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.
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 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.
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 RoctestDuży 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.
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.
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.
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. |
Czujniki światłowodowe w energetyce
Fot. 4.
Czujniki światłowodowe mają wiele zalet, dzięki którym są chętnie używane w przemyśle. Częściowo pokrywają się one z cechami kabli światłowodowych, dzięki którym te ostatnie są chętnie używane zamiast tradycyjnego okablowania miedzianego.
Przykładem jest odporność na zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez znajdujące się w pobliżu maszyny i przewody oraz przebicia od urządzeń pod wysokim napięciem.
Właściwość tę wykorzystuje się na przykład w pomiarach w energetyce i w przemyśle, gdzie czujniki światłowodowe używane są m.in. do kontroli temperatury podziemnych i napowietrznych energetycznych linii transmisyjnych, naprężeń tych ostatnich oraz wibracji i temperatury uzwojeń dużych maszyn elektrycznych (na przykład wysokonapięciowych transformatorów, generatorów i silników).
Sensory tego typu są też niewrażliwie na przepięcia generowane przez wyładowania atmosferyczne, dzięki czemu są zalecane do instalacji, w których występuje takie zagrożenie. Przykładem są elektrownie wiatrowe, w których czujniki światłowodowe są używane m.in. w detekcji nadmiernych wibracji świadczących o uszkodzeniu turbiny lub w systemach wykrywania formacji lodu na łopatkach wirnika.
Brak sygnałów elektrycznych eliminuje też niebezpieczeństwo iskrzenia, co pozwala na instalowanie sensorów światłowodowych w rejonach zagrożonych wybuchem lub pożarem, na przykład na platformach wydobywczych ropy naft owej i gazu, w tym w otworach wiertniczych (pomiar temperatury i ciśnienia), w rafineriach, wzdłuż rurociągów (kontrola szczelności) oraz w zakładach chemicznych.
Sensory światłowodowe w infrastrukturze i przemyśle
Tabela 3. Jednoosiowe czujniki drgań Smart Fibres do pomiarów wibracji o dużych częstotliwościach i amplitudach
Zaletą sensorów światłowodowych jest też możliwość transmisji wyników pomiarów na dużej odległości (nawet kilkudziesięciu kilometrów), co wykorzystuje się m.in. w monitoringu naprężeń i wibracji dużych konstrukcji budowlanych, takich jak mosty, tunele, zapory oraz stanu torów w przemyśle kolejowym.
Ponadto charakteryzuje je duża wytrzymałość na wpływ czynników zewnętrznych, takich jak wysoka temperatura, duże ciśnienie, wibracje. Są chemicznie obojętne, dlatego mogą pracować w środowisku agresywnym, nie grozi im też korozja.
Dzięki temu sensory tego typu mogą poprawnie funkcjonować w jednej instalacji bez przerwy nawet kilkanaście lat. W połączeniu z takimi cechami jak niezawodność i duża dokładność sprawia to, że omawiane sensory są optymalne do stosowania m.in. w elektrowniach atomowych lub w miejscach trudno dostępnych, w których wymiana czujnika wiąże się z komplikacjami.
Odporność na wpływ otoczenia sprawia też, że koszty instalacji i konserwacji czujników światłowodowych są mniejsze, ponieważ nie wymagają one stosowania dodatkowych wzmocnień, uszczelnień i specjalnych kanałów zabezpieczających.
Omawiane elementy są także odporne na zapylenia i zabrudzenia oraz na kontakt z wodą. Można je zatem bez problemu instalować w ramach linii produkcyjnych wymagających częstego czyszczenia.
Tabela 6. Adresy www firm wymienionych w tekście
Zaletą sensorów światłowodowych jest także mała waga i elastyczność, dzięki której można je bez problemu zamontować na przykład na ramieniu robota przemysłowego. Istotna jest też możliwość realizacji wielu czujników w obrębie pojedynczego kabla światłowodowego.
Znacznie obniża to koszty w przypadku złożonych sieci sensorów oraz umożliwia instalację czujników w miejscach, gdzie istnieją ograniczenia pod względem dostępnego miejsca i ciężaru - na przykład na pokładach samolotów.
Monika Jaworowska
