Żyroskopy światłowodowe

Rys. 6. Interferometr Michelsona

Innym przykładem jest interferometr światłowodowy Sagnaca, który może być wykorzystywany jako żyroskop. Czujnik tego typu realizuje się w postaci pętli ze światłowodu, jak na rysunku 8. Jeżeli na oba końce włókna zostaną doprowadzone krótkie impulsy świetlne, to po przebyciu jednakowej odległości, dokładnie w tym samym momencie pojawią się one na przeciwnych końcach światłowodu (rys. 8a).

Jeżeli jednak pętla taka obraca się dookoła własnej osi w czasie przemieszczania się impulsów w pętli, końce światłowodów przesuną się względem początkowej pozycji. Z tego powodu impuls świetlny przemieszczający się w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotu pętli będzie miał do przebycia dłuższy dystans niż wcześniej, tj. kiedy pętla była nieruchoma.

Z kolei w przypadku impulsu świetlnego przemieszczającego się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu pętli, droga ta się skróci. W efekcie spowoduje to, że oba impulsy będą przesunięte w fazie (rys. 8b). Różnicę faz mierzoną w układzie optycznym interferometru można przeliczyć na prędkość obrotową pętli.

Światłowodowe interferometry Sagnaca składają się typowo z kilkuset, a nawet kilku tysięcy włókien. Są to bardzo czułe przyrządy i jednocześnie kompaktowe pod względem budowy, dlatego powszechnie są używane w samolotach.

Sensory firmy Omron Rys. 9. Czujniki do pracy w próżni Czujniki transmisyjne oraz niezbędne wyposażenie systemu pomiarowego oferuje także firma Omron. W asortymencie tego dostawcy są m.in. głowice czujników światłowodowych w osłonach z żywicy fluorowej lub stali nierdzewnej z kołnierzem przeznaczone do pracy w próżni w temperaturach do 200°C (rys. 9, fot. 5), głowice czujników światłowodowych w osłonie z żywicy fluorowej odporne na środki chemiczne przeznaczone do pracy w obszarach, w których mogą być narażone na częste mycie, kontakt z chemikaliami i wysokie temperatury do 200°C oraz głowice sensorów światłowodowych odpornych na temperatury sięgające 400°C. Omron oferuje też wzmacniacze, których częścią jest źródło światła oraz detektor, a także jednostka obliczeniowa i wyświetlacz. Wzmacniacze w połączeniu z głowicami światłowodowymi tworzą kompletny system pomiarowy. Przykładem jest wzmacniacz typu E3X-DA-S (fot. 6), w którym m.in. zaimplementowano funkcję dostrajania mocy polegającą na zwiększaniu lub zmniejszaniu mocy diody LED oraz regulacji intensywności odbieranego światła do wybranego poziomu, na przykład do wstępnie zdefiniowanej wartości w celu łatwego wykrywania awarii czujnika. Fot. 5. Czujniki do pracy w próżni Fot. 6. Wzmacniacz E3X-DA-S W ofercie Omrona znajduje się też wzmacniacz typu E3X-DAC-S, który może rozpoznawać kolory skanowanego obiektu oraz porównywać wynik pomiaru z zapisanym w pamięci wzorem. W ten sposób można zrealizować system identyfikacji kolorowych detali lub umieszczonych na nich oznaczeń.

Czujniki światłowodowe z modulacją długości fali

Rys. 7. Interferometr Fabry-Perota

W czujnikach zaliczanych do grupy sensorów z modulacją długości fali wykorzystuje się światłowodową siatkę Bragga. Stanowi ona fragment włókna optycznego, w obrębie którego w pewnych odstępach współczynnik odbicia światła rdzenia przyjmuje różne wartości.

Światło, padając na taką strukturę, jest selektywnie odbijane, tzn. promieniowanie o określonej długości fali zostaje przez siatkę przepuszczone, podczas gdy reszta ulega odbiciu. Długość fali odbitej zależy od współczynnika odbicia rdzenia oraz gęstości siatki Bragga.

Na to z kolei wpływają zewnętrzne czynniki, głównie zmiana temperatury i naprężenia. Dlatego czujniki tego typu najczęściej są używane w pomiarach właśnie tych dwóch wielkości. Naprężenia - powstające na przykład w wyniku rozciągania lub ściskania światłowodu - powodują deformację siatki Bragga, co prowadzi do zmiany jej gęstości, a w efekcie do zmiany długości fali światła odbijanego przez czujnik.

Z kolei zmiany temperatury powodują przede wszystkim zmianę współczynnika odbicia materiału, z którego wykonany jest rdzeń czujnika. W minimalnym stopniu na skutek temperatury następuje też rozszerzenie struktury, co dodatkowo wpływa na rozkład oczek siatki Bragga.

Tabela 1. Czujnik do pomiarów odkształcenia i temperatury SmartFBG (w ofercie EC Test System)

Tabela 2. Czujnik do pomiarów ciśnienia i temperatury SmartCell firmy Smart Fibres (np. do monitorowania zbiorników z wodorem)

Jedną z zalet omawianych czujników jest możliwość realizacji setek siatek Bragga w jednym włóknie światłowodowym, w odległości zarówno kilku milimetrów, jak i w odstępie kilku kilometrów.

Ponadto odpowiednie rozmieszczenie tych elementów umożliwia realizację czujników reagujących nie tylko na zmianę temperatury i odkształcenia, ale też takich parametrów jak ciśnienie, przyspieszenie czy przesunięcie. Czujniki przechylenia i przyspieszenia z siatką Bragga ma w swojej ofercie na przykład firma FiberSensing.

Sensory światłowodowe z rozproszeniem Rayleigha i Ramana

Rys. 8. Ilustracja zjawiska wykorzystywanego w interferometrach światłowodowych Sagnaca

W czujnikach światłowodowych wykorzystywany jest też efekt tzw. wstecznego odbicia transmitowanych promieni świetlnych w kierunku źródła sygnału. Widmo światła odbitego składa się z różnych komponentów, jednak w technice pomiarowej użyteczne są głównie dwa z nich - tzw. rozproszenie Rayleigha i Ramana.

Rozproszenie Rayleigha zależy od zmian gęstości i składu materiału światłowodu, w związku z czym analiza tego komponentu widma pozwala na przykład wykryć pęknięcia wzdłuż światłowodu. Rozproszenie Ramana jest z kolei spowodowane wibracjami molekuł w czasie propagacji światła wywołanymi zmianą temperatury.

Intensywność tego zjawiska zależy od tego parametru, w związku z tym czujniki z rozproszeniem Ramana są najczęściej używane w pomiarach temperatury. Mierząc dodatkowo czasu przelotu odbitej fali świetlnej, można precyzyjnie wyznaczyć odległość, w której zmiana temperatury wystąpiła.

Sensory firmy Roctest Duży wybór czujników światłowodowych ma w swojej ofercie firma Roctest. Przykładem są sensory serii FOP do pomiaru ciśnienia wody w porach gruntu lub ciśnienia innych płynów, których głowicę stanowi interferometr Fabry-Perota. Zakres pomiarowy w zależności od modelu wynosi od 200 do 7000 kPa. Czujnik jest przeznaczony do wykorzystania w pomiarach m.in. takich konstrukcji jak budynki, tamy, wały, wykopy, tunele, zbiorniki wodne. Charakterystyczną dla tego typu interferometrów komorę pomiarową stanowi cienka membrana wykonana ze stali nierdzewnej z jednej strony oraz czoło światłowodu z drugiej. Fot. 7. Interferometr Fabry-Perota Rys. 10. Interferometr Fabry-Perota Zakończeniem głowicy czujnika jest filtr (rys. 10), który zabezpiecza ją przed zanieczyszczeniami. Czujnik został wykonany w taki sposób, by możliwe było jego umieszczenie na przykład w otworach wiertniczych lub rurach o małym przekroju (fot. 7). Firma oferuje też inne czujniki wykorzystujące zasadę pomiaru interferometru Fabry-Perota do pomiaru przemieszczenia, temperatury i naprężeń. Oprócz tego w jej ofercie znajdują się też rozproszone sensory temperatury i naprężeń wykorzystujące rozproszenie Ramana. Przykładem jest czujnik DiTeSt SMARTube , który stanowi połączenie sensora temperatury i odkształceń. Znajduje on zastosowanie na przykład w detekcji osiadania ziemi w konstrukcjach takich jak tamy, wały, wały przeciwpowodziowe i nasypy. Rys. 11. Czujnik temperatury i naprężeń wykorzystujący zjawisko rozproszenia Ramana Rys. 12. Czujniki światłowodowe z siatką Bragga dostępne są w konfiguracji symetrycznej, niesymetrycznej, można je też łączyć w łańcuchy Czujnik składa się z dwóch jednomodowych włókien osłoniętych przed wpływem środowiska luźną tubą, które służą do pomiaru temperatury oraz dwóch jednomodowych włókien poza tubą, które służą do wykrycia naprężeń (rys. 11). W tabeli zebrano najważniejsze parametry czujnika. Roctest oferuje też czujniki światłowodowe z siatką Bragga do pomiaru odkształceń i temperatury. Przykładem sensorów mierzących pierwszy parametr są czujniki serii MuST FBG. Czujniki te składają się z części aktywnej i pasywnej. Ta pierwsza zawiera element pomiarowy, czyli siatkę Bragga. Część pasywna jest niewrażliwa na deformacje światłowodu i służy do połączenia części aktywnej z urządzeniem odczytującym zmianę długości fali transmitowanego sygnału. Tabela 4. Parametry czujnika DiTeSt SMARTube Tabela 5. Parametry czujników MuST FBG W części pasywnej można też zamontować siatkę Bragga, która służyć będzie do pomiaru temperatury w celu kompensacji jej wpływu na wyniki pomiarów. Czujniki dostępne są w konfiguracji symetrycznej, niesymetrycznej, można je też łączyć w łańcuchy (rys. 12). Poniżej przedstawimy najważniejsze parametry tych czujników.