? prev?dzku na vzdialenos? cca 50 km (mo?n? s? aj ve?k? vzdialenosti) s priestorov?m rozl??en?m 0,5 m. Minim?lna frekvencia z?skavania inform?ci? o meran? m??e by? r?dovo jeden Hertz.

Tepeln? monitorovac? syst?m pre k?blov? vedenie s pou?it?m sn?ma?a z optick?ch vl?kien

Materi?l poskytuje Inversion-Sensor

Havarijn? v?padok silov?ch vysokonap??ov?ch k?blov?ch veden? je pre svoju vysok? cenu a vysok? technologick? v?znam n?dzovou situ?ciou, ktor? si vy?aduje urgentn? a n?kladn? opravy. Pr??inou hav?rie k?blov?ho vedenia je v mnoh?ch pr?padoch lok?lne prehriatie, ktor? m??e by? sp?soben? zv??en?m pr?dovej z??a?e vedenia, zhor?en?m podmienok chladenia k?bla po celej d??ke, alebo je d?sledkom niektor?ch defektov k?bla. izol?cie a spojky.

V?asn? detekcia z?n prehriatia k?bla a spojok je mo?n? pri pou?it? syst?mov monitorovania teploty pomocou optick?ho vl?kna integrovan?ho do kon?trukcie k?bla. Podobn? syst?my na meranie distrib?cie teploty pozd?? k?blov?ho vedenia, realizovan? pomocou efektu rozptylu laserov?ho impulzu v optickom k?bli, naz?van? Raman, sa v s??asnosti akt?vne zav?dzaj? do praxe.

Optick? syst?m ASTRO dom?cej v?roby (firma Inversion-Sensor) je ur?en? na prev?dzkov? sledovanie teplotn?ho profilu vysokonap??ov?ch k?blov?ch veden? po?as prev?dzky.

Optick? vl?kno je integrovan? do ?trukt?ry k?blov?ho vedenia a zvy?ajne sa nach?dza v oblasti tienenia, pod vonkaj??m pl???om. Do nej s? periodicky laserom vysielan? diagnostick? impulzy a pomocou meracieho pr?stroja je zaznamen?van? sp?tne odrazen? sveteln? tok.

Pri zmene parametrov optick?ho vl?kna zabudovan?ho v k?bli, ktor? vznikaj? vplyvom teploty, sa pre ka?d? konkr?tny ?sek k?blov?ho vedenia zis?uje hodnota lok?lnej teploty.

Miestna teplota v ka?dom jednotlivom ?seku k?blov?ho vedenia sa vypo??ta pomocou ?asov?ho rozdielu medzi okamihom prijatia impulzu odrazen?ho od ka?d?ho ?seku a okamihom emisie laserov?ho impulzu do optick?ho vl?kna. Pri znalosti r?chlosti ??renia svetla v meracom vl?kne je mo?n? s vysokou presnos?ou vypo??ta? miesto, ktor?mu zodpoved? spektrum odrazen?ho optick?ho sign?lu.

R?chle ur?enie teplotn?ho profilu k?blov?ho vedenia umo??uje person?lu ?dr?by efekt?vne prev?dzkova? vedenie pomocou:

• Sp?sob regul?cie teploty optick?m rozptylom v odrazen?ch sign?loch umo??uje r?chlo mera? teplotn? profil na dlh?ch k?bloch, a? 16 km. To umo??uje ovl?da? roz??ren? objekty alebo nieko?ko objektov naraz pomocou jedn?ho zariadenia a postupne ich zap?na?.
• Znalos? teplotn?ho profilu k?blov?ho vedenia v?m umo??uje optimalizova? jeho za?a?enie, racion?lne zoh?ad?ova? skuto?n? klimatick? podmienky a miestne vlastnosti kladenia v?etk?ch ?sekov k?blov?ho vedenia.
• Preto?e syst?m optick?ch vl?kien meria teplotu pod pl???om k?blov?ho vedenia, monitorovac? softv?r prepo??tava teplotu pr?dov?ho jadra k?bla a ur?uje prechodn? zahrievanie po?as skoku z??a?e. Toto je obzvl??? d?le?it? pre ur?enie technickej realizovate?nosti prenosu dodato?n?ho v?konu cez k?blov? vedenie, ber?c do ?vahy najviac vyhrievan? ?as? k?bla.
• Pomocou syst?mu ASTRO je mo?n? ur?i? miesta v?skytu a pos?di? stupe? rozvoja por?ch sprev?dzan? lok?lnym ohrevom jednotliv?ch ?sekov riaden?ho k?blov?ho vedenia.
• Je mo?n? r?chlo ur?i? miesto preru?enia k?blov?ho vedenia po v?skyte fat?lnych por?ch alebo n?dzov?ch dynamick?ch ??inkov na k?bel.

Syst?m monitorovania teploty k?blov?ho vedenia kon?truk?ne pozost?va z dvoch hlavn?ch prvkov - optick?ho vl?kna ulo?en?ho pozd?? k?blov?ho vedenia, ktor?m je distribuovan? sn?ma? teploty, a meracieho zariadenia s prim?rnymi n?strojmi na spracovanie a anal?zu inform?ci? in?talovan?ch v ochrannej skrini.

Ak bolo k?blov? vedenie p?vodne navrhnut? na pou?itie so syst?mom monitorovania teploty, potom je optick? vl?kno predin?talovan? pod pl???om k?bla vo f?ze jeho v?roby.

Ak je syst?m monitorovania teploty in?talovan? na u? prev?dzkovanom k?blovom veden?, vo vn?tri ktor?ho nie je meracie optick? vl?kno, potom je polo?en? vonku a upevnen? ?o najbli??ie k riaden?mu k?blu. Vonkaj?? sp?sob ulo?enia sn?ma?a teploty s optick?m vl?knom je menej v?hodn?, preto?e m? v?razne ni??iu presnos? a je n?chylnej?? na vonkaj?ie teplotn? vplyvy.

S??as?ou skrine syst?mu monitorovania teploty k?blov?ho vedenia je merac? pr?stroj zna?ky ASTRO, priemyseln? po??ta? so ?pecializovan?m softv?rom na spracovanie inform?ci?, hodnotenie stavu a predikciu mo?n?ho zv??enia za?a?enia k?blov?ho vedenia. V skrini je tie? namontovan? zdroj nepreru?ite?n?ho nap?jania a v?etky potrebn? technick? prostriedky na komunik?ciu s hornou ?rov?ou ACS-TP.

Klimatick? verzia ochrannej skrine monitorovacieho syst?mu je ur?en? parametrami zadania pre vytvorenie syst?mu. Samotn? skri?a m??e by? in?talovan? ved?a ukon?enia riaden?ho k?blov?ho vedenia alebo umiestnen? vo vzdialenosti a? nieko?k?ch kilometrov v z?vislosti od d??ky vedenia. Pri in?tal?cii vonku je skri?a dod?van? so syst?mom vn?tornej ?pravy teploty.

Syst?m sledovania teploty vysokonap??ov?ho k?blov?ho vedenia zna?ky ASTRO pracuje v plne automatickom re?ime, v s?lade s intern?mi v?po?tov?mi a expertn?mi algoritmami a ?pecifikovan?mi lok?lnymi nastaveniami pre ka?d? riadiaci objekt.

Inform?cie o pr?de teplotn? re?im prev?dzka monitorovan?ho k?blov?ho vedenia a v?sledky expertnej diagnostiky s? neust?le zobrazovan? na obrazovke zabudovan?ho priemyseln?ho po??ta?a. ?pln? inform?cie o stave spojenia sa pren??aj? do syst?mu riadenia procesov vy??ej ?rovne cez optick? vl?kno pomocou ?tandardn?ho protokolu IEC 61850.

Technick? parametre syst?mu ASTRO

abstraktn?

AT ro?n?kov? pr?ca uva?uje sa o technol?gi?ch, princ?poch fungovania, praktickej aplik?cii optick?ch senzorov. Cie?om pr?ce je ?tudova? kon?truk?n? vlastnosti a princ?py ?innosti optick?ch sn?ma?ov a ich klasifik?ciu.

Tento ?l?nok popisuje n?vrhy a princ?py ?innosti optick?ch sn?ma?ov a ich kon?truk?n? prvky, vykon?va sa aj klasifik?cia optick?ch sn?ma?ov.

?vod

Ide?lne na pou?itie v mnoh?ch aplik?ci?ch by senzory mali ma? vlastnosti ako n?zka hmotnos?, mal? rozmery, n?zky v?kon, odolnos? vo?i ?ivotn?mu prostrediu a elektromagnetick? odolnos?, dobr? v?kon a n?zke n?klady. Ako technol?gia napreduje, potreba senzorov s t?mito charakteristikami dramaticky rastie v oblastiach, ako je letectvo a obrana, v?roba materi?lov, medic?na a stavebn?ctvo. Prenikanie optick?ch technol?gi?, ktor? sa r?chlo rozv?jali v 70. a 80. rokoch v?aka telekomunika?n?mu priemyslu, na komer?n? trhy pre v?robcov CD prehr?va?ov, osobn?ch kop?rok a laserov? tla?iarne, spolu so zn??en?m n?kladov na optoelektronick? komponenty umo?nili technol?gii optick?ch sn?ma?ov odhali? svoj potenci?l vo vz?ahu k mnoh?m aplik?ci?m. V odbornej literat?re m??ete n?js? popis r?znych optick?ch senzorov.

Cie?om tejto pr?ce je ?tudova? kon?truk?n? vlastnosti a princ?py ?innosti optick?ch senzorov, ako aj ich klasifik?ciu.

Z?rove? je nevyhnutn?:

Prezrite si existuj?cu literat?ru a zozbierajte potrebn? inform?cie.

Pop??te kon?trukcie a princ?py ?innosti optick?ch sn?ma?ov a ich kon?truk?n? prvky.

Klasifikujte senzory z optick?ch vl?kien.

Nau?te sa pou??va? optick? senzory v praxi.

1. Technol?gie sn?ma?ov optick?ch vl?kien

Technol?gia optick?ch vl?kien sp?sobila revol?ciu v telekomunik?ci?ch. Revol?cia sa za?ala obmedzen?m pou??van?m optick?ch vl?kien v syst?moch vy?aduj?cich ultra vysok? v?kon. Revol?cia nastala, ke? hromadn? v?roba spojen? s technick?mi vylep?eniami dok?zala dosiahnu? ultra vysok? produktivitu pri ni???ch n?kladoch ako ktor?ko?vek in? alternat?vny pr?stup. S??asn? vylep?enia a zni?ovanie n?kladov spolu s masovou komer?nou v?robou viedli k vyl??eniu anal?gov a vzniku nov?ch aplik?ci? a nov?ch produktov, ako s? CD prehr?va?e, osobn? kop?rky a laserov? tla?iarne. Tretia revol?cia nastala, ke? v?voj?ri vyu?ili r?chlo rast?cu oblas? komunik?cie z optick?ch vl?kien spolu s optoelektronick?mi zariadeniami a vytvorili senzory z optick?ch vl?kien.

Otv?raj? sa ??asn? vyhliadky, od schopnosti nahradi? v???inu v s??asnosti existuj?cich senzorov prostredia a? po uvedenie ?plne nov?ch senzorov na trh, ktor? poskytuj? pr?le?itosti, ktor? predt?m neexistovali.

Pri optick?ch sn?ma?och s vonkaj??m sn?mac?m prvkom sa meranie parametrov vykon?va v oblasti mimo vl?kna. To ist? plat? pre hybridn? optick? senzory. Samotn? senzory si mo?no predstavi? ako „?ierne skrinky“, pri?om optick? vl?kna sl??ia na prenos svetla do „skriniek“ a sp?? d?t. Vo v???ine pr?padov sa pojmy extern? sn?ma? a hybridn? sn?ma?e pou??vaj? zamenite?ne. Hlavn? rozdiel vznik? v pr?pade vyu?itia energie fotosenzit?vnych prvkov, kedy sa l?? svetla pou??va na aktiv?ciu elektronick?ho senzora a d?ta sa vracaj? sp?? cez optick? kan?l. V tomto pr?pade je vhodnej?? v?raz „hybrid“.

Ve?kou a d?le?itou podtriedou sn?ma?ov, v ktor?ch sa optick? vl?kno pou??va ako citliv? prvok, alebo ?isto vl?knov? sn?ma?e, s? interferometrick? sn?ma?e. V???ina sn?ma?ov, ktor? poskytuj? najvy??? v?kon, patr? do tejto podtriedy.

Po?iato?n? prienik optick?ch senzorov na trh bol sp?soben? ich v?konnostnou v?hodou. Tabu?ka 1 uv?dza v?etky v?hody tak?chto sn?ma?ov v porovnan? s tradi?n?mi elektronick?mi sn?ma?mi. Prvky pou??van? v senzoroch z optick?ch vl?kien s? ?plne pas?vne, pokia? ide o elektrinu (nevy?aruj? ani neved? elektriny), ?o m? ?asto rozhoduj?ci vplyv na ich ?spe?n? uplatnenie v niektor?ch oblastiach. V medic?ne to umo??uje izolova? pacientov od elektrick? spotrebi?e eliminuj? vodiv? cesty v oblasti vysok?ho nap?tia a pri umiestnen? je zabezpe?en? kompatibilita s ak?miko?vek materi?lmi. Charakteristiky hmotnosti a ve?kosti sn?ma?ov s? rozhoduj?ce v aplik?ci?ch, ako je leteck? a kozmick? priemysel, a tu maj? sn?ma?e z optick?ch vl?kien v?znamn? v?hodu v porovnan? s mnoh?mi in?mi produktmi kv?li svojej malej hmotnosti a ve?kosti. Okrem toho s? tak?to senzory odoln? vo?i elektromagnetick?mu ru?eniu. Tradi?n? elektrick? sn?ma?e musia by? ?asto umiestnen? v ?a?kom tienen?, ?o v?razne zvy?uje ich cenu, ve?kos? a hmotnos?. Environment?lna stabilita je rozhoduj?ca pri pou??van? optick?ch sn?ma?ov v prostred? s vysokou teplotou a pevn? kon?trukcia im umo??uje odol?va? extr?mnym ?rovniam vibr?ci? a n?razov?ho za?a?enia. K vlastnostiam uveden?m vy??ie m??ete prida? vysok? citlivos? a ?irokop?smov? pripojenie. Pri kombinovan? kan?lov senzorov?ho po?a umo??uje ve?k? ??rka p?sma samotn?ch optick?ch vl?kien prenos v?sledn?ch d?t a poskytuje tak ur?it? v?hodu.

Tabu?ka 1 - P v?hody optick?ch senzorov

Pasivita (celodielektrick? sn?ma?e) N?zka hmotnos? Mal? rozmery Odolnos? vo?i elektromagnetick?mu ru?eniu Schopnos? pracova? pod vysok? teploty?irok? ??rka p?sma Odolnos? vo?i vibr?ci?m a n?razom Vysok? citlivos? Mo?nos? kompresie elektrick?ch a optick?ch sign?lov

Skor? pr?ce na senzoroch z optick?ch vl?kien mo?no vo v?eobecnosti rozdeli? do dvoch hlavn?ch kateg?ri?. Relat?vne jednoduch? senzory z optick?ch vl?kien sa r?chlo stali masovo vyr?ban?mi produktmi, ?asto prostredn?ctvom mal?ch za??naj?cich podnikov, a vytvorili ?pecializovan? trh s meran?m. Jedn?m z prv?ch tak?chto pr?kladov je meranie teploty v oblasti vysok?ho nap?tia. Sofistikovanej?ie senzory z optick?ch vl?kien, ako s? gyroskopy s optick?mi vl?knami alebo hydroakustick? prij?macie ant?nne polia, boli sledovan? ve?k?mi v?robn?mi spolo?nos?ami podporovan?mi vl?dnymi programami v snahe vst?pi? na potenci?lne ve?k? trhy s vysok?mi platmi. Po?iato?n? prenikanie na trh v rokoch 1980 a? 1990 v neust?lej konkurencii s tradi?n? technol?gie senzorov bol pomal? hlavne kv?li vysok? cena obmedzen? po?et vhodn?ch komponentov. Situ?cia sa v?ak r?chlo men? a vyhliadky vyzeraj? mimoriadne priaznivo. Ako je zn?zornen? na obr?zku 1, n?klady na z?kladn? optick? prvky r?chlo klesaj?, zatia? ?o ich po?et a rozmanitos? sa zvy?uje. V?etky tieto faktory s? kombinovan? so zv??enou spo?ahlivos?ou a zlep?enou kvalitou komponentov. V d?sledku toho to viedlo k r?chlemu roz??reniu sortimentu vyr?ban?ch optick?ch senzorov a za?iatku ich r?chlej propag?cie na trhu.

198019902000

Obr?zok 1 - Trendy vo v?voji optick?ch senzorov

Tabu?ka 2 ilustruje dramatick? a v?znamn? zmeny v niektor?ch k???ov?ch prvkoch. Jednom?dov? laserov? di?dy st?li koncom sedemdesiatych rokov nieko?ko tis?c dol?rov a ich ?ivotnos? bola len nieko?ko hod?n. Do roku 1990 sa tieto prvky pou??vali v mili?noch CD prehr?va?ov a laserov?ch tla?iarn?, ich cena klesla na nieko?ko dol?rov za jednotku a zdroj sa odhadoval na desiatky tis?c hod?n. Jednovidov? optick? vl?kno st?lo koncom sedemdesiatych rokov okolo 10 dol?rov za meter a bolo ?a?k? ho z?ska?. V roku 1990 sa pou??vanie tak?hoto vl?kna stalo ?tandardom v telekomunika?nom priemysle a ka?d? rok sa polo?ili mili?ny kilometrov komunika?n?ch liniek s cenou vl?kna menej ako 0,10 USD za meter. V oboch pr?padoch viedol v?voj k zn??eniu hodnoty n?kladu asi o tri r?dy a bol sprev?dzan? rovnako prudk?m n?rastom kvality a ?tandardiz?cie.

Po z?kladn?ch prvkoch nasledovali zlo?itej?ie zariadenia, ako napr?klad integrovan? optick? modul?tory, ktor? boli koncom 70. rokov laborat?rnymi kuriozitami, ?aleko od masovo vyr?ban?ch produktov. V roku 1990 boli tieto produkty na trhu v mal?ch mno?stv?ch, pri?om ka?d? st?l nieko?ko tis?c dol?rov. Tento senzor, ktor? bol koncom 70. rokov s?m o sebe vz?cnym laborat?rnym zariaden?m, vyroben?m na integrovan?ch optick?ch f?zov?ch modul?toroch, ktor? s? jeho k???ov?m prvkom. V roku 1990 boli tieto zariadenia pon?kan? na trhu v obmedzenom mno?stve za cenu 20 000 USD za kus. Na zabezpe?enie prieniku na trh by cena zariaden? s priemern?mi charakteristikami mala klesn?? na pribli?ne 500 – 1 000 USD. A to zase vy?aduje, aby n?klady na f?zov? modul?tory klesli na pribli?ne 50 dol?rov za jednotku.

Tabu?ka 2 – Po?adovan? komponenty pre sn?ma?e z optick?ch vl?kien s? v?razne lacnej?ie

198019902000 laserov?ch di?d 3000 $/kus (prototypy) 3 USD/ks (CD prehr?va?e) - Jednore?imov? vl?kno 5-10 USD/m (obmedzen? ponuka na trhu) 0,1 USD/m (?tandardn? komunik?cia) - Integrovan? optick? modul?tory Laborat?rne vzorky 7000 USD/ks (prototypy) 50 USD/kus (gyroskopy z optick?ch vl?kien) gyroskopy z optick?ch vl?kien laborat?rne vzorky 20 000 USD/kus (prototypy) 500-1000 $/kus (lacn? naviga?n? pr?stroje)

S ka?d?m ?spe?n?m nov?m produktom n?klady na existuj?ce a novo predstaven? komponenty na?alej klesaj?, ??m sa otv?ra cesta pre pr?lev nov?ch komer?ne dostupn?ch senzorov z optick?ch vl?kien. V roku 1980 bolo dostupn?ch len ve?mi m?lo komponentov a ich cena bola relat?vne vysok?, ?o viedlo k tomu, ?e aplik?cie optick?ch senzorov zaberali ve?mi mal? medzeru na trhu a ponuka bola obmedzen? len na nieko?ko polo?iek. Do roku 1990 cena optick?ch komponentov, sveteln?ch zdrojov a rozde?ova?ov vl?kien prudko klesla a prvky multiplexu boli ?ahko dostupn? na predaj za rozumn? ceny. Na trhu boli aj niektor? novinky, ako napr?klad integrovan? optick? zariadenia, ktor? boli pomerne drah?. Tento v?voj viedol k zavedeniu senzorov z optick?ch vl?kien ako pr?strojov?ho vybavenia v priemysle a energetike, ako aj k zavedeniu obmedzen?ho po?tu sofistikovanej??ch prototypov senzorov z optick?ch vl?kien, ako s? gyroskopy z optick?ch vl?kien. D? sa o?ak?va?, ?e do roku 2000 d?jde k v?razn?mu n?rastu po?tu zariaden? dostupn?ch na trhu za n?zke ceny, ?o umo?n? dizajn?rom optick?ch vl?kien vyr?ba? ?irok? ?k?lu zariaden?, ktor? poskytuj? vysok? v?kon za v?razne ni??ie ceny ako s??asn? technol?gie. povoli?. Z?rove? bude mo?n? vyu??va? senzory v ?plne nov?ch oblastiach vedy a techniky. Najnov?? v?voj umo?n? najm? nahradi? tradi?n? rota?n? inerci?lne senzory gyroskopmi s optick?mi vl?knami, ?ir?ie vyu?itie senzorov z optick?ch vl?kien v riadiacich a v?robn?ch procesoch a tie? ich pou?itie na monitorovanie stavu syst?mov a zariaden? v leteckom a kozmickom priemysle. a stavebn? priemysel.

V?etky tieto v?vojov? trendy poved? k v????m a komplexnej??m syst?mom zalo?en?m na konvergencii telekomunika?n?ch a optick?ch senzorov?ch technol?gi?. Nov? budovy bud? vyu??va? syst?my z optick?ch vl?kien na sie?ovanie v?etk?ch obyvate?ov a poskytovanie kritick?ch slu?ieb spracovania v?konu. Tak?to slu?by bud? vykon?va? dvojit? funkciu monitorovania teploty, vlhkosti a spotreby energie a prenos najd?le?itej??ch inform?ci? do centr?lneho dispe?ingu. ??rka p?sma a meracie schopnosti optick?ch vl?kien poskytn? mo?nosti ?aleko za hranicou s??asn?ho stavu techniky. Podobn? slu?by m??u poskytn?? univerz?lnu komunik?ciu, ktor? by eliminovala potrebu ru?nej kontroly plynu a elektromery. Na rovnakom princ?pe je mo?n? vybudova? centralizovan? bezpe?nostn? a protipo?iarne syst?my, ako aj koordin?ciu n?dzovej starostlivosti.

Aby sa tieto sny splnili, je potrebn? zlep?i? techniky a met?dy premeny surov?n na optick? komponenty, optick? komponenty na senzory z optick?ch vl?kien a vytvori? u?ito?n? syst?my zalo?en? na senzoroch z optick?ch vl?kien. Zvy?ok tejto knihy je venovan? preh?adu vybran?ch t?m v ka?dej oblasti a opisu u?ito?n?ch a s?ubn?ch pr?stupov. D?fame, ?e ?itatelia tejto knihy n?jdu ve?a u?ito?n?ch pri budovan? novej a lep?ej bud?cnosti.

2. Optick? modul?tory pre senzory z optick?ch vl?kien

Optick? modul?tory s? k???ov?mi stavebn?mi kame?mi vl?kna optick? syst?my vykon?vaj?ce r?zne funkcie vr?tane amplit?dovej, f?zovej, frekven?nej a polariza?nej modul?cie. Vo v???ine pr?padov sa pou??vaj? polovodi?ov? zariadenia, v ktor?ch sa svetlo moduluje zmenou optick?ch vlastnost? materi?lu zariadenia pri p?soben? riadiaceho elektrick?ho sign?lu. Mechanizmus spojenia riadiaceho sign?lu s vlastnos?ami materi?lu m??e by? elektrooptick?, akustickooptick? alebo magnetooptick?. Zatia? ?o mnoho optick?ch modul?torov sa st?le ?tuduje vo v?skumn?ch laborat?ri?ch, vysokov?konn? zariadenia sa st?vaj? extr?mne roz??ren?mi v senzoroch z optick?ch vl?kien.

Existuj? tri typy polovodi?ov?ch optick?ch modul?torov. Ide o volumetrick?, integrovan? optick? a ?isto vl?knov? zariadenia (obr?zok 2). Objemov? modul?tory, v ktor?ch sign?l prech?dza cez pevn? blok materi?lu, sa vyv?jali pomerne dlho a s?riovo sa vyr?baj? u? mnoho rokov. Nemaj? v?ak vlnovod a vy?aduj? vysok? riadiace nap?tie a vonkaj?iu optiku, aby mohli prij?ma? ?iarenie z optick?ch vl?kien a n?sledne ho znovu spusti? do optick?ho vl?kna. V integrovan?ch optick?ch modul?toroch s? vlnovody zabudovan? priamo do materi?lu modul?tora. To v?razne zni?uje po?iadavky na elektrickej energie a eliminuje potrebu externej optiky na pripojenie k optick?m vl?knam. Mnoho tak?chto zariaden? bolo vyvinut?ch a niektor? z nich s? s?riovo vyr?ban?.

Obr?zok 2 - Tri hlavn? typy polovodi?ov?ch optick?ch modul?torov: a) objemov?; b) integrovan? optick?; c) ?ist? vl?knina

V ?ist?ch vl?knov?ch modul?toroch optick? sign?l nikdy neopust? vl?kno, ktor? je podroben? riadiacemu sign?lu, ktor? vedie k po?adovanej modul?cii. V?hodou zariaden? tohto typu je mo?nos? upusti? od optiky potrebnej na pripojenie k optick?m vl?knam a jemn? ladenie. Modula?n? schopnos? be?n?ch vl?knit?ch materi?lov, ako je sklo, je v?ak relat?vne slab? a zariadenia vy?aduj? dostato?ne vysok? budiace nap?tie. Modul?tory tohto typu s? st?le vo v?voji.

3. Senzory zalo?en? na meran? intenzity a Fabryho-Perotovom interferometri

3.1 Senzory intenzity

Prv? senzory z optick?ch vl?kien boli vyvinut? e?te predt?m, ako boli v 70. rokoch dostupn? n?zkostratov? vl?kna. Na meranie svetla odrazen?ho alebo pren??an?ho objektom pou??vali zv?zky alebo jednotliv? vl?kna. T?to technol?gia, ktor? je pod?a dne?n?ch ?tandardov najjednoduch?ia, napriek tomu poskytuje v?hody optick?ch vl?kien v obmedzenom po?te aplik?ci?. Ke? boli k dispoz?cii nov? vl?kna, ??innos? senzorov sa zv??ila. Dostupnos? spo?ahliv?ch monovl?knov?ch optick?ch k?blov umo?nila implement?ciu efekt?vnych optick?ch syst?mov a miniaturizovan?ch senzorov. Okrem jednoduch?ch reflexn?ch a prenosov?ch syst?mov boli vyvinut? met?dy vyu??vaj?ce sledovanie okrajov, mikrooh?banie, ?pln? vn?torn? odraz a fotoelasticitu. Pohyb smerom k praktick? uplatnenie senzory z optick?ch vl?kien prebehli r?chlo.

Senzory intenzity s? vo svojej podstate jednoduch? a vy?aduj? pomerne obmedzen? elektronick? rozhranie. Jednovl?knov? reflexn? senzor funguje nasledovne: Svetlo prech?dza vl?knom z?ava doprava, nakoniec vl?kno op???a v tvare ku?e?a a dopad? na pohybliv? reflektor. Ak je reflektor bl?zko konca vl?kna, v???ina ?iarenia sa odr??a sp?? do vl?kna; ??m ?alej sa reflektor vz?a?uje od konca vl?kna, t?m menej ?iarenia sa dost?va sp?? do vl?kna. Na meranie vzdialenosti mo?no pou?i? monot?nny vz?ah medzi vzdialenos?ou vl?kna reflektora a sp?tn?m ?iaren?m. Zrejm?m obmedzen?m tak?hoto sn?ma?a, be?n?m obmedzen?m pre v???inu sn?ma?ov intenzity, je nedostatok vhodn?ho referen?n?ho sign?lu.

Ak sa v?stupn? ?rove? sveteln?ho zdroja zmen? alebo strata vl?kna kol??e s ?asom, bude to ma? za n?sledok chybn? meranie vzdialenosti. Do ve?kej miery sa to d? kompenzova? pou?it?m viacer?ch zdrojov alebo viacer?ch vl?kien. Pohyb kolmo na os vl?kna sa tu meria pomocou dvoch prij?mac?ch vl?kien, medzi ktor? sa rozde?uje ?iarenie z pohybuj?ceho sa vl?kna. Pri vhodnej kombin?cii fotopr?dov z prij?mac?ch vl?kien mo?no pozorova? takmer line?rny vz?ah medzi posunom a v?stupom. ?al?ia sch?ma so zaveden?m str?t. Sila sp?sobuje zmeny v polariz?cii, ktor? moduluje amplit?du ?iarenia. Pre tento sn?ma? zost?vaj? relevantn? probl?my op?san? vy??ie spojen? s referen?n?m sign?lom, ako aj nelinearita charakteristiky a hyster?zia v d?sledku piezooptick?ho materi?lu.

Jedna z najpopul?rnej??ch met?d modul?cie intenzity je zalo?en? na oh?ban? vl?kna, ktor? sp?sobuje stratu ?iarenia. Tak?to mikroohybov? sn?ma?e sa pou??vaj? v aplik?ci?ch, kde sa meran? parameter (natiahnutie, tlak, sila, poloha, zr?chlenie) m??e mechanicky previes? na pohyb zariadenia, ktor? deformuje vl?kno.

Ke? je deforma?n? zariadenie zatvoren?, straty ?iarenia sa zvy?uj? a mno?stvo pren??an?ho ?iarenia kles?.

s?ahovanie

Obr?zok 3 - Microbend senzor. Deforma?n? zariadenie zvy?uje stratu ohybu vo vl?kne so zvy?uj?cim sa posunom.

.2 Sn?ma?e teploty s polovodi?ov?m sn?mac?m prvkom

Na meranie teploty je mo?n? pou?i? z?vislos? hranice absorp?n?ho p?sma od teploty. ?iarenie z jedn?ho vl?kna prech?dza cez hranol GaAs do in?ho vl?kna. Ak je energia fot?nu men?ia ako zak?zan? p?s (tj vlnov? d??ka je v???ia ako asi 900 nm), ?iarenie v GaAs pr?li? nezoslabne. Fot?ny s krat??mi vlnov?mi d??kami s? absorbovan?. Hranica absorp?nej z?ny sa pos?va pribli?ne o 0,5 nm/°C. Z toho vypl?vaj? po?iadavky na presnos? vlnovej d??ky na hranici z?ny r?dovo 1 A, aby sa dosiahla presnos? sn?ma?a 0,1 °C. T?to presnos? je obmedzen? homogenitou ?trukt?ry GaAs. Podobn? teplotn? sn?ma?e m??u by? skon?truovan? s pou?it?m teplotne citliv?ch filtrov (napr. Schott RG830 koloidn? dolnopriepustn? filter).

Spolu so sn?ma?mi pracuj?cimi na hranici z?ny je mo?n? pou?i? ?irok? ?k?lu ??tacej optiky: od jednej fotodi?dy pou?itej v obvode merania intenzity a? po CCD spektrofotometrick? polia. ??tacia optika naj?astej?ie pou??va p?r fotodi?d vyladen?ch tak, aby reagovali na dlh? aj kr?tke vlnov? d??ky na oboch stran?ch ?trbinov?ho filtra. Sveteln? zdroje pre senzor musia poskytova? energiu aspo? v dvoch oblastiach spektra. K tomu mo?no pou?i? dve LED di?dy zodpovedaj?ce dlh?m a kr?tkym vln?m na oboch stran?ch ?trbinov?ho filtra, pr?p jedin?m zdrojom so ?ir??m spektrom ako ?trbinov? filter. Ak je ??rka zdrojov?ho spektra men?ia ako 100 nm, ohyby vl?kna, straty konektora at?. neovplyvnia v?stup senzora, ak sa pou?ije vhodn? normaliza?n? sch?ma. Normaliz?cia sa zvy?ajne dosiahne pou?it?m pomeru dlhovlnn?ch a kr?tkovlnn?ch fotopr?dov ako v?stupn?ho sign?lu.

Multim?dov? vl?kna

Obr?zok 4 - Sn?ma? teploty vyu??vaj?ci posun hranice p?sma v GaAs

3.3 Multim?dov? senzory Fabry Perot

Hist?ria Fabry-Perot senzorov sa za?ala pou?it?m interferometra s paraleln?mi doskami na prelome 19. a 20. storo?ia. Senzory nap?tia a tlaku op?sali Fabry a Perot; Megger a Peters merali index lomu. Samozrejme, n?vrhy v?etk?ch t?chto senzorov nevyu??vali v?hody optick?ch vl?kien alebo polovodi?ov?ch sveteln?ch zdrojov.

Multim?dov? senzory maj? v porovnan? s jednore?imov?mi senzormi mno?stvo hlavn?ch v?hod: (1) mo?nos? efekt?vneho zavedenia svetla z lacn?ch, odoln?ch LED zdrojov; (2) pou??vanie ?ahko dostupn?ch konektorov a in?ch komponentov z optick?ch vl?kien a (3) pohodln? ukon?enie vl?kna. Sn?ma?e Fabry-Perot m??u vyu??va? ?al?ie v?hody pou??vania multim?dov?ch vl?kien: (4) lacn? sn?macie prvky a (5) mo?nos? pou?i? rovnak? ??taciu optiku pre viacero typov sn?ma?ov.

Multim?dov? interferometrick? senzory s? menej citliv? ako ich jednovidov? ekvivalenty; ale pri priemyseln?ch meraniach to ?asto nie je probl?m. Napr?klad multim?dov? teplotn? senzory MetriCor maj? rozl??enie pribli?ne 0,1 °C. Desa? centimetrov dlh? jednom?dov? interferometrick? teplotn? senzor m??e ma? rozl??enie 10-5 °C s pou?it?m Hawkerovej hodnoty pre teplotn? citlivos? vl?kna 100 rad °C-1 m-1, za predpokladu citlivosti interferometra 10-4 rad. Relat?vne n?zka citlivos? multim?dov?ch sn?ma?ov nem? z?sadn? v?znam, preto?e dynamick? rozsah v?etk?ch sn?ma?ov s otvorenou slu?kou je r?dovo rovnak?. V tejto situ?cii viac ako potrebn? rozl??enie iba zni?uje efekt?vny prev?dzkov? rozsah sn?ma?a. Obmedzenie dynamick?ho rozsahu mo?no prekona?, ak je v zariaden? implementovan? po??tanie okrajov alebo ekvivalentn? met?da. Pri pou?it? met?dy po??tania okrajov sa zvy?ajne vyskytuj? probl?my s neistotou ??tania pri n?hlom preru?en? nap?jania, tak?e t?to met?du nemo?no pou?i? v praktick?ch aplik?ci?ch.

3.4 Hist?ria v?voja multim?dov?ch Fabry-Perot senzorov

Skor? ?l?nok o senzoroch Fabry-Perot ud?va hodnotu s presnos?ou 0,5 % pre teplotn? senzor s rozsahom 150 °C. Boli vyvinut? r?zne senzory s pou?it?m n?zkych aj vysok?ch ?tandardov kvality. Organiz?cia s?riovej v?roby senzorov Fabry - Perot sa r?chlo presunula od individu?lne odoberan?ch laborat?rnych vzoriek k zariadeniam, ktor? mohli pracova? v ?irokom rozsahu tepl?t. ?al?ie vylep?enia v dizajne sn?ma?ov viedli k radu sn?ma?ov vyroben?ch pomocou technol?gie integrovan?ch obvodov, ktor? s? lacn? a jednotn?. Boli vyvinut? teplotn? senzory, ktor? mo?no umiestni? na koniec vl?kna jednoduch?m napr??en?m krem?kovej vrstvy s hr?bkou 0,7 µm.

.5 Prev?dzkov? princ?py

Fabry-Perot interferometre pozost?vaj? z dvoch reflektorov umiestnen?ch na ka?dej strane opticky prieh?adn?ho m?dia. Pri vhodnej vzdialenosti medzi reflektormi je priepustnos? interferometra vysok?. Zmena vzdialenosti vedie k poklesu priepustnosti. Pri vysoko reflexn?ch reflektoroch je priepustnos? ve?mi citliv? na zmeny vlnovej d??ky alebo vzdialenosti medzi reflektormi. Vo v?eobecnosti je ??innos? interferometra ?asto charakterizovan? faktorom kvality

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

kde R je koeficient odrazu zrkadiel pri absencii str?t. Z?vislos? priepustnosti od vzdialenosti medzi reflektormi pre r?zne hodnoty faktora kvality je zn?zornen? na obr?zku 3.3. High-Q interferometre s? u?ito?n?, preto?e umo??uj? presn? ur?enie vlastnost? spektra; interferometre n?zkej kvality umo??uj? line?rny re?im v ?irokom rozsahu meran?ho parametra bez zlo?it?ch sp?tnov?zbov?ch obvodov.

Fabry-Perot interferometre s? atrakt?vne pre pou?itie v senzoroch, preto?e u?ah?uj? vytvorenie vz?ahu s nameran?mi fyzik?lnymi alebo chemick?mi veli?inami. V pr?pade teplotn?ho sn?ma?a to mo?no ilustrova? sk?man?m toho, ko?ko sp?sobov m??u zmeny teploty s?visie? s rozstupom reflektorov interferometra. V nasleduj?com zozname ka?d? polo?ka predstavuje samostatn? optick? parameter, prostredn?ctvom ktor?ho m??e by? zmena teploty spojen? s optickou rezonanciou interferometra: (1) line?rna expanzia di?tan?n?ho kr??ku; (2) zmena indexu lomu m?dia medzi reflektormi; (3) expanzia m?dia medzi reflektormi; (4) zmena zakrivenia reflektorov; (5) zmena absorpcie alebo odrazivosti reflektora a (6) zmena spektr?lnej absorpcie alebo rozptylu v prostred? medzi reflektormi. Na??astie je mo?n? navrhn?? interferometre na meranie iba jedn?ho alebo dvoch parametrov uveden?ch vy??ie, ??m sa eliminuje odozva na ru?enie ostatn?ch. To umo??uje napr?klad vyvin?? sn?ma?e teploty necitliv? na tlak.

Optick? hr?bka

Obr?zok 5 - Priepustnos? Fabry-Perotovho interferometra pri r?zne hodnoty faktor kvality

Fabry-Perot senzory s multim?dov?mi vl?knami vyu??vaj? r?zne zdroje ?iarenia. Spektr?lna ??rka zdroja je spravidla hlavn?m parametrom, na ktorom z?le?? a je ur?en? v?berom konkr?tnej sch?my od??tania. Uzavret? slu?ka od??tanie umo??uje pou?itie vysokokvalitn?ch interferometrov a laserov?ch zdrojov. V tomto pr?klade vlnov? d??ka lasera sprev?dza posun v rezonancii interferometra. Ak je k dispoz?cii spektrofotometer alebo ekvivalent, mo?no pou?i? zdroje bieleho svetla. LED s? najbe?nej?ie a mo?no ich pou?i? s interferometrami a ??ta?kami r?znych dizajnov. Niektor? sn?ma?e m??u pou??va? dva zdroje na zn??enie ch?b sp?soben?ch stratami a neistotami v interferometri.

4. Multim?dov? difrak?n? senzory

Obr?zok - 6 Difrakcia svetla na pevnom predmete

Pred anal?zou vlastnost? optick?ch mrie?ok je potrebn? ?tudova? difrakciu. Fenom?n difrakcie prejavuje vlastnosti svetla, ktor? sa v?razne l??ia od t?ch, ktor? by sa dali o?ak?va? na z?klade l??ovej geometrickej optiky. Najjednoduch?? pr?klad difrakcie mo?no pozorova? sk?man?m tie?a vrhan?ho dobre tvarovan?m objektom, ako je napr?klad minca, ke? je osvetlen? kv?zi monochromatick?m zdrojom (obr?zok 6). geometrick? optika predpoved?, ?e tie? vrhan? mincou by mal by? dokonal? tmav? kruh s obrysom zodpovedaj?cim obvodu mince. Tak?to tie? je s?ce vidite?n?, no ke? sa lep?ie pozriete na jeho okraje, zist?te, ?e nie s? a? tak jasne definovan?. Pozost?vaj? sk?r z mnoh?ch striedaj?cich sa tmav?ch a svetl?ch pl?ch (p?sov). Pri ?al?om sk?man? sa zist?, ?e samotn? tie? nie je rovnomerne tmav?, ale postupne tmavne, ke? sa pribli?uje k stredu. Vo v?eobecnosti mo?no difrakciu definova? ako vplyv prek??ok na pren??an? ?iarenie.

Existuj? dva typy difrakcie – Fraunhoferova difrakcia a Fresnelova difrakcia. Fresnelova difrakcia sa naz?va difrakcia bl?zkeho po?a a Fraunhoferova difrakcia sa naz?va prejavy vzdialen?ho po?a. V druhom pr?pade sa predpoklad? paraleln? kolimovan? l?? svetla a prv? tak?to obmedzenie neobsahuje. Fraunhoferova difrakcia je teda ?peci?lnym pr?padom Fresnelovej difrakcie, ale ke??e je ove?a jednoduch?ie ju analyticky pop?sa?, budeme ju pova?ova? za demon?tr?ciu ur?it?ch charakteristick?ch prejavov difrakcie.

Najjednoduch??m pr?padom na ?t?dium je difrakcia pomocou jednej ?trbiny. V tomto pr?pade svetlo prech?dza ?zkou ?trbinou a premieta sa na pl?tno. Pozoruje sa centr?lne maximum I0 - V in?ch oblastiach obrazovky doch?dza k interferencii medzi svetlom oh?ban?m horn?m a spodn?m okrajom ?trbiny. V?etky p?ry sveteln?ch l??ov prech?dzaj?ce cez ?trbinov? fragmenty vo vz?jomnej vzdialenosti a/2 bud? ma? rovnak? rozdiel vzdialenosti ??renia b. Najm? v tomto pr?pade d?jde k oslabuj?cej interferencii, ke? sa b rovn? cel?mu ??slu vyn?soben?mu ??slom l/2. Av?ak od hriechu th - b/(a/2), dostaneme

ako v th = ml (4.1)

kde m je cel? ??slo s absol?tnou hodnotou rovnou alebo v???ou ako 1. Rovnica (4.1) je rovnica pre Fraunhoferove difrak?n? minim? na jednej ?trbine. ?t?dium tejto rovnice odha?uje dva d?le?it? body. Po prv?, ako kles? (medzera sa zu?uje), minim? sa objavuj? na v???? zmysel v. Po druh?, pri kon?tantnej hodnote ??rky ?trbiny ab rastie s vlnovou d??kou (t.j. ?erven? svetlo sa l?me viac ako modr? svetlo). To je opak toho, ?o sa deje s lomom, kde je tento jav sp?soben? v?eobecn?m poklesom indexu lomu v optick?ch materi?loch so zni?ovan?m vlnovej d??ky (chromatick? disperzia).

Rozl??enie optick?ch syst?mov je ?asto obmedzen? difrakciou. Pr?kladom toho je probl?m, ktor? nast?va, ke? sa teleskop pok??a oddeli? obrazy dvoch samostatn?ch hviezd umiestnen?ch v tesnej bl?zkosti. Difrak?n? obrazce svetla z dvoch hviezd vytvoren?ch v ?alekoh?ade sa navz?jom prekr?vaj?. Ak s? centr?lne maxim? dostato?ne bl?zko, vyzeraj? ako jedna. Ak sa maximum vytvoren? svetlom jednej hviezdy zhoduje s prv?m minimom vytvoren?m svetlom inej hviezdy, potom bolo dosiahnut? maxim?lne rozl??enie. Ak sa obr?zky posun? ?alej, rozl??enie medzi dvoma hviezdami bude zrete?nej?ie. Obmedzuj?ca podmienka rozl??enia sa naz?va Rayleighovo krit?rium. Pre dan? objekt?v umo??uje Rayleighovo krit?rium vypo??ta? minim?lny uhol rozl??enia. Ak m? ?o?ovka priemer D a je ?plne osvetlen? svetlom vlnovej d??ky A, potom je minim?lny uhol rozl??enia

thmin =1,22l /D (4,2)

Z praktick?ho h?adiska je naju?ito?nej??m zariaden?m zalo?en?m na difrakcii difrak?n? mrie?ka (obr?zok 7). V tomto pr?pade mrie?ka pren??a svetlo cez sadu ?trb?n so ??rkou a, ktor? s? od seba vzdialen? vo vzdialenosti s. T?to vzdialenos? sa naz?va mrie?kov? peri?da. Jednoduch? anal?za svetla dopadaj?ceho kolmo na mrie?ku d?va mrie?kov? rovnicu s

sinth =ml (4.3)

ur?enie polohy maxima pre svetlo s vlnovou d??kou l. D?kladnej?ia anal?za, ktor? berie do ?vahy po?et ?trb?n N a ??rku ?trb?n, umo??uje z?ska? uhlov? rozlo?enie optickej mohutnosti I. (th), padanie na obrazovku. V tomto pr?pade je normalizovan? rozdelenie optick?ho v?konu dan? pomocou

ja( th )=sin2A1sin2NA2/A21sin2A2 (4.4)

kde A1 a A2 s? definovan? ako

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

dopadaj?ce svetlo

Obr?zok - 7 Difrakcia viacer?mi ?trbinami

Hodnota A1 predstavuje vplyv difrakcie na jednu ?trbinu, A2 - interferenciu z viacer?ch ?trb?n. ?t?dia rovnice (4.4) ukazuje, ?e poloha maxima hlavnej mrie?ky s?vis? s druhou mocninou po?tu slotov. V d?sledku toho zv??enie po?tu ?trb?n vedie k zv??eniu centr?lnych max?m r?znych r?dov a potla?eniu sekund?rnych difrak?n?ch efektov medzi nimi.

Napokon dve ?al?ie zauj?mav? charakteristiky mrie?ky s? uhlov? disperzia a rozl??enie. Uhlov? disperziu mo?no vypo??ta? priamo zo z?kladnej mrie?kovej rovnice (4.3) pou?it?m deriv?cie oboch str?n za predpokladu, ?e s a m s? kon?tantn?. Uk?zalo sa

d6 /dl = m/s costh (4.6) Je vidie?, ?e zmena uhla so zmenou vlnovej d??ky narast? s rast?cim r?dom. Na ur?enie rozl??enia alebo najmen?ieho rozdielu vlnov?ch d??ok ? je potrebn? sofistikovanej?ia anal?za l, ktor? mo?no pri danej vlnovej d??ke detegova? l a objednajte m mrie?ku s N

5. Multim?dov? polariza?n? senzory

polariz?cia sn?ma?a z optick?ch vl?kien

5.1 Fenomenologick? popis polariz?cie a retard?cie

Jednou z najd?le?itej??ch vlastnost? sveteln?ho l??a je typ jeho polariz?cie. Povolen? typy polariz?cie s? line?rna, eliptick? alebo kruhov?. Ak?ko?vek elektromagnetick? ?iarenie m??e by? reprezentovan? ako s?bor komponentov, z ktor?ch ka?d? m? ur?it? stav line?rnej polariz?cie. Obr?zok 8 zobrazuje "sn?mku" elektrick?ho po?a s jednou z hlavn?ch zlo?iek rovinnej vlny sveteln?ho l??a. Smer polariz?cie je definovan? ako smer elektrick?ho po?a spojen?ho so zlo?kou, ktor? je kolm? na smer ??renia. V?sledkom spriemerovania v priebehu ?asu ve?k?ho po?tu komponentov, ktor?ch polia s? na seba superponovan?, sa okrem povolen?ch typov polariz?cie m??u objavi? aj nepolarizovan? alebo ?iasto?ne polarizovan?.

Energia pren??an? rovinnou vlnou priamo s?vis? s druhou mocninou elektrick?ho po?a spojen?ho s vlnou. D? sa to uk?za? v?po?tom Umov-Poyntingovho vektora, ktor? ur?uje energiu pren??an? vlnou.

roz?irovanie, ??renie elektromagnetick? vlna Elektrick? pole

Smer ??renia

Obr?zok - 8 "Sn?mka" ??riacej sa elektromagnetickej vlny

Teraz na ur?enie energie vlny mo?no pou?i? Umov-Poyntingov vektor P = 1/2 ExH. Ak vektor E smeruje pozd?? osi x a H je nasmerovan? pozd?? osi y, Umov- Poyntingov vektor sa rovn?

P = ^ExH = z(e/4m)1/2E20 (5,1)

ke??e pre pr?pad rovinnej vlny H=(e/4m)1/2E, kde e je dielektrick? kon?tanta a m je magnetick? kon?tanta prostredia. Na anal?zu uva?ujeme tak? pseudoelektrick? polia spojen? so sveteln?mi l??mi, ktor?ch absol?tna hodnota na druh? sa rovn? intenzite l??a. Tieto pseudopolia sa rovnaj? skuto?n?m poliam a? do faktora proporcionality

e=(e/4m)1/4E (5,2)

tak

I = e.e*=(e/4m)1/2E20 (5,3)

kde I je energia na jednotku plochy sveteln?ho l??a.

Ak chcete op?sa? r?zne stavy polariz?cie, ktor? s? mo?n? pre l?? svetla, zv??te dve line?rne polarizovan? zlo?ky rovinn?ch v?n, z ktor?ch ka?d? sa ??ri v smere z. Amplit?dov? vektory ich elektrick?ch pol? s? nasmerovan? pozd?? osi x a y. Zodpovedaj?ce pseudopole m??u by? reprezentovan? ako

E1=xaxe-i(ot-kz+dx) (5,5)

kde dX a dY predstavuj? zodpovedaj?cu f?zu ka?dej z v?n vzh?adom na nejak? referen?n? bod na osi z. Rovnice (5.5) je mo?n? prep?sa? ako

e1=xAxei(0), e2=yAyeid (5,6)

Komplexn? priestorov? a ?asov? zmeny po?a s? teraz zahrnut? v Ax a Ay a referen?n? bod na osi z je posunut? tak, ?e dx=0 a dy=d. Teraz m??eme poveda?, ?e mno?stvo e1 zaost?va o d vzh?adom na

Mo?n? polariza?n? stavy mo?no teraz skon?truova? zv??en?m s??tu vektorov e1 a e2:

ETxAx+yAyeid (5.7)

Ak Аx = Аy = А a d = 0, potom

ET(d=0)=A(x+y) (5,8)

Tu je l?? polarizovan? v smere p/4, ke? pozorovate?, oto?en? k optick?mu zdroju, vid? l??. Ak d=p, potom

eT=(d=p)=A(x-y) (5,9)

tie. svetlo je polarizovan? v smere -p/4.

Ak urob?te "sn?mku" elektrick?ho po?a (t = 0), m??ete vidie?, ?e polia v rovniciach (5.8) a (5.9) sa menia v z?vislosti od polohy na osi z, vr?tane zlo?ky cos kz v A. Ak je na druhej strane zvolen? ur?it? bod na osi z, zmeny v tomto bode bud? ?mern? cosot. Oba tieto pr?pady predstavuj? line?rnu polariz?ciu.

Teraz zv??te pr?pad d=2p/2 alebo ?tvr?vlnov? oneskorenie. V tomto pr?pade sa s??et vektorov em rovn?

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

Pri t = 0 zost?va vektor po?a kon?tantnej ve?kosti, ale pri zmene polohy z sa ot??a okolo osi z. Podobne pri z = 0 sa v?sledn? vektor v priebehu ?asu ot??a okolo osi z. Tento typ polariz?cie sa naz?va kruhov? polariz?cia, preto?e koniec vektora po?a opisuje kruh. Ve?kos? oneskorenia p/2 vytv?ra ?avostrann? kruhov? polariz?ciu; t.j. pre pozorovate?a, ktor? sa pozer? priamo na zdroj, sa vektor po?a ot??a do?ava, proti smeru hodinov?ch ru?i?iek. Pri d=-p/2 sa vektor po?a ot??a v smere hodinov?ch ru?i?iek, ?o ur?uje spr?vnu kruhov? polariz?ciu.

Pre hodnoty d, ktor? sa nerovnaj? mp/2, kde m je cel? ??slo, koniec vektora elektrick?ho po?a opisuje elipsu, a preto sa tento typ polariz?cie naz?va eliptick? polariz?cia. M??e by? ?av? alebo prav? eliptick?, ako v pr?pade kruhovej polariz?cie.

Zov?eobecnen? v?raz pre s?hrnn? pole s ?ubovo?n?m oneskoren?m je definovan? ako

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

Toto je v?ak ve?mi zriedkav? pr?pad pre meran? vektor po?a. Typicky sa meria optick? sila pren??an? pri konkr?tnej polariz?cii. Na v?po?et v?sledn?ho optick?ho v?konu ako funkcie prenosovej osi polariz?tora (uhol th vzh?adom na os x) je potrebn? vypo??ta? druh? mocninu bodov?ho s??inu jednotkov?ho vektora v smere th a vektora po?a.

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

Spojen?m rovn?c dostaneme

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

Grafy optickej energie pren??an?ho ?iarenia I pre r?zne orient?cie osi prenosu polariz?tora a oneskorenia s? zn?zornen? na obr?zku 9, pri?om uhol pol?rnych s?radn?c zodpoved? v a pol?rny polomer zodpoved? I.

Obr?zok -9 Intenzita svetla versus uhol pre nieko?ko r?znych ?t?tov polariz?cia

6. Vl?knov? optick? senzory zalo?en? na Sagnacovom interferometri a pas?vnom prstencovom rezon?tore

Sagnacove interferometre a pas?vne prstencov? rezon?tory mo?no pou?i? na ur?enie ?irok?ho spektra parametrov prostredia. Gyroskopy s optick?mi vl?knami postaven? na t?chto princ?poch otv?raj? ?irok? pole p?sobnosti pre v?etky kompaktn? inerci?lne meracie zariadenia v pevnej f?ze v naviga?n?ch aplik?ci?ch, o ktor?ch sa pred nieko?k?mi rokmi dalo len sn?va?. Pou?itie tak?chto sn?ma?ov presahuje r?mec merania rot?cie; ich jedine?n? v?hody otv?raj? perspekt?vu ?irok?ho vyu?itia pri meran? akustiky, magnetick? pole, teplota, zr?chlenie a mechanick? nam?hanie. Tieto zariadenia je mo?n? vyu?i? aj pri ?t?diu charakterist?k sveteln?ch zdrojov a optick?ch vl?kien.

.1 Preh?ad optick?ch rota?n?ch senzorov a Sagnacov efekt

.2 Z?kladn? charakteristika sn?ma?a ot??ania

Tabu?ka-3 Defin?cia charakterist?k

Charakteristiky odch?lky Pevn? odch?lkaV?stupn? r?chlos? rota?n?ho sn?ma?a, ktor? nie je nulov? pri nulovej vstupnej r?chlostiPosun odch?lky Zmena v?stupnej r?chlosti sn?ma?a v priebehu ?asu v d?sledku ??inkov, ako s? zmeny teploty, magnetick? polia, starnutie a opotrebovanie komponentov Citlivos? (prahov? hodnota) Minim?lna merate?n? r?chlos? ot??ania pre dan? integr?ciu timeScale faktor Linearita Nez?vislos? merania v?stupn?ho sign?lu od smeru ot??ania Hyster?zia Miera rozsahu, v akom hodnota K zost?va kon?tantn? pre v?etky uva?ovan? r?chlosti ot??ania Optick? charakteristiky Charakteristiky spektr?lneho ?umu Spodn? hranica vn?torn?ho hluku ako funkcia frekvencie

Citlivos? alebo prah je ?al?ou zlo?kou zaujatosti. Meria sa ako minim?lna r?chlos? ot??ania pre dan? integra?n? ?as. V?imnite si, ?e ??m dlh?? je integra?n? ?as, t?m vy??ia je citlivos?. Kompromisn? pr?stup je tu d?le?it?, preto?e povolen? ?as integr?cie ve?mi z?vis? od aplik?cie. Napr?klad pre dopravn? lietadlo, ktor? rob? pomal? ot??ky, m??e by? prijate?n? ??rka p?sma 1 Hz alebo integra?n? ?as 1 s, zatia? ?o v inej aplik?cii m??e r?chlo osciluj?ca platforma vy?adova? ??rku p?sma 100 Hz alebo integra?n? ?as 0,01 s. V?znam chyby mierkov?ho faktora op?? z?vis? od aplik?cie. Ak m? aplik?cia len ve?mi pomal? ot??ky, po?iadavka mierkov?ho faktora m??e by? uvo?nenej?ia ako aplik?cia s r?chlymi ot??kami, pri?om ostatn? veci s? rovnak?. Tieto chyby maj? zvy?ajne za n?sledok neide?lnu linearitu a hyster?zu.

Pre pou??vate?ov m??u by? rozhoduj?ce aj ?al?ie faktory. Patria sem spektr?lne charakteristiky ?umu. V ide?lnom pr?pade by mal by? rota?n? kod?r bez ?umov?ch ?pi?iek pri akejko?vek konkr?tnej frekvencii. Toto je obzvl??? d?le?it? pri v?voji riadiacich syst?mov. Mnoh? mechanick? rota?n? sn?ma?e maj? vysok? stupe? hluk pri charakteristick?ch frekvenci?ch, v d?sledku ich mechanick? pohyb. Dynamick? rozsah je rozdiel medzi maxim?lnymi a minim?lnymi r?chlos?ami, ktor? je mo?n? mera?. ?as zapnutia je kritick? pri mnoh?ch letoch, ktor? m??u skon?i? sk?r, ako sa zapne sn?ma? ot??ania. Tento probl?m ?asto vznik? v s?vislosti s mechanick?mi gyroskopmi, ktor?ch „rozto?enie“ trv? nejak? ?as. Po?adovan? hodnoty v?etk?ch t?chto parametrov ur?uje pou??vate? syst?mu, ktor? rozhoduje o tom, ktor? hodnoty parametrov s? potrebn? pre konkr?tne aplik?cie. K???ov? s? tri vlastnosti – cena, ve?kos? a ?ivotnos?. V?etky tri ur?uj?, ?i je konkr?tna aplik?cia uskuto?nite?n?. ?ivotnos? sa ?asto definuje ako doba pou?ite?nosti, ke? je zariadenie jednoducho uskladnen? a nie je v prev?dzke, plus ?ivotnos?.

V?etky optick? sn?ma?e ot??ania v s??asnosti vyvinut? pre nav?dzacie a riadiace syst?my s? zalo?en? na Sagnacovom efekte, ktor? sa pou??va na meranie r?chlosti ot??ania. Ak sa kr??ok ot??a r?chlos?ou O v smere hodinov?ch ru?i?iek a ?asov? interval prechodu svetla pozd?? prstenca je definovan? ako ?t = L/c, kde L je obvod prstenca ac je r?chlos? svetla vo v?kuu, potom sa l?? ??riaci sa v smere hodinov?ch ru?i?iek pohybuje po dr?he svetla o d??ke 2 pR + OR ?t a l?? ??riaci sa proti smeru hodinov?ch ru?i?iek prech?dza dr?hou 2p R- O R?t. Celkov? rozdiel medzi optick?mi dr?hami l??ov svetla ??riacich sa smerom k sebe v d?sledku rot?cie sa rovn? 2O RL/c. Aby bolo mo?n? navrhn?? efekt?vny optick? rota?n? senzor zalo?en? na Sagnacovom efekte, je potrebn? pochopi?, ?e na z?skanie vysokej presnosti je potrebn? nielen presne zmera? rozdiel svetelnej dr?hy v d?sledku rot?cie, ale z?rove? zabezpe?i? ?e rot?cia je jedin?m vonkaj??m parametrom, ktor? ovplyv?uje merania. Pri kon?trukcii optick?ch rota?n?ch senzorov sa pou??vaj? tri hlavn? met?dy: (1) optick? dutiny, (2) interferometre s otvorenou slu?kou sp?tn? v?zba a (3) interferometre s uzavretou slu?kou. V nasleduj?cich nieko?k?ch odsekoch vo v?eobecnosti zoh?ad?uj? sa niektor? charakteristiky t?chto pr?stupov.

Z?kladn?m princ?pom ?innosti optick?ho rezon?tora je, ?e na dosiahnutie prev?dzkov?ho stavu rezonancie je potrebn?, aby sa do d??ky optick?ho obvodu zmestil cel? po?et vlnov?ch d??ok. To ur?uje, ?e v smere hodinov?ch ru?i?iek

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

a proti smeru hodinov?ch ru?i?iek

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

kde l je vlnov? d??ka sveteln?ho l??a. S??tanie (6.1) a (6.2) vedie k vz?ahu

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

T?to rovnica je charakteristickou rovnicou prstencov?ho laserov?ho gyroskopu a pas?vneho optick?ho prstencov?ho rezon?tora. V d?sledku frekven?nej integr?cie sa v?stupn? sign?l z?ska ako po?et p?siem na uhol nato?enia, ?o je typick? pre integra?n? gyroskop.

V pr?pade optick?ch interferometrov s otvorenou slu?kou ur?uje rozdiel d??ky dr?hy vydelen? prev?dzkovou vlnovou d??kou po?et pr??kov v d?sledku f?zov?ho rozdielu ot??ania medzi protibe?n?mi l??mi svetla,

ZO = 2RL /lcO (6.4)

Tento pr?stup je pou?ite?n? pre ?irok? ?k?lu aplik?ci?, kde je dostato?n? dynamick? rozsah a presnos? mierkov?ho faktora, ako je ukazovanie a sledovanie, stabiliz?cia, robotika a kon?trukcia gyroskopick?ch kompasov. Obmedzen? dynamick? rozsah je sp?soben? stratou citlivosti pri prechode p?smom. Bolo vyvinut?ch nieko?ko met?d zalo?en?ch na spracovan? v?stupn?ho sign?lu gyroskopov z optick?ch vl?kien s otvorenou slu?kou, aby sa zlep?il dynamick? rozsah a charakteristiky mierkov?ho faktora.

Optick? interferometrick? rota?n? sn?ma?e m??u by? navrhnut? s v?konnostn?mi charakteristikami podobn?mi charakteristik?m integra?n?ho gyroskopu pomocou techniky f?zov?ho nulovania. V tomto pr?pade je f?zov? posun sp?soben? rot?ciou anulovan? zodpovedaj?cim umelo zaveden?m vyrovn?vac?m f?zov?m posunom. Jedn?m zo sp?sobov, ako to dosiahnu?, je pou?i? frekven?ne indukovan? f?zov? posun. V tomto pr?pade je jeden z l??ov, ??riaci sa napr?klad v smere hodinov?ch ru?i?iek, frekven?ne posunut? pred vstupom do vl?knovej slu?ky, zatia? ?o druh? l?? je frekven?ne posunut? po opusten? vl?knovej slu?ky. V?sledn? posun p?sma v d?sledku frekven?n?ho rozdielu F je

ZF=FLn/c (6,5)

kde n je index lomu vl?kna. Ak je f?zov? posun riaden? rot?ciou nastaven? na f?zov? posun riaden? frekvenciou, potom je v?stup zariadenia nastaven?

Z = 2R/lnO (6.6)

7. Aplik?cia optick?ch senzorov

Z h?adiska priemyseln?ch aplik?ci? je pou?itie optick?ch sn?ma?ov atrakt?vne, preto?e maj? vynikaj?cu citlivos? a ?irok? dynamick? rozsah, s? kompaktn? a umo??uj? hust? balenie a v bud?cnosti maj? n?zku cenu a vysok? spo?ahlivos?. Spo?iatku sa tieto senzory pou??vali v nepriate?skom prostred?, kde vysok? teploty, koroz?vne l?tky, vysok? ?rove? elektromagnetick?ho ru?enia alebo hrozba v?buchu, tradi?n? senzory a sn?macie prvky nem??u spr?vne fungova?. Aplik?cie merania vysok?ch tepl?t s? dobr?m pr?kladom, kde sn?ma?e na b?ze ?iaruvzdorn?ch sklenen?ch vl?kien maj? v?hody oproti elektronick?m tenzometrom alebo kapacitn?m sn?ma?om, kde dr?tov? spoje nemusia odol?va? vysok?m teplot?m. Druh?m pr?kladom je mo?nos? polo?i? dlh? k?ble medzi senzory a elektronick? procesorov? jednotky. K?ble z optick?ch vl?kien sa stali cenovo porovnate?n?mi s koaxi?lnymi a dokonca aj dvoj?ilov?mi k?blami pri ukladan? veden? dlh?ch nieko?ko tis?c st?p. Preto?e optick? vl?kno je dielektrick? m?dium, nevy?aruje a nie je ovplyvnen? (aspo? na prv? pribl??enie) elektromagnetick?m ru?en?m (EMI). ??m ak?tnej?? je probl?m hluku, t?m s? vl?kna atrakt?vnej?ie. Vl?kna nevy?aduj? ?iadne tienenie ani ?peci?lne uzemnenie a m??u prebieha? v tesnej bl?zkosti vedenia vysok?ho nap?tia. Elektronick? moduly potrebn? na modul?ciu/demodul?ciu optick?ch sign?lov nevy?aduj? ?peci?lne filtre v prostred? s vysokou ?rov?ou elektromagnetick?ho ru?enia.

7.1 Meranie teploty

Na meranie teploty v priemyseln?ch prostrediach bolo vyvinut?ch mnoho met?d zalo?en?ch na optick?ch vl?knach a niektor? senzory s? komer?ne dostupn?. Z?stupcovia spolo?nosti „Westinghouse“ (Westinghouse) predviedli distribuovan? meranie teploty v jadrov? reaktory a merali teplotu v?fukov?ch plynov motora anal?zou emisn?ho spektra ?ierneho telesa vy?arovan?ho optick?m vl?knom umiestnen?m na hor?com mieste. V?imnite si, ?e so zvy?uj?cou sa teplotou sa zvy?uje aj ?iarenie pri danej vlnovej d??ke. T?to met?du implementuje spolo?nos? Accuiber Inc. zalo?en? na pr?ci Dilsa a sn?ma?e na meranie teploty v?fukov?ch plynov s? komer?ne dostupn? pr?dov? motory a? do 1900 °C. Vysoko presn? merania teploty a? do 300 °C je mo?n? vykon?va? aj v prev?dzkovan?ch reaktoroch.

Obr?zok -10 Sch?ma sn?ma?a a optick?ho analyz?tora Accufiber Sapphire Blackbody

Sn?ma? Accuiber obsahuje tenk? zaf?rov? ty?inku (pozri obr?zok 10). Merac? koniec ty?e je pokryt? ?iaruvzdorn?m kovom.

Druh? koniec ty?e je pripojen? k n?zkoteplotn?mu optick?mu vl?knu mimo z?ny merania vysokej teploty. ?iariv? energia z roz?eravenia kovov? povlak je veden? pozd?? zaf?rovej ty?inky a n?zkoteplotn?ho optick?ho vl?kna do analytickej a zobrazovacej jednotky. Kovom potiahnut? hrot vl?kna je ?ierne teleso, ktor?ho emisn? spektrum z?vis? od teploty v s?lade s Planckov?m z?konom ?iarenia.

Anal?za ?zkeho p?sma spektra ?iarenia vych?dzaj?ceho z n?zkoteplotn?ho vl?kna sa vykon?va pomocou optick?ho interferen?n?ho filtra a fotodetektora, ktor? premie?a energiu ?iarenia na elektrick? energiu.

Dia?kov? merania teploty pri teplot?ch ni???ch ako 400 °C je mo?n? vykon?va? pomocou spektr?lnych selekt?vnych met?d pou??van?ch viacer?mi spolo?nos?ami v komer?ne dostupn?ch zariadeniach. Tak?to met?dy nie s? citliv? na zmeny ?iarenia ?ierneho telesa, ale sk?r zis?uj? zmeny vo fluorescencii alebo absorp?nom spektre ur?it?ch ?peci?lnych l?tok vyvolan? teplotou.

V s??asnom syst?me Luxtron je ?iariaci fosfor umiestnen? na hrote optick?ho vl?kna v meracej z?ne (pozri obr?zok 11). Optick? budiace impulzy sp?sobuj? ?iarenie fosforu a ?as potrebn? na vyhasnutie ?iary z?vis? od teploty. Meria sa ?as t, po?as ktor?ho luminiscen?n? sign?l S\ klesne o faktor e v porovnan? s jeho po?iato?nou hodnotou. Teplota sa z?ska z kalibra?nej krivky z?vislosti ?asu t proti teplote. In? syst?m merania teploty MetriCor s dvoma vlnov?mi d??kami sleduje okrajov? posun absorp?n?ho p?sma v polovodi?ovom materi?li ako funkciu teploty.

Obr?zok - 11 Sch?ma fosforom potiahnutej ?pi?ky vl?kna Luxtron ako sn?ma? teploty z optick?ch vl?kien

.2 Meranie tlaku

Na meranie tlaku v priemyseln?ch prostrediach bolo vyvinut?ch nieko?ko senzorov z optick?ch vl?kien zalo?en?ch na intenzite. Tak?to sn?ma?e mo?no pou?i? na monitorovanie tlaku v kotloch, chemick?ch reaktoroch, motoroch a v ?udskom tele. Heise vyr?ba vysoko presn? prvok na sn?manie tlaku, v ktorom je membr?na pripojen? k priepustnej difrak?nej mrie?ke umiestnenej medzi vysielac?m a prij?mac?m vl?knom. Konvertory Litton a Metricor poskytuj? korekciu straty dvoch a viacer?ch vlnov?ch d??ok vo vl?knov?ch konektoroch a samotn?ch vl?knach.

Intenz?vne sa vyv?jaj? sn?ma?e tlaku z optick?ch vl?kien. Najm? senzory ur?en? pre akustick? aplik?cie sa vyv?jaj? v r?mci programu Fiber Optic Sensor Systems americk?ho n?morn?ctva. Na meranie veli??n kol?sania tlaku sa pou??vaj? ako sn?ma?e s vonkaj??m citliv?m prvkom, tak sn?ma?e „?istovl?knov?“, ako sn?ma?e intenzity, tak sn?ma?e interferometrick?ho typu.

Na meranie statick? tlak mo?no zmera? ve?kos? intenzity ?iarenia odrazen?ho od tenkej membr?ny, ktor? sa pod vplyvom aplikovan?ho tlaku prehne. Kalibra?n? krivka tak?hoto tlakov?ho prevodn?ka je zn?zornen? na obr?zku 12. Tak?to prevodn?k vyvinut? spolo?nos?ou ORTESN obsahuje reflexn? sn?mac? prvok z optick?ch vl?kien.

Ak sa aplikuje rozdelen? zv?zok, ako je zn?zornen? na vlo?ke na obr?zku 12, potom polovica vl?kien m??e by? pou?it? na prenos ?iarenia do vl?kna a druh? polovica vl?kien m??e by? pou?it? na prenos ?iarenia do fotodetektora. Svetlo vych?dzaj?ce zo vstupn?ch vl?kien vytv?ra pole ?kv?n, ktor?ch priemer sa zv???uje so zv???uj?cou sa vzdialenos?ou od konca zv?zku ?merne k ??selnej apert?re vl?kna. Mno?stvo ?iarenia, ktor? sa dostane do v?stupn?ch vl?kien po odraze od membr?ny, z?vis? od p?sobiaceho tlaku, ke??e vzdialenos? od membr?ny po koniec zv?zku sa men? v z?vislosti od tlaku.

Senzory z optick?ch vl?kien boli vyvinut? na meranie statick?ho tlaku pri vysok?ch teplot?ch. M??u by? pou?it? na meranie tlaku v plynov?ch cest?ch vo vysokov?konn?ch leteck?ch motoroch a na monitorovanie procesn?ho tlaku v zariadeniach na skvapal?ovanie uhlia.

0 20 40 60 80 100

Obr?zok -12 Kalibra?n? krivka pre vz?ah medzi nameran?m a aplikovan?m tlakom pre tlakov? prevodn?k zobrazen? vo vlo?ke, ktor? obsahuje sn?mac? prvok reflektora z optick?ch vl?kien

Kovov? membr?ny pou??van? v be?n?ch sn?ma?och tlaku sa pri vysok?ch teplot?ch za??naj? deformova? a tenzometre alebo kapacitn? tenzometre prest?vaj? fungova?. Okrem toho je suspenzia pou??van? v procese skvapal?ovania uhlia extr?mne ?ierav?. Ako materi?l membr?ny sa pou??va zliatina Inconel s vysokou pevnos?ou, aby sa predi?lo probl?mom s deform?ciou a kor?ziou; a mikroohybov? optick? sn?ma? sa pou??va na meranie priehybu membr?ny pod aplikovan?m tlakom. Bolo preuk?zan?, ?e tento sn?ma? je schopn? mera? tlak pri teplot?ch do 425 °C, pri?om vykazuje opakovate?nos? nepresahuj?cu 1 % presnosti merania.

7.3 Meranie hladiny kvapaliny

Na meranie hladiny kvapal?n pomocou sn?ma?ov z optick?ch vl?kien bolo demon?trovan?ch mnoho pr?stupov. Jeden pr?stup vyu??va vl?kna na prenos svetla do hranola. Pri vhodne zvolenom uhle hranola doch?dza k ?pln?mu vn?torn?mu odrazu svetla, ke? je hranol vo vzduchu. Ak je hranol ponoren? do kvapaliny, svetlo sa v kvapaline l?me. Toto zariadenie teda funguje ako sp?na? svetla v z?vislosti od hladiny kvapaliny. Podobn? senzory s? komer?ne dostupn? od EoTec a Tedeco. So ?peci?lne navrhnut?mi hranolmi tento pr?stup poskytuje vysok? ?rove? pomeru sign?lu k ?umu po?as prev?dzky zapnutia a vypnutia a necitlivos? na hromadenie usaden?n na vonkaj??ch stran?ch hranola. Hladina kvapaliny sa tie? meria kontinu?lnymi met?dami prostredn?ctvom meran? v?tlaku alebo v?tlaku. Sn?ma?e hladiny kvapal?n sa pou??vaj? v palivov?ch n?dr?iach a na detekciu netesnost? v petrochemick?ch skladovac?ch n?dr?iach. Toto vyu??va pr?stupy, v ktor?ch sa k?dov? maska medzi dvoma pevn?mi poliami vl?kien pos?va, ke? sa men? ?rove?, alebo sa jedno z vl?kien pohybuje, ke? sa men? ?rove? vzh?adom na druh? alebo nieko?ko pevn?ch vl?kien.

Z?ver

Hlavn? v?sledky pr?ce tohto kurzu:

Bola vytvoren? zbierka literat?ry o technol?gi?ch optick?ch senzorov.

S? pop?san? kon?trukcie a princ?py fungovania optick?ch sn?ma?ov a ich kon?truk?n?ch prvkov.

Vykon?va sa klasifik?cia optick?ch sn?ma?ov.

Zoznam pou?it?ch zdrojov

1. Optick? senzory / vyd. E. Udda. - Technosf?ra, 2008. - 520. roky.

Okosi T. Optick? senzory / T. Okosi per. z japon?iny. - Leningrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Busurin V. I. Optick? senzory: fyzik?lne z?klady, problematika v?po?tu a aplik?cie / V. I. Busurin Yu. R. Nosov. - Leningrad: Energoatomizdat, 1990. - 256s.

Kolomiets LN Optick? senzory v informa?no-merac?ch syst?moch / LN Kolomiets // Senzory a syst?my. -2006. - ?. 1. - S.8-14.

Vl?knov? senzory a syst?my na meranie inform?ci? / V. B. Garmash, F. A. Egorov, L. N. Kolomiets, A. P. Neugodnikov, V. I. Pospelov // Sb. spr?vy MNTK Sensors and systems 2005. - Penza. - 6.-10.6. - 2005. - S.19-39.

Zis?ovanie pr?tomnosti s??iastky na dopravn?ku automatizovanej linky, z?skavanie inform?ci? o prev?dzke osvet?ovacieho zariadenia, ovl?danie kompaktn?ho, no v?konn?ho obr?bacieho stroja.technologick? procesy nezn??aj? nekvalitu. Tu pr?du vhod senzory.

Existuje mnoho typov sn?ma?ov: magnetick?, induk?n?, fotoelektrick?, kapacitn? - ka?d? z nich m? svoje v?hody a nev?hody. Fotovoltika - jedna z najuniverz?lnej??ch. Tu a laserov? a infra?erven?, a jednol??ov? a reflexn?. Ale zv??ime senzory z optick?ch vl?kien, preto?e maj? naj?ir?ie mo?nosti konfigur?cie a perfektne sa hodia aj do t?ch najnepr?stupnej??ch miest.

Optick? senzor je rozdelen? na dvojicu zariaden?: vl?knov? fotoelektrick? zosil?ova? a optick? k?bel s optickou hlavou. K?bel pren??a svetlo zo zosil?ova?a.

Princ?p je tu jednoduch?. Vysiela? a prij?ma? spolupracuj?: prij?ma? detekuje sveteln? vlnu vy?arovan? vysiela?om. Technologicky sa tento proces realizuje r?znymi sp?sobmi: sledovan?m uhla svetelnej vlny, meran?m mno?stva svetla alebo meran?m doby n?vratu svetelnej vlny s cie?om zmera? vzdialenos? k objektu.

Optick? zdroj a prij?ma? m??u by? umiestnen? jednoducho v hlavici (dif?zne alebo reflexn? jednotky), alebo m??u by? vyroben? samostatne - dve hlavice (jednol??ov? jednotky). Hlava optick?ho sn?ma?a obsahuje vo vn?tri elektroniku, pri?om prij?ma? je s elektronikou prec?zne prepojen? pomocou optick?ho vl?kna. Prijat? a vysielan? vlny prech?dzaj? vl?knom podobn?m sp?sobom ako pri vysokor?chlostnom prenose d?t v sie?ach s optick?mi vl?knami.

V?hodou tohto oddelenia je, ?e prij?ma? je in?talovan? na meranom objekte. Optick? k?bel je polo?en? a pripojen? k zosil?ova?u, ktor? je umiestnen? v ?peci?lnej riadiacej skrini, ktor? chr?ni zosil?ova? pred vonkaj??m, ?asto drsn?m prostred?m v?robn?ho z?vodu. V?ber mo?nost? je pestr?. Zosil?ova?e s? jednoduch? a zlo?it?, najm? - multifunk?n?, so schopnos?ou vykon?va? logick? a sp?nacie oper?cie.

Z?kladn? zosil?ova?e optick?ch sn?ma?ov maj? minimum elektronick?ch s??iastok a funk?nos?, a najkomplexnej?ie sa vyzna?uj? princ?pom „plug and play“, elektronika v nich je ?plne individu?lne nakonfigurovan?. Niektor? elektronika sn?ma?a je schopn? spracova? viac ako 10 vl?knov?ch vstupov. Samozrejme, existuje aj indik?cia. Indik?tory ukazuj?, ?i sn?ma? funguje spr?vne. Okrem toho existuj? ?al?ie funkcie.

Rozhranie k ovl?da?u je ur?en? v?stupn?m form?tom. Tu je k dispoz?cii nastavenie sn?ma?a a reset zosil?ova?a. V?stupy s? norm?lne otvoren?, norm?lne zatvoren?, kolektor, emitor, push-pull. Pripojenie sa vykon?va pomocou k?bla s viackol?kov?m konektorom. Programovanie sa vykon?va pomocou tla?idiel alebo jednoducho pomocou potenciometra.

Dodato?n? flexibilitu poskytuj? mo?nosti sn?ma?ov, ako je oneskorenie zapnutia/vypnutia, impulzn? v?stupy a preru?ovan? vyl??enie sign?lu pre v???iu vo?nos? pri detailovan? a nastavovan? parametrov zosil?ova?a v z?vislosti od individu?lnych po?iadaviek. proces produkcie. Oneskorenia v?m umo??uj? spomali? reakciu pracovn?ho tela, preru?ovan? sign?ly - sl??ia ako znamenie, ?e s? poru?en? pracovn? podmienky. V?etko je nakonfigurovan? individu?lne.

LED indik?cia stavu v?stupu, pr?padne pr?tomnos? displeja s inform?ciami o sign?loch a stavoch v?stupov – to s? pokro?il? mo?nosti, ktor? umo??uj? diagnostikova? a naprogramova? senzor priamo na mieste.

Pre stabilnej?ie merania v meniacom sa prostred? je vhodn? sn?ma? so zv??enou vzorkovacou frekvenciou a filtrovan?m sign?lu. Blok, aj ke? bude st?le pracova? na n?zkej frekvencii, bude napriek tomu u?ito?n?. Oneskorenia zapnutia/vypnutia pom??u zos?ladi? v?stupn? a vstupn? sign?ly.

Pou?itie pomocn?ch blokov roz??ri mo?nosti programovania, napr?klad m??ete nastavi? citlivos? meracieho prvku pri pr?ci so ?peci?lnymi materi?lmi, ako je sklo, alebo naprogramova? vypnutie/zapnutie medzi sp?nac?mi bodmi: sledovanie polohy dielca a jeho polohovanie v priestore.

Kr?sa k?blov z optick?ch vl?kien spo??va v tom, ?e pren??aj? svetlo namiesto pr?du. S? mo?n? konfigur?cie z r?znych materi?lov s r?znym stup?om citlivosti hl?v.

Dif?zny k?bel z optick?ch vl?kien pozost?va z p?ru d?h, z ktor?ch jedna ide do zosil?ova?a, druh? - do citlivej hlavy. K citlivej hlavici s? z?rove? pripojen? dva k?ble – jeden pre sveteln? zdroj, druh? pre elektroniku.

Jednol??ov? optick? k?bel obsahuje p?r rovnak?ch k?blov, z ktor?ch ka?d? je pripojen? k zosil?ova?u a m? vlastn? optick? hlavu. Jeden k?bel sa pou??va na prenos svetla, druh? - na pr?jem.

Samotn? vl?kno je zvy?ajne sklenen? alebo plastov?. Plast – ten??, lacnej??, pru?nej??. Sklo je pevnej?ie a m??e fungova? aj pri vy???ch teplot?ch. Plast je mo?n? reza? na po?adovan? d??ku, zatia? ?o sklo sa re?e a? vo f?ze v?roby. Vl?knit? pl??? - od extrudovan?ho plastu po oplet z nehrdzavej?cej ocele, do drsn?ho prostredia.

Najd?le?itej?ou vecou pri v?bere optick?ho sn?ma?a je v?ber spr?vnej optickej hlavy. Koniec koncov, pr?ve s citlivos?ou hlavy je spojen? presnos? detekcie ?ast?, mal?ch, pevn?ch alebo pohybliv?ch. Pod ak?m uhlom bude prij?ma? a vysiela? umiestnen? vo vz?ahu k objektu, ak? je pr?pustn? rozptyl. ?i je potrebn? okr?hly zv?zok vl?kien na z?skanie kruhov?ho l??a alebo pred??en? zv?zok na z?skanie horizont?lnej projekcie.

Pokia? ide o okr?hle l??e, v dif?znej hlave m??u by? rovnomerne rozvetven? so v?etk?mi zdrojov?mi vl?knami na jednej polovici a s prij?mac?mi vl?knami na druhej strane. Tento dizajn je be?n?, ale m??e sp?sobi? oneskorenie pri ??tan? inform?ci? z ?asti pohybuj?cej sa v pravom uhle k bifurka?nej ?iare.

Variant s Rovnomern? rozdelenie zdrojov? a prij?macie vl?kna poskytuj? rovnomernej?ie l??e. Rovnomern? l??e v?m umo??uj? vyrovna? ??inky vysielania a prij?mania v?n a detekcia sa uk??e ako nez?visl? od smeru pohybu objektu.

Typ optickej hlavy, d??ka k?bla a zosil?ova? maj? v?znamn? vplyv na sn?maciu vzdialenos? optiky. Je ?a?k? poskytn?? presn? odhad, ale v?robcovia tieto ?daje uv?dzaj?. Jednol??ov? sn?ma? m? v???? dosah ako dif?zny. Dlh?ie vl?kno - krat?? dosah. Dokonalej?? zosil?ova? - silnej?? sign?l, v???? dosah.

?oraz ?astej?ie pou??van? v priemyseln? automatiz?cia distribuovan? I/O, pri?om je mo?n? pripoji? viacero k?ble z optick?ch vl?kien sn?ma?ov do jedn?ho kolektora.

Optick? zosil?ova?e s? ?asto samostatn? jednokan?lov? zariadenia na DIN li?tu, ?ahko sa montuj? do panelu a jedinou nev?hodou je smerovanie pripojen? z jednotliv?ch zosil?ova?ov.

Kolektor m??e zoskupi? viacero kan?lov vl?kien v jednom riadiacom centre: kolektory s? vybaven? displejmi s ponukami a ka?d? kan?l je naprogramovan? samostatne. Nakonfigurovan? kan?ly je mo?n? pou?i? pomocou logiky AND/OR, ?o v?razne zjednodu?uje riadenie PLC.

Pou?itie vl?knovej optiky sa dobre prejavuje v syst?moch pracuj?cich v podmienkach siln?ho elektrick?ho ?umu. Optick? vl?kno nevn?ma elektrick? ?um a elektronick? zosil?ova? je chr?nen? skri?ou. Mal? mont??ne linky s automatizovanou detekciou dielov na dopravn?koch pri mont??i zariaden? s? ?al??m ve?mi s?ubn?m a u? celkom be?n?m smerom vyu?itia optick?ch senzorov.

Hlavy s r?znou orient?ciou, r?znou ve?kos?ou, r?znou disperziou poskytuj?ce spr?vnu mieru presnosti zaostrenia bez oh?adu na ve?kos? sn?ma?a – to v?etko spolu s logikou ovl?dania otv?ra obrovsk? potenci?l mo?nost?. Napr?klad jeden senzor detekuje pr?tomnos? dielu na za?iatku mont??e a druh? potvrd? koniec mont??e.

In?mi slovami, bez oh?adu na aplik?ciu je d?le?it? vybra? sn?ma? a hlavicu s parametrami vhodn?mi pre po?adovan? spotrebite?sk? aplik?ciu: z h?adiska rozptylu, vzdialenosti, vzorkovania, mo?nost? nastavenia a programovania.

Jedin?m mo?no m?nusom je, ?e vl?kna nem??u by? nadmerne ohnut?. Stoj? za to ohn?? sa trochu viac a d?jde k neopravite?nej plastickej deform?cii vl?kien, priepustnos? sa zn??i alebo ?plne zmizne. Pr?pustn? polomer ohybu z?vis? od typu vl?kna, ve?kosti a rozptylu vl?kien vo zv?zku. Tieto vlastnosti je potrebn? zv??i? pri v?bere sn?ma?a pre va?u aplik?ciu.

Sn?ma?e z optick?ch vl?kien umo??uj? mera? mnoh? charakteristiky laborat?rnych a priemyseln?ch objektov, najm? teplotu. Napriek tomu, ?e ich pou?itie je dos? nam?hav?, poskytuje mno?stvo v?hod, pou?itie tak?chto senzorov v praxi: elektromagnetick? indukcia); mal? rozmery sn?ma?ov, elasticita, mechanick? pevnos?, vysok? odolnos? proti kor?zii a pod.

Takzvan? Ramanov efekt je vhodn? najm? na meranie teploty pomocou optick?ch vl?kien vyroben?ch z kremenn?ho skla. Svetlo v sklenenom vl?kne je rozpt?len? mikroskopicky mal?mi v?kyvmi hustoty, ktor?ch ve?kos? je men?ia ako vlnov? d??ka. Pri sp?tnom rozptyle mo?no n?js? spolu s pru?nou rozptylovou frakciou (vy?arovan? rozptyl) pri rovnakej vlnovej d??ke prepusten? svetlo aj dodato?n? komponenty pri in?ch vlnov?ch d??kach, ktor? s?visia s vibr?ciou molek?l a t?m aj s lok?lnou teplotou (Ramanov rozptyl).

Senzory z optick?ch vl?kien

Senzory z optick?ch vl?kien (?asto ozna?ovan? aj ako senzory z optick?ch vl?kien) s? optick? zariadenia na detekciu ur?it?ch veli??n, zvy?ajne teploty alebo mechanick?ho nam?hania, ale niekedy aj posunu, vibr?ci?, tlaku, zr?chlenia, rot?cie (meran? pomocou optick?ch gyroskopov na z?klade Sagnacovho efektu). ) a chemick? koncentr?cie. V?eobecn? princ?p tak?to zariadenia spo??vaj? v tom, ?e svetlo z lasera (naj?astej?ie jednovidov?ho vl?knov?ho lasera) alebo superluminiscen?n?ho optick?ho zdroja sa pren??a cez optick? vl?kno, pri?om doch?dza k miernej zmene jeho parametrov vo vl?kne alebo v jednej alebo viacer?ch Braggov?ch mrie?kach a potom dosiahne detek?n? obvod, ktor? tieto zmeny vyhodnot?.

V porovnan? s in?mi typmi senzorov maj? senzory z optick?ch vl?kien nasleduj?ce v?hody:

• · S? vyroben? z elektricky nevodiv?ch materi?lov (nie s? potrebn? elektrick? k?ble), ?o umo??uje ich pou?itie napr. vysok? nap?tie.
• · M??u sa bezpe?ne pou??va? vo v?bu?nom prostred?, preto?e ani v pr?pade poruchy nehroz? riziko vzniku elektrickej iskry.
• · Nie s? ovplyvnen? elektromagnetick?m ru?en?m (EMI), dokonca ani v bl?zkosti ?deru blesku, a samy neelektrizuj? in? zariadenia.
• Ich materi?ly m??u by? chemicky inertn?, t.j. nekontaminuj? ?ivotn? prostredie a nepodliehaj? kor?zii.
• · Maj? ve?mi ?irok? rozsah prev?dzkov?ch tepl?t (ove?a viac ako elektronick? zariadenia).
• · Maj? mo?nos? multiplexovania; viac senzorov v jednom vl?knovom spoji m??e by? integrovan?ch s jedn?m optick?m zdrojom (pozri ni??ie).

Senzory zalo?en? na Braggov?ch mrie?kach

Senzory z optick?ch vl?kien s? ?asto zalo?en? na vl?knov?ch Braggov?ch mrie?kach. Z?kladn?m princ?pom mnoh?ch optick?ch senzorov je, ?e Braggova vlnov? d??ka (t.j. vlnov? d??ka maxim?lneho odrazu) v mrie?ke z?vis? nielen od peri?dy Braggovej mrie?ky, ale aj od teploty a mechanick?ho nam?hania. Pre kremenn? vl?kna je zmena Braggovej vlnovej d??ky na jednotku nap?tia asi o 20 % men?ia ako natiahnutie, preto?e nap?tie m? vplyv na zn??enie indexu lomu. Teplotn? vplyvy s? bl?zke t?m, ktor? sa o?ak?vaj? len pri tepelnej roz?a?nosti. Teplotn? a deforma?n? ??inky sa m??u l??i? pri pou?it? r?znych technick? prostriedky(napr?klad pri pou?it? referen?nej mrie?ky, ktor? nepodlieha deform?cii, alebo pri pou?it? r?znych typov vl?knit?ch mrie?ok), aby sa obe hodnoty zaznamen?vali s??asne. Na registr?ciu iba deform?cie dosahuje rozl??enie nieko?ko µe (tj relat?vna zmena v porad? d??ky), pri?om presnos? je r?dovo men?ia. Pre dynamick? merania (napr. akustick? javy) sa dosiahne citlivos? v???ia ako 1 meu na ??rku p?sma 1 Hz.

Distribuovan? sn?manie

In? senzory z optick?ch vl?kien nepou??vaj? ako senzory vl?knov? Braggove mrie?ky, ale ako senzory pou??vaj? samotn? vl?kno. Princ?p ozvu?enia je v nich zalo?en? na efekte Rayleighovho rozptylu, Ramanovho rozptylu alebo Brillouinovho rozptylu. Napr?klad met?da optickej reflektometrie v ?asovej oblasti, kde je mo?n? ur?i? polohu oblasti so slab?m odrazom pomocou impulzn?ho sn?macieho sign?lu. T?to met?da sa pou??va aj na ur?enie in?ch veli??n, ako je teplota alebo nap?tie, v z?vislosti od Brillouinovho frekven?n?ho posunu.

V niektor?ch pr?padoch je nameran? hodnota priemern? hodnota po celej d??ke vl?kna. T?to met?da je typick? pre niektor? teplotn? senzory, ako aj pre interferometre zalo?en? na Sagnacovom jave pou??van? ako gyroskopy. V in?ch pr?padoch sa meraj? veli?iny z?visl? od polohy (napr. teplota alebo nap?tie). Toto sa naz?va distribuovan? sn?manie.

Kv?zi distribuovan? sn?manie

Niektor? vl?kna m??u obsahova? s?riu senzorov?ch pol? (pozri vy??ie) na monitorovanie teploty a rozlo?enia nap?tia vo vl?kne. Toto sa naz?va kv?zi distribuovan? sn?manie. Existuj? r?zne technick? rie?enia pre adresovanie iba jednej mrie?ky (a teda presn? ur?enie polohy pozd?? vl?kna)

V jednej technike, naz?vanej multiplexovanie s plnou vlnovou d??kou (WDM) alebo reflektometria v optickej frekven?nej dom?ne (OFDR), maj? mrie?ky mierne odli?n? Braggovu vlnov? d??ku. Vlnov? d??ka ladite?n?ho lasera v integra?nej jednotke m??e by? naladen? na vlnov? d??ku patriacu ur?it?mu typu mrie?ky a vlnov? d??ka maxim?lneho odrazu ud?va vplyv deform?cie alebo napr?klad teploty. Okrem toho mo?no ?irokop?smov? sveteln? zdroje (napr. superluminiscen?n? zdroje) pou?i? v spojen? s fotodetektorom sn?maj?cim vlnov? d??ku (napr. na b?ze Fabry-Perotovho vl?knov?ho rezon?tora) alebo na b?ze CCD spektrometra. V ka?dom pr?pade maxim?lny po?et mrie?ok spravidla nepresahuje 10-50, ?o je obmedzen? rozsahom nastavenia priepustnosti sveteln?ho zdroja a po?adovan?m rozdielom vlnov?ch d??ok vo vl?knit?ch mrie?kach.

In? met?da, naz?van? multiplexovanie s ?asov?m delen?m (TDM), vyu??va identick? mrie?ky s n?zkou odrazivos?ou, do ktor?ch sa vysielaj? kr?tke impulzy svetla. Odraz od r?znych mrie?ok sa zaznamen?va pomocou ?asu ich pr?chodu. Rozdelenie ?asov?ho delenia (TDM) sa ?asto pou??va v spojen? s delen?m vlnovej d??ky (WDM) na vyn?sobenie po?tu r?znych kan?lov stokr?t alebo dokonca tis?ckr?t.

In? pr?stupy

Okrem vy??ie op?san?ch pr?stupov existuje ve?a alternat?vne met?dy. Tu s? niektor? z nich:

• · Fiber Braggove mrie?ky je mo?n? pou?i? v interferen?n?ch optick?ch vl?knach, kde sa pou??vaj? len ako reflektory a meraj? f?zov? posun v z?vislosti od vzdialenosti medzi nimi.
• · Existuj? laserov? Braggove senzory, kde je mrie?kov? senzor umiestnen? v poslednom zrkadle dutiny laserov?ho optick?ho vl?kna na b?ze vl?kna dopovan?ho erbiom, ktor? cez vl?kno vn?ma pumpov? svetlo s vlnovou d??kou 980 nm. Braggova vlnov? d??ka, ktor? z?vis? napr?klad od teploty alebo mechanick?ho nam?hania, ur?uje genera?n? vlnov? d??ku. Tento pr?stup, ktor? m? ve?a mo?nost? ?al?ieho rozvoja, s?ubuje vysok? v?sledky v?aka ?zkej ??rke p?sma spektr?lnej oblasti, ktor? je charakteristick? pre vl?knov? laser, a vysokej citlivosti.
• · V niektor?ch pr?padoch sa p?ry Braggov?ch mrie?ok pou??vaj? ako vl?kna pre Fabry-Perotove interferometre, ktor? m??u reagova? obzvl??? citlivo na vonkaj?ie vplyvy. Fabry-Perotov interferometer je mo?n? vyrobi? aj in?m sp?sobom, napr?klad pomocou variabilnej vzduchovej medzery vo vl?kne.
• · Mrie?ky s dlhou peri?dou s? obzvl??? zauj?mav? pre s??asn? sn?manie viacer?ch parametrov (napr. teploty a nap?tia) alebo inak pre alternat?vnu detekciu deform?cie s ve?mi n?zkou citlivos?ou na zmeny teploty.

Oblasti pou?itia

Ani po nieko?k?ch rokoch v?voja sa optick? senzory st?le nete?ia ve?k?mu komer?n?mu ?spechu, ke??e s??asn? technol?gie je ?a?k? nahradi?, aj ke? maj? ur?it? obmedzenia. Aj ke? v niektor?ch aplik?ci?ch z?skavaj? senzory z optick?ch vl?kien uznanie ako technol?gia s ve?k?m potenci?lom pre zauj?mav? mo?nosti. Ide napr?klad o pr?cu v n?ro?n?ch podmienkach, ako je sondovanie v zariadeniach s vysok?m nap?t?m alebo v mikrovlnn?ch r?rach. Senzory Braggovej mrie?ky mo?no pou?i? napr?klad aj na monitorovanie podmienok vo vn?tri kr?del lietadiel, vetern?ch turb?n, mostov, ve?k?ch priehrad, ropn?ch vrtov a potrub?. Budovy so zabudovan?mi optick?mi senzormi sa niekedy naz?vaj? „inteligentn? ?trukt?ry“, senzory v nich sleduj? deform?cie v r?znych ?astiach kon?trukcie a prij?maj? ?daje o t?chto zmen?ch, ako je opotrebovanie, vibr?cie at?. Inteligentn? dizajny s? hlavnou hnacou silou v?voja senzorov z optick?ch vl?kien.

Pod?a internetovej encyklop?die www.rp-photonics.com

Optick? sn?ma?e s? zariadenia, ktor? s? ur?en? na riadenie vzdialenosti a polohy, ur?ovanie farebn?ch a kontrastn?ch zna?iek a tie? rie?enie in?ch technologick?ch probl?mov. Zariadenia sa pou??vaj? najm? v priemyseln?ch zariadeniach.

Pod?a sp?sobu fungovania s? optick? senzory rozdelen? do troch typov.

Zariadenia, ktor? sa odr??aj? od objektu, s? schopn? vy?arova? a prij?ma? svetlo, ktor? sa odchy?uje od objektu nach?dzaj?ceho sa v oblasti ich p?sobenia. Ist? sa odr??a od cie?a a ke? zasiahne sn?ma?, nastav? pr?slu?n? logick? ?rove?. Ve?kos? z?ny odozvy do zna?nej miery z?vis? od typu zariadenia, ve?kosti, farby, zakrivenia a ?al??ch parametrov objektu. Vo svojej kon?trukcii s? prij?ma? a vysiela? umiestnen? v rovnakom kryte.

Optick? senzory odr??aj?ce sa od retroreflektora prij?maj? a vy?aruj? svetlo, ktor? vych?dza zo ?peci?lneho reflektora a ke? je l?? preru?en? nejak?m predmetom, na v?stupe sa objav? zodpovedaj?ci sign?l. Rozsah tak?hoto zariadenia z?vis? od stavu prostredia, ktor? obklopuje sn?ma? a objekt (hmla, dym, prach at?.). AT tento n?stroj Vysiela? a prij?ma? s? tie? umiestnen? v rovnakom kryte.

Tret? typ zah??a optick? sn?ma?e, ktor? maj? samostatn? prij?ma? a sveteln? zdroj. Tieto prvky s? in?talovan? oproti sebe pozd?? rovnakej osi. Objekt, ktor? vst?pi do regi?nu, sp?sob? jeho preru?enie a pod?a toho sa zmen? logick? ?rove? na v?stupe.

Sveteln? prvky zariaden? m??u pracova? na r?znych, medzi ktor? patr? infra?erven? alebo vidite?n? (laserov?) svetlo, ako aj ?al?ie indik?tory farebn?ch zna?iek.

Vo svojom dizajne sa optick? sn?ma? sklad? z ?iari?a, ktor? generuje svetlo v r?znych rozsahoch, ako aj z prij?ma?a, ktor? rozli?uje sign?l vy?arovan? prv?m prvkom. Obidva komponenty zariadenia s? umiestnen? v jednom aj v r?znych pr?padoch.

?innos? zariaden? je zalo?en? na zmene optick?ho ?iarenia, ke? sa v oblasti pokrytia objav? neprieh?adn? objekt. Ke? je zariadenie zapnut?, vy?aruje sa optick? l??, prij?ma sa cez reflektor alebo sa odr??a od objektu.

Potom sa na v?stupe sn?ma?a objav? digit?lny alebo s inou logikou, ktor? potom pou??va ak?n? ?len alebo registra?n? obvod.

Optick? senzory maj? r?znu z?nu citlivosti, ktor? sa pohybuje od nieko?k?ch centimetrov a? po stovky metrov.

Najv?hodnej?ie je pou?i? dif?zne zariadenia, ktor? sa nez?visle sp???aj? na objekte. Optick? sn?ma?e v???inou umo??uj? meni? nastavenia citlivosti a indexovania stavu v?stupu, vyr?baj? sa aj samoladiace modely.

Na trhu je ve?a v?robcov zariaden?. Obzvl??? ob??ben? s? napr?klad zariadenia vyr?ban? spolo?nos?ou AUTONICS. Vyzna?uj? sa ve?kou rozmanitos?ou, n?zkou cenou a vysokou spo?ahlivos?ou.