Światłowody w przemyśle. Część 2. Czujniki światłowodowe

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 światłowodowe 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.

Światłowodowe 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 światłowodowe 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.