Warto postawić na światło

Pod względem wielu cech światłowody umieścić można daleko przed innymi mediami służącymi do przesyłania danych. Komunikacja z ich użyciem jest niewrażliwa na zaburzenia elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne w przypadku aplikacji przemysłowych.

Innym powodem stosowania transmisji optycznej jest możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma, co pozwala na przesyłanie do kilku Tb danych na sekundę. Cechy te są, oprócz wymienionej niewrażliwości na zaburzenia elektromagnetyczne, mniej istotne w przypadku wykorzystania światłowodów jako czujników. W takich aplikacjach liczą się inne, mniej znane zalety omawianego medium transmisyjnego.

JAK DZIAŁAJĄ CZUJNIKI ŚWIATŁOWODOWE?

Czujnikiem tego typu nazywa się występujący na początku toru pomiarowego przetwornik lub zespół przetworników, który może określać wartość wielkości mierzonej, a następnie przetwarzać ją w zmiany parametrów sygnału wyjściowego. W strukturze takiego przetwornika kluczową częścią jest światłowód.

Przy modulacji fali świetlnej czynnik zewnętrzny może na nią oddziaływać bezpośrednio przez światłowód (modulacja wewnętrzna) lub na falę wyprowadzoną ze światłowodu (modulacja zewnętrzna). W czujnikach z modulacją zewnętrzną światłowód spełnia funkcję toru transmisji optycznej, doprowadzając i odprowadzając sygnał optyczny do głowicy czujnika.

W wersjach z modulacją wewnętrzną pewien odcinek światłowodu stanowi głowicę czujnika, gdzie na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych zmieniają się parametry propagowanej fali świetlnej. W zależności od rodzaju światłowodu użytego do budowy czujnika, modulowane mogą być różne parametry fali świetlnej.

Optoelektroniczne czujniki światłowodowe jako urządzenia zdefiniowane funkcjonalnie, tj. wg zasady działania, dzielą się na aktywne, czyli o konstrukcji zawierającej źródło sygnału optycznego, oraz pasywne. Sygnał wyjściowy może być zaś optyczny lub przetworzony wewnątrz na sygnał elektryczny, w tym o znormalizowanych parametrach.

Schemat blokowy czujnika światłowodowego przedstawiono na rysunku 1. Należy zaznaczyć, że nie każde czujniki światłowodowe składają się ze wszystkich trzech rodzajów przetworników na nim pokazanych, jednak przynajmniej ten pierwszy musi być obecny.

Czujniki buduje się głównie jako parametryczne (pasywne), a więc wymagające doprowadzania energii optycznej. Sygnał wejściowy powoduje zwykle zmianę tylko jednego z parametrów wyjściowego sygnału przetwornika optycznego.

RODZAJE CZUJNIKÓW ŚWIATŁOWODOWYCH

Klasyfikację omawianych elementów przeprowadzić można wg różnych kryteriów, np. miejsca przetwarzania, sposobu odbioru informacji o wielkości mierzonej oraz postaci sygnału wyjściowego. W przypadku tego pierwszego, a więc miejsca przetwarzania, wyróżnia się:

• Czujniki z przetwarzaniem zewnętrznym, nazywane także hybrydowymi; w tym przypadku rolą światłowodu jest doprowadzenie i odprowadzenia światła do i z przetwornika optycznego. Takimi czujnikami są np. wersje odbiciowe, elementy ze zmianą transmisji, z całkowitym wewnętrznym odbiciem, z siatkami dyfrakcyjnymi oraz wielomodowe czujniki polarymetryczne.
• Elementy z przetwarzaniem wewnętrznym, czyli całkowicie światłowodowe. Światłowód jest tu równocześnie falowodem i pomiarowym przetwornikiem optycznym. Takie są przykładowo czujniki mikrozgięciowe, interferometryczne oraz wersje ze specjalnymi siatkami Bragga.

Innym sposobem podziału typów omawianych czujników jest ich rozróżnienie na bazie sposobów odbioru informacji o wielkości mierzonej. W tym przypadku wymienia się trzy typy elementów:

• jednopunktowe - np. czujniki odbiciowe i wersje wykorzystujące straty stopnia sprzężenia światłowód- światłowód,
• wielopunktowe - wykorzystują zmiany strat, natężenia wstecznego rozpraszania, polaryzacji, natężenia fl uorescencji i inne; przykładowo tymi pierwszymi są mikrozgięciowe czujniki siły, ciśnienia i przesunięcia,
• z odbiorem ciągłym w przestrzeni - czyli czujniki rozłożone, np. do pomiarów rozkładu naprężeń w konstrukcjach metalowych i budowlanych oraz rozkładu temperatury w urządzeniach technicznych i dużych zbiornikach.

Trzecią z metod podziału jest rozróżnienie na bazie postaci sygnału wyjściowego - wyróżnia się tutaj czujniki amplitudowe (natężeniowe), fazowe (interferometryczne) oraz częstotliwościowe. W czujnikach światłowodowych z modulacją intensywności zmiana natężenia fali elektromagnetycznej jest miarą zmiany mierzonej wielkości fizycznej.

Zaletą tych czujników jest fakt, że modulacja natężeniowa nie nakłada żadnych warunków na źródła i odbiorniki światła oraz nie wymaga dodatkowej obróbki sygnału wyjściowego z czujnika, a sygnał modulowany natężeniowo rejestruje się za pomocą zwykłych fotodetektorów. Wadą czujników z modulacją amplitudową jest ich znacznie mniejsza czułość niż wersji z modulacją fazy.

Czujniki natężeniowe stosuje się powszechnie jako: mikrozgięciowe, absorpcji i strat transmisji oraz elementy do pomiaru współczynnika załamania cieczy. Najbardziej rozpowszechnione konstrukcje czujników natężeniowych to czujniki z modulacją sprzężenia światłowód-światłowód i czujniki odbiciowe.

W czujnikach z modulacją sprzężenia światłowód-światłowód głowica pomiarowa zbudowana jest z dwóch światłowodów, których końce umieszczone są naprzeciwko siebie. Intensywność światła prowadzonego przez oba światłowody zależy od ich wzajemnego usytuowania.

Ilość energii przenikającej z jednego światłowodu do drugiego zależy od przesunięcia osi włókien, od kąta między osiami oraz od oddalenia czół światłowodów. Intensywność światła prowadzonego przez światłowody może być modulowana przez mechaniczne przemieszczenie światłowodów. Odchylenie (oddalenie) światłowodu lub ruch przesłony może być proporcjonalne do siły, ciśnienia oraz rozszerzalności termicznej, itp.

CZUJNIKI ODBICIOWE - POPULARNA GRUPA ELEMENTÓW

Czujniki odbiciowe stanowią dużą grupę czujników światłowodowych z modulacją intensywności. Są one bardzo rozpowszechnione i często stosowane w kontroli procesów technologicznych do pomiarów drgań, położenia, odległości, itp. Podstawowymi elementami czujnika są wiązki włókien lub pojedyncze włókna doprowadzające światło oraz powierzchnia odbijająca.

Te pierwsze doprowadzają światło oświetlające powierzchnię, a odbite światło wnika do wiązki światłowodów odbiorczych. Czujniki odbiciowe mogą być jedno- lub dwuwłóknowe. W wersjach jednowłóknowych, dzięki zastosowaniu sprzęgacza, światłowód doprowadzający jest jednocześnie światłowodem odprowadzającym.

Gdy powierzchnia odbijająca oddala się od głowicy pomiarowej, zmienia się natężenie promieniowania odbitego od powierzchni i wchodzącego do światłowodu odprowadzającego.

OBSZARY ZASTOSOWAŃ

Obecnie czujniki światłowodowe znajdują zastosowanie w większości aplikacji przemysłowych, w szczególności do pomiarów:

• wielkości mechanicznych: ciśnienia, naprężenia, odległości, itp.,
• temperatury,
• wielkości chemicznych: składu chemicznego, stężenia zanieczyszczeń, pH, itp.,
• wielkości elektrycznych i magnetycznych: napięcia, prądu, częstotliwości, pojemności, natężenia i kierunku pola magnetycznego, itp.

Omawiane elementy wykorzystywane są też w telekomunikacji i zastosowaniach RTV, układach przetwarzania sygnałów, medycynie, elektrotechnice i energetyce, przemyśle samochodowym, lotniczym i morskim oraz różnego rodzaju urządzeniach multimedialnych.

Piotr Szperna
Transfer Multisort Elektronik
www.tme.eu