wersja mobilna
Online: 452 Czwartek, 2017.04.27

Temat miesiąca

Światłowody w przemyśle. Część 2. Czujniki światłowodowe

czwartek, 01 grudnia 2011 10:26

Urządzenia i systemy bazujące na światłowodach wykorzystywane są, oprócz zastosowań telekomunikacyjnych, również w przemyśle, transporcie i wielu aplikacjach specjalistycznych. W pierwszej części poświęconego im artykułu przedstawiliśmy budowę światłowodów oraz przykłady użycia transmisji optycznej w różnego rodzaju sieciach przemysłowych. Światłowody mają też inne istotne zastosowania - stosowane są one jako czujniki służące do pomiarów wartości różnych wielkości fizycznych, w szczególności temperatury i ciśnienia, oraz naprężeń, odkształceń, położenia, odległości i wibracji.

Spis treści » Klasyfikacja czujników światłowodowych
» Czujniki z modulacją natężenia światła
» Sensory transmisyjne
» Czujniki z modulacją fazy
» Żyroskopy światłowodowe
» Czujniki z modulacją długości fali
» Sensory z rozproszeniem Rayleigha i Ramana
» Czujniki światłowodowe w energetyce
» Sensory światłowodowe w infrastrukturze i przemyśle
» Pokaż wszystko

Sensor światłowodowy, który symbolicznie przedstawiono na rysunku 1, składa się z nadajnika ze źródłem światła, modulatora, odbiornika w postaci detektora światła z demodulatorem oraz światłowodów doprowadzających impulsy świetlne do modulatora i detektora.

Modulatorem w tym wypadku jest wielkość fizyczna, pod wpływem której zmieniają się parametry impulsów świetlnych przesyłanych światłowodem. Sygnał świetlny jest następnie przetwarzany w odbiorniku, gdzie w procesie demodulacji wyznaczana jest wartość danej wielkości.

KLASYFIKACJA CZUJNIKÓW ŚWIATŁOWODOWYCH

Rys. 1. Sensor światłowodowy

Ze względu na rozmiar ramienia pomiarowego sensory światłowodowe dzieli się na czujniki punktowe, pseudorozproszone oraz rozproszone. W tych pierwszych wielkość mierzona wyznaczana jest w jednym punkcie, natomiast pseudorozproszonymi określa się czujniki wielopunktowe.

W przypadku sensorów rozproszonych głowicę pomiarową stanowi z kolei cała długość światłowodu, w obrębie której zrealizować można wiele sąsiadujących ze sobą czujników. Wyróżnia się też sensory z przetwarzaniem zewnętrznym i wewnętrznym.

W czujnikach zaliczanych do pierwszej grupy światłowód jest używany tylko do transmisji sygnału świetlnego, którego modulacja zachodzi poza falowodem. Czujniki tego typu są obecnie w przemyśle wykorzystywane częściej niż te z przetwarzaniem wewnętrznym, w których modulacja sygnału świetlnego zachodzi w światłowodzie stanowiącym głowicę pomiarową.

Innym kryterium klasyfikacji jest parametr fali świetlnej, który zmienia się pod wpływem oddziaływania wielkości fizycznej. Pod tym względem rozróżnia się czujniki z modulacją natężenia, długości, polaryzacji lub fazy fali świetlnej. W pierwszych dwóch najczęściej używa się światłowodów wielomodowych, a w pozostałych włókien optycznych jednomodowych.

CZUJNIKI Z MODULACJĄ NATĘŻENIA ŚWIATŁA

Rys. 2. Czujnik mikrougięciowy

Przykładem sensorów z przetwarzaniem wewnętrznym i modulacją natężenia światła są czujniki mikrougięciowe wykonywane w postaci dwóch pofałdowanych płytek, między którymi umieszcza się światłowód (rys. 2). Wykorzystuje się w nich efekt zmiany natężenia fali świetlnej pod wpływem nacisku na włókno, będący w transmisji optycznej zjawiskiem niepożądanym.

W czujnikach można natomiast dzięki temu zmierzyć na przykład temperaturę, ciśnienie, przemieszczenie, naprężenia lub przepływ, które takie odkształcenie światłowodu powodują. Sensory z modulacją natężenia światła, ale z przetwarzaniem zewnętrznym, są z kolei dostępne w dwóch konfiguracjach: transmisyjnej i odbiciowej.

Czujniki odbiciowe występują w wersji z dwoma światłowodami i reflektorem (rys. 3a) lub z jednym światłowodem i reflektorem (rys. 3b). W tej pierwszej jednym włóknem światło przesyłane jest w kierunku powierzchni odbijającej, natomiast drugim promień odbity dociera do detektora sygnału.

W sensorach z pojedynczym światłowodem wymagany jest dzielnik optyczny, który rozróżni promień odbity od nadawanego. Ponieważ natężenie światła odbitego zależy od odległości dzielącej reflektor i czoło światłowodu odbiorczego, czujniki tego typu są używane w pomiarach takich wielkości jak m.in. drgania, przesunięcie, naprężenie lub ciśnienie.

SENSORY TRANSMISYJNE

Rys. 3. Czujniki odbiciowe występują w wersji z dwoma światłowodami i reflektorem (a) lub z jednym światłowodem i reflektorem (b)

Czujnik transmisyjny składa się z dwóch światłowodów ustawionych naprzeciwko siebie. Do jednego z nich dołączony jest nadajnik, natomiast do drugiego detektor światła (rys. 4a). W zależności od odległości dzielącej czoła światłowodów oraz kątów nachylenia osi obu włókien, zmienia się natężenie światła docierającego do odbiornika.

Sensory tego typu są używane w pomiarach m.in. wibracji i przesunięcia, a także w systemach zliczania obiektów. W tym ostatnim zastosowaniu wykorzystuje się to, że pojawienie się detalu między światłowodami przerywa strumień świetlny.

Największy wpływ na dokładność pomiarów czujnikami z modulacją natężenia światła mają jego wahania niezwiązane ze zmianą wielkości mierzonej, ale powodowane przez niepożądane czynniki zewnętrzne - na przykład spadek mocy źródła światła lub zapylenie.

Aby zminimalizować ten efekt, stosuje się różne rozwiązania kompensujące. Przykładowo w czujnikach transmisyjnych realizuje się pomiar różnicowy, wprowadzając dodatkowy tor odbiorczy. Wykorzystuje się wówczas jeden światłowód nadawczy oraz dwa odbiorcze (rys. 4b), a wielkość mierzoną wyznaczając na podstawie różnicy natężenia światła w obu detektorach.

CZUJNIKI Z MODULACJĄ FAZY

Rys. 4. Czujnik transmisyjny w wykonaniu standardowym (a) i transmisyjny z pomiarem różnicowym (b)

Kąt fazowy fali świetlnej o długości λ rozchodzącej się w światłowodzie o długości l i współczynniku załamania rdzenia n1 wyznaczyć można ze wzoru: φ = (2πn1l)/λ. Jeżeli jeden lub kilka parametrów tego równania ulegnie zmianie, odpowiednio zmieni się też faza fali świetlnej, co jest wykorzystywane w czujnikach światłowodowych z modulacją fazy.

W sensorach tego typu nie mierzy się jednak bezpośrednio zmiany kąta fazowego, w zamian wykorzystując zjawisko interferencji fal świetlnych. Polega ono na nakładaniu się na siebie fal, które w zależności od różnicy faz wzajemnie się wzmacniają lub wygaszają, tworząc prążki interferencyjne.

Interferometry światłowodowe charakteryzuje duża dokładność pomiaru i duża czułość. Przykładem czujnika tego typu jest interferometr Macha-Zehndera (rys. 5). Jego głównym elementem jest sprzęgacz optyczny, w którym światło rozdzielane jest na dwie wiązki przesyłane dalej do detektora za pośrednictwem dwóch światłowodów: referencyjnego, który izolowany jest od wpływu czynników zewnętrznych, oraz pomiarowego.

Jeżeli nic nie zakłóci propagacji światła w tym drugim, wiązki z obu światłowodów będą zgodne w fazie, a w wyniku ich interferencji w detektorze zarejestrowane zostanie wzmocnienie nakładających się fal. Jeżeli jednak w torze pomiarowym na przykład na skutek naprężenia mechanicznego lub termicznego droga promienia świetlnego wydłuży się, fazy interferujących wiązek będą różne.

W detektorze zostanie wówczas zarejestrowany spadek intensywności natężenia fali świetlnej. Na podobnej zasadzie działa interferometr Michelsona (rys. 6). Fala świetlna z nadajnika również jest w tym wypadku rozdzielana w sprzęgaczu na dwie wiązki, transmitowane dalej za pośrednictwem światłowodu referencyjnego i pomiarowego.

Rys. 5. Interferometr Macha-Zehndera

Nie padają one jednak bezpośrednio na detektor, ale najpierw odbijają się od luster zamontowanych na końcach obu światłowodów, trafiając z powrotem do sprzęgacza. Tam wiązki interferują ze sobą, co jest rejestrowane i analizowane w detektorze. Interferometry Macha-Zehndera i Michelsona są zaliczane do dwuwiązkowych czujników światłowodowych z modulacją fazy.

Oddzielną grupę stanowią interferometry wielowiązkowe, w których interferuje ze sobą wiele promieni. Przykładem układu tego typu jest interferometr Fabry-Perota (rys. 7). W czujniku tego typu fala świetlna transmitowana światłowodem ulega wielokrotnemu odbiciu między parą równolegle ustawionych półprzepuszczalnych luster.

Wiązki odbite nakładają się na siebie, co jest rejestrowane w detektorze. Wynik interferencji zależy od odległości zwierciadeł, która może zmieniać się pod wpływem czynnika zewnętrznego - na przykład zmian temperatury lub ciśnienia.



 

 

Szukaj w serwisie Semicon

zobacz wszystkie Nowe produkty

Radarowy przetwornik poziomu Rosemount 5402 w wersji z anteną paraboliczną

2017-04-26   | Emerson Process Management sp. z o.o
Radarowy przetwornik poziomu Rosemount 5402 w wersji z anteną paraboliczną

Emerson Automation Solutions wprowadza dwie nowe opcje do radarowego przetwornika poziomu Rosemount 5402, przeznaczonego do monitorowania poziomu substancji sypkich. Nowa antena paraboliczna skupia energię emitowanej wiązki, pozwalając zwiększyć praktyczny zakres pomiaru, zwłaszcza w wąskich i wysokich silosach.
czytaj więcej

System M-Boss Compact do wytłaczania oznaczeń metalowych

2017-04-26   | HellermannTyton GmbH
System M-Boss Compact do wytłaczania oznaczeń metalowych

Firma HellermannTyton wprowadza do oferty nową drukarkę przemysłową do wytłaczania oznaczeń ze stali nierdzewnej, przeznaczonych do zastosowań w miejscach, w których wymagana jest odporność na ekstremalne warunki pracy. Zapewnia ona trwałe i niezawodne znakowanie kabli, przewodów, rurociągów oraz wszelkich komponentów w miejscach o wyjątkowo trudnych warunkach temperaturowych, chemicznych lub mechanicznych.
czytaj więcej

Nowy numer APA