Prezentacja programu PowerPoint - zif.mchtr.pw.edu.plzif.mchtr.pw.edu.pl/download/119.pdf ·...

Technika światłowodowa

Czujniki światłowodowe

Pomiar wielkości fizycznych zaburzających propagacjępromieniowania

Ogólny schemat →

← czujnik zewnętrzny

i wewnętrzny →

Technika światłowodowa

Czujniki światłowodowe

Koszt podstawowych elementów

Jakośćelementów

Dostępna liczba tanich elementów

1980 1990 2000

diody laserowe 3000 USD/szt. (prototyp) 3 USD/szt. -

światłowody jednomodowe

5-10 USD/m (bardzo ograniczony wybór)

0,10 USD/m (standardy telekomunikacji) -

zintegrowane optyczne modulatory

urządzenia laboratoryjne

7000 USD/szt. (prototypy) 50 USD/szt

Technika światłowodowa

Samolot przyszłości z „inteligentnym” silnikiem i poszyciem, wyposażony m.in. w czujniki światłowodowe monitorowania temperatury i ciśnienia (silnik) oraz odkształceń (poszycie)

Technika światłowodowa

Systematyka czujników

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa

I. CZUJNIKI INTENSYWNOŚCIOWE• większość czujników dostępnych handlowo (pierwsze 1970)

• prostota• niska cena• wysoka niezawodność

PROBLEMY• tłumienie światła• zależność detektorów od λ• zależność detektorów i źródeł (LED) od temperatury• czułość na zmiany zewnętrzne• starzenie modułów toru czujnika ⇒ zmiana wskazań

CZUJNIKI ZE ŚWIATŁOWODAMI WIELOMODOWYMI

S

S

S D

D

D

Światłowód

(c) kątowy

(b) poprzeczny

(b) wzdłużny

Światłowód

Światłowód

Światłowód

TYPY CZUJNIKÓWZBLIŻENIOWE

zmiany (modulacja) intensywności światła na detektorze

Technika światłowodowa

ZBLIŻENIOWE Z REFLEKTOREM

Podstawowa wada:brak sygnału odniesienia

Poprawa stabilności pracy (mniejsza wrażliwość na zmiany amplitudy promieniowania)

światło

d - średnica światłowodu

fotodiody

światłowód wielomodowyruchome zwierciadło

Technika światłowodowa

POMIARY W CZUJNIKACH INTENSYWNOŚCIOWYCH Z SYGNAŁEM ODNIESIENIA

Cel: minimalizacja błędów detekcji

Układ daje 4 sygnały „wy” z różnym wpływem mocy źródeł i strat w światłowodachKombinacja sygnałów „wy” daje sygnał proporcjonalny do M

101

101

ABBAM ∝

B1

B10

A10

A1

Sygnały z S1 i S2

rozseparowane na 2 wy• ZRÓWNOWAŻONY MOSTEK POMIAROWY

S1

S10M

A

B

Filtr

Filtr

tu wpływ wielkości mierzonej na intensywność

LED11 kHzmod

LED210 kHz

-2 wy

Technika światłowodowa

PODZIAŁ WIĄZKI

wiązka przechodząca

s.odniesienia

wiązka odbita niesie informacje o M

D1DM 2

∝

Wada: obydwa światłowody mogą podlegać różnym wpływom zewnętrznym

źródło

detektor 2

zwierciadłopółprzepuszczalne

detektor 1

Technika światłowodowa

MIGAWKI - mierzymy przesunięcie elementu przesłaniającego

siatkasiatka

prąż

ki m

ory

światłowód światłowód

mikrosoczewka mikrosoczewka

światłowód światłowód

soczewka sferyczna

Technika światłowodowa

SENSORY ODBICIOWE - przemieszczenia

Ilość światła zebranego po odbiciu zależy od odległości „x”

sprzęgacz typu „Y”

światłowody oświetlające

światłowody odbiorcze

reflektor

światłowody

rozkład intensywności w wiązce oświetlającej rozkład intensywności

w wiązce pobieranej

Rozwiązanie z matryca światłowodów – zwiększenie zakresu i rozdz.

Technika światłowodowa

SENSORY MIKROZGIĘCIOWE (s. wewnętrzne)

Straty światła rosną przy zwiększającej się sile nacisku na płytkę

max wydajność sensora gdy „a” = drodze dudnienia „dd”

„dd” - różnica wektorów falowych dla rdzenia i płaszcza dd ~1mm

przemieszczenia

światłowód

a

element odkształcający

przemieszczenieF

Technika światłowodowa

SENSORY BAZUJĄCE NA MODULACJI ZEWNĘTRZNEJ WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA

1. zmiana „n” płaszcza płaszcz z mat. elektrooptycznego, magnetooptycznego, elastooptycznego

⇓działanie polem elektrycznym,

magnetycznym, ciśnieniem

2. sensory poziomu cieczy

imersja światłowodowa w cieczy powoduje straty mocy przez pow. boczne

straty światła

• światłowód z wytrawionym płaszczem • światłowody doprowadzone do pryzmatuw powietrzu → całkowite wewnętrzne odbiciew cieczy → straty promieniowania

powietrze

ciecz

Technika światłowodowa

CZUJNIKI ZANIKAJĄCEGO POLA

S. zewnętrzne → obszar pomiarowy bardzo mały (nm)Zasada → sprzęganie pola zanikającego pomiędzy rdzeniami światłowodów

θ - kąt całkowitego odbicia dla powierzchni (np.)obszar „d” może być wypełniony cieczą o n

↓ modulacja intensywności przez • modulację d• modulację n

char

akte

ryst

yka

trans

mis

ji

włóknordzeń

Technika światłowodowa

CZUJNIKI Z DWIEMA DŁUGOŚCIAMI FAL

Zał.: straty niezależne od λspektralna charakterystyka S i D strata w t

dla λ1

dla λ2

dla λ1(pomiar w t1)

dla λ2(pomiar w t2)

MMM

D2D1

2

1 ∝=

M1, M2 - modulacje intensywności spowodowane pomiarem wielkości szukanej dla λ1 i λ2

Technika światłowodowa

II. CZUJNIKI ZE ZMODULOWANĄ DŁUGOŚCIĄ FALI

Wykorzystują efekt modulacji intensywności, która jest mocno zależna od długości fali promieniowania.

Podstawowy problem: dostarczyć wystarczającą energię do detektora, bo tylko jej część(Δλ) jest wykorzystywana do detekcji.

Typy czujników bazujące na:

ABSORPCJI ROZPRASZANIU

LUMINESCENCJI DYSPERSJI

INTERFERENCJI

Technika światłowodowa

• SENSORY ABSORPCYJNEProces absorpcji dla różnych materiałów

( )CLλα

0

eII −∝I, I0 - intensywności po i przed absorpcją

α(λ) - współczynnik absorpcji zależny od λC - koncentracja absorbujących cząsteczek (jonów) w obszarze pomiarowymL - wymiar (długość) obszaru pomiarowego

• czujniki promieniowania (np. jonizującego)• czujniki obecności substancji chemicznych (np. gazu ziemnego)• czujniki przemieszczenia bo M∝f(L)• czujniki temperatury → bazujące na materiałach termochromowych→ bazujące na krawędzi pasma absorpcji i jej zależności

dla temperatury pokojowej λ > 900 nm - przepuszczaneλ < 900 nm - absorbowana

przesunięcie krawędzi absorpcji o 0.5 nm/ C

GaAsmateriał z krawędziąpasma absorpcji

włókna wielomodowe

Technika światłowodowa

• PIROMETRYsensor temp. dostosowany do wysokich temperatur

włókno szafirowe (kryształ Al2O3)

iridium

warstwa Al2O3

soczewkakomputer

temperatura

obszar ciała czarnego

włókno optyczne(typowe)

element światłodzielący

element pomiarowy

Promieniowanie ciała czarnego pobierane jest przez końcówkę światłowodu

profil promieniowania → określa temperatura elementu

Detektory monitorują intensywność dla dwóch wąskich obszarów Δλ1 i Δλ2

zakres temperatury 2000 ÷ 3000 °C

Zastosowanie: reaktory atomowe, komory spalania (w silnikach)

Technika światłowodowa

• SENSORY FOTOLUMINESCENCYJNE (pomiar temp.)

Widmo fluoroscencyjne zależne od temperaturdetekcja dla λ1 i λ2

TU: Pomiar czasu gdy sygnał lumin. spadnie do 1/eI0

fotoluminescencja = absorbują promieniowanie i emitują w dłuższych λ

Pomiar temperatury <400 °C

rdzeń

płaszcz

czysty elastomer

elastomer domieszkowany P

Technika światłowodowa

• SENSORY DWÓJŁOMNE

• SENSORY INTENSYWNOŚCIOWE ZMODYFIKOWANE DLA DETEKCJI MODULACJI λ

obrót

czujnik temperatury

mikro soczewka

monochromator

światło białe

skrzyżowane polaryzatory

kryształ niobianu litu

przemieszczenieświatło

białe

światłowód

niebieski

czerwony

D

Tu: efekt zależności dwójłomności od:1) temperatury2) λ

D

baza: pryzmat

SD

baza: siatka dyfrakcyjna

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa – M. KujawińskaCzujniki rozproszone i quasi rozproszone - 24 -

Czujniki rozproszone i quasi rozproszone

Technika światłowodowa

CZUJNIKI ROZPROSZONE

DZIAŁAJĄ NA CAŁEJ DŁUGOŚCI WŁÓKNA

CZUŁE NA ZMIANY : temperatury, odkształceń pola magnetycznego, elektrycznego i innych wzdłuż włókna ciągła funkcja odległości

KONCEPCJA POMIARÓW RADAROWYCH

MONITOROWANIE SYGNAŁU ROZPROSZENIA WSTECZNEGO (ECHA) KRÓTKIEGO IMPULSU ŚWIETLEGO WPROWADZONEGO DO WŁÓKNA

Pomiar wielkości i pozycji zakłócenia poprzez

POMIAR CZASOWYCH I SPEKTRALNYCH WŁASNOŚCI SYGNAŁU ROZPROSZENIA WSTECZNEGO

Technika światłowodowa

OPTYCZNA REFLEKTOMETRIA W DZIEDZINIE CZASU

OPTICAL TIME-DOMAIN REFLEKTOMETRY• Rozpraszanie:

Rayleigh’a Raman’a Brillouin’aFLUORESCENCYJNE

Lokalizacja defektów przez pomiar strat rozpraszania wzdłuż włókna

• Przestrzenna rozdzielczość OTDR – min. odległośćmiędzy defektami rozpoznawalnymi

n2CΔzminτ

=τ - długość impulsu

Technika światłowodowa

OTDR ( ) ( )zα2z

lnPi

s −=∂

∂

z = ct/2n – lokalizacja impulsu wysyłanegoαi(z) – współczynnik tłumienia

(1 neper = 4,34 dB)n – wspólczynnik załamania rdzeniak – stosunek podziału na sprzegaczu (we) r(z) – efektywny współczynnik odbicia

(rozproszenia) Rayleigh’anajednostkę długości

D -

( ) ( ) ( ) ( )⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−= ∫z

oios dzzαexpzDrkPk1tP

Detekowany impuls rozproszenia (odbicia) wstecznego

Log(Ps)

T=2nz/c

połączenieEndc

α

Technika światłowodowa

OPTYCZNA REFLEKTOMETRIA W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCIOptical Frequency Domain Reflektometry (OFDR)

(zał.) Wprowadzony impuls świetlny o zmiennej w czasie częstotliwości(np. przez zmiany prądu zasilania lasera pół;rzewodnikowego)

fD – max różnica częstotliwości prom wefc –repetycja modulacji częstotliwości

Δf – zamieniona na pomiar częstości dudnienia „mora” elektroniczna

zaleta: lepsza rozdzielczość niżOTDR ok. 10 cm

wymaganie: koherencja źródła większa niż 2Lmax

Światło rozproszone wstecznie będzie miało inną częstotliwość niż sygnał wprowadzony

dioda laserowa

detektorzwierciadło

.....................

.......... ....................

........................

fd

1/fc czas

Δf

częstotliwość

t

i,f

Technika światłowodowa

Pozostałe techniki OTDRPolaryzacyjna

Rozpraszanie Rayleigh’a zachowuje polaryzacjęwłókno jednomodowe + detekcja czuła na polaryzację

Wykorzystanie dwójłomności wymuszonej we włóknie przez zmiany środowiska(Porównanie kierunku polaryzacji impulsu we i wy)

Zastosowania:pole magnetyczne (Faraday zjawisko)pole magnetyczne (efekt elektro-optyczny)

zmiany współczynnika elasto-opt.

poprzecznie przyłożone ciśnienie (np. kable podwodne) temperatura

polaryzator

analizatordetektor

tu: wykorzystanie światłowodu zachowującego stan polaryzacji

Technika światłowodowa

SENSORY CZĘŚCIOWO ROZPROSZONETECHNIKI MULTIPLEKSYJNE

(zał) możliwość wytworzenia macierzy punktowych sensorów we włókniemożliwość utworzenia sieci sensorów zgodnie z zał. Topologią

Zaleta: większa rozdzielczośc niż sensorów rozproszonych.

Wymaganie: jednoznaczna identyfikacja sygnału z każdego czujnika i jego demodulacja

Tu: metody multipleksyjnemetoda czasowametoda przestrzennametoda wg długości falimetoda wg koherencji promieniowej

Technika światłowodowa

Typy sensorów

• wewnętrzne: zmodyfikowane wycinki FO zapewniające zlokalizowane źródła światła : strat, rozproszenia wstecznego, polaryzacji, fluoroscencji, itd.; ew. miejscowa modyfikacja płaszcza dla wykorzystania pola zanikającego

• zewnętrzne: w linię światłowodową wbudowane czujniki nieświatłowodowenp. sensory na szkle rubinowym zmieniają λ → 600

620 nm przy zmianie temperatury ~ 2,2 A°/°C

Technika światłowodowa

TECHNIKI MULTIPLEKSYJNET.M. PRZESTRZENNEJ : SPATIAL DIVISION M. (SDM)

pojedyncze źródło + macierz detektorów

Każdy czujnik ma oddzielne łącze światłowodoweWada : wysoki kosztZalety : brak przesłuchów

sensory adresowane równolegle

T.M. CZASOWEJ : TIME DIVISION M. (TDM)Zasada: kolejne w czasie adresowanie sensorów1) Przełączanie elektro-optyczne lub elektro-mechaniczne

Zaleta: brak przesłuchów Wada : krótki czas monitorowania pojedynczego sensora

2) Impuls wejściowy szereg impulsów wy uzyskanych przy odbiciu na kolejnychsensorach: τ

Technika światłowodowa

źródłomodulator

MULTIPLEKSJA CZASOWA - przykładsensory mikrozgięciowe

echo z najdalszego sensora wraca w czasie pojedynczej repetycji

impulsu

odległość sensorów taka, aby można było rozdzielić „echa”

Technika światłowodowa

podobne do OFDR

topologia „drabinowa”

Detekcja w płaszczyżnie widma

MC- Wykorzystanie zasadyoptycznej reflektometrii w dziedzinie częstotliwości

ci

Di fc

2nLfΔf =

t

i,f

Sygnały elektryczne analizowane w dziedzinie widma częstotliwościIdentyfikacja N częstotliwości dudnienia Δf1...........,ΔfN

zalety: wysoka czułość, mniejsza moc, wąskie pasmo przenoszenia układu detekcyjnegowady: źródło o bardzo dużej drodze koherencji

Li – odległośći-tego sensora

Technika światłowodowa

T.M. Z ROZDZIAŁEM DŁUGOŚCI FALI ŚWIATŁA

1. F1, F2, F3 – elementy dyspersyjne kierujące każde λi do właściwego detektora

(zał) sygnał wejściowy o szerokim zakresie λ detektory dostosowane do λi

2. FOS – np. siatki Braggawe włóknie

detektor

topologia „drabinowa”

Technika światłowodowa

Lr = Ls

Ls >> LcLc – długość koh. światłamacierz int. M2

Coherence multiplexing

T.M. KOHERENCYJNE : Coherence multiplexing

Bazują na technice interferometrii różniczkowej z dopasowanymi drogami optycznymi – sensorem interferometrycznym z niewyrównanymi drogami i optycznymi Ls

dla czujników interferometrycznych

ZASADA

również można zastosować do interferometru ze światłem białym

tu skompensowana droga optyczna z sensoraLr = Ls

Lr >> Lc

Lc – długośćkoherencji żródła

Technika światłowodowa

Przykłady zastosowańSD1) monitorowanie naprężeń w dużych strukturach inżynierskich: budynki,

mosty, tamy, zbiorniki, statki, platformy wiertnicze, statki kosmiczne, samoloty

2) monitorowanie temperatury w: elektrycznych transformatorach mocy, generatorach, reaktorah atomowych, piecach, sieciach detekcji przeciwpożarowej

3) detekcja wycieków w rurociągach4) systemy przeciwwłamaniowe5) detekcja anomalii pól EM w systemach dystrybucji mocy6) „smart structures” - czujniki wkomponowane w materiały kompozytowe

dla detekcji naprężeń, wibracji, temperatury w powłokach np. struktur pojazdów kosmicznych

SQDzastosowania do wielopunktowych pomiarów jednej wielkości

zastosowanie do pomiarów różnych wielkości w różnych punktach pomiarowych

energetyka przemysł chemiczny budowa maszyn

Technika światłowodowa

Sieci czujników

Idea prostej sieci

ze sprzęgaczem multipleksowym

i demultiplekserem

W różnych miejscach mierzone różne wielkości fizyczneza pomocą promieniowania o różnych λ

Technika światłowodowa

Zastosowania czujników

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa – M. KujawińskaCzujniki interferometryczne - 40 -

Czujniki interferometryczne

Technika światłowodowa

OPTOELEKTRONICZNE PRZETWARZANIE SYGNAŁUZadanie:

wyznaczyć wartość wielkości mierzonej z wy sygnału i interferometruusunąć szumuzyskać dużą czułośćodpowiedź sygnału ~ wielkość mierzona

Informacja zakodowana w fazie sygnału

φ(t) = φs sinω0t + φn(t) + φ0

zał. sin zmienność fazy (analiza Fouriera)

Detektor czuły na intensywność I ~ A (1 + cos φ)

DWIE KLASY PRZETWARZANIA:DWIE KLASY PRZETWARZANIA:

TECHNIKA HOMODYNOWA:optyczna częstość sygnałów interferujących jest taka sama

TECHNIKA HETERODYNOWA:optyczna częstość sygnałów interferujących nieco różna (Δω)

Technika światłowodowa

TECHNIKI HOMODYNOWEHomodyna pasywna

Uwaga: zmiany w czułości i liniowości odpowiedzi w zależności od punktu pracy

φd – stała różnica faz między ramionamiinterferometru

φs – sygnał wymuszeniai3= I1 – I2 = 2I0V cos [φm sin ωmt + φd + φs(t)]

π/2 π

faza

V

układ nadążny

S D

integrator

+-

V1

modulator fazy

D V2

Wm

układ nadążny

S D

integrator

+-

modulator fazy

Wm

φ

napięcie odniesienia

„servo”

wielkość mierzona

DS

Homodyna aktywna

Technika światłowodowa

H.P. – „Square & Add” Technique

V1 ∝ A (1 + cos (φ0 + φn + φs sin ωst))

V2 ∝ A (1 + sin (φ0 + φn + φs sin ωst))

sygnały poddane filtracji górnopprzepustowej

usunięcie członu stałego

wyrażenia sin ( ) i cos ( ) rozwinięte w szereg funkcji Bessela

(zał) φs małe wtedy wszystkie wyrazy szeregu o rzędzie > 1 są do pominięcia

wtedy V1 ∝ - sin (φ0 + φn) [J1 (φs) sin ωst]

V2 ∝ cos (φ0 + φn) [J1 (φs) sin ωst]

sygnały z detektorów podniesione do kwadratu i dodane:

gdy φs małe to J1 (φs) ∝ φs

( ) ( )tωsinJVVV s2

s21

22

21

2tot φ∝+=

Technika światłowodowa

H.P. „Differentiate & Cross Multiply” techniqueφs dowolne

obydwa napięcia są rózniczkowane

różniczki przemnażane są

zaleta: brak założenia, że φs jest małe ale zał. φn, że jest wolno zmiennedla uzyskania φ całkowaniechociaż niekiedy korzystne uzyskanie wartości

System praktyczny dla H.P.

Sprzęgacz 3 x 3V1 = A + B cos φ + C sin φ

V2 = -2 B(1 + cos φ)V3 = A + B cos φ - C sin φ

V1 + V2 = 2A + 2B cos φV1 – V3 = 2C sin φ

( ) 21 V

dtdsin

dtd

dtdV φ

==φ=φ

−∝ ( ) 12 V

dtdcos

dtd

dtdV φ

==φ=φ

−∝

( ) ( )[ ]dtdsincos

dtd

dtdVV

dtdVVV 221

22

1totφ

=φ+φφ

=−=

dtdφ

kwadratura

V1

V2

V3

Technika światłowodowa

TECHNIKI HETERODYNOWE

(zał) przesuwnik częstotliwości jest w jednym z ramion interferometrufopt ~ 40 000 GHz

przesunięcie Δf kHz ÷ 100 MHz(wynik) oscyluje w sygnale wy interferometru

V1 = A [1 + cos (φ + Δft)]

Odzyskanie sygnału φ np. przez porównanie V1 z referencyjnym Vref ≅ 1 + cos (Δft) „phase – locked loop”

Częst. nośnafopt

Δf (heter.)

Technika światłowodowa

PseudoheterodynowanieStosuje modulator fazy dla wprowadzenia liniowo wzrastającej fazy w interferometrze

wówczas możemy założyć gdy Δφ ∞to prawdziwe heterodynowanie fizycznie konieczny nawrót przesuwnika fazy

Możliwośc uzyskania „ciągłej Δf” gdy Δφ = 2π Ni natychmiastowy powrót „rapid flyback”

W przypadku asymetrycznego wysterowania przesuwnika poprawa heterodynowania przez filtrację dolnoprzepustowąPrzesuwniki : PZT lub modulacja częstotliwości lasera (np.zmianyprądu lub temperatury dν/di 1-10GHz/mA dla czest. Poniżej 50kHzW INTERF. w całym polu: realizacja metody dyskretnej zmiany fazy

∫∝φ dtΔfΔ

a modulacja czoła fali

b sygnal wyjściowy interferometru

faza

Technika światłowodowa

Technika światłowodowa

Zakłócenia wywołane odbiciami wstecznymi

W zależności od wartości i fazy sprzężenia zwrotnego:- kilkudziesięcioprocentowe rozszerzenie lub zwężenie linii

widmowej lasera zależne od fazy odbitego promieniowania- rozpad linii widmowej na kilka rywalizujących ze sobą linii (tzw.

przeskakiwanie między modami – ang. mode hopping)- pojawienie się modów satelitarnych- wzrost RIN, zwiększenie szerokości linii widmowej

W ogólności większość laserów pracuje zadowalająco przy poziomie sprzężenia mniejszym niż –30dB, a więc uzyskiwanym za pomocą izolatorów optycznych.

Technika światłowodowa

Czujnik fazowy

Interferometr Macha-Zehndera

S – źródło D - detektor FM i FR – światłowód pomiarowy i odniesieniaDC - sprzęgacz

Pomiary:temperatury, odkształcenia, pól magnetycznych

elektrycznych, akustycznychCzujnik o nadzwyczaj wysokiej czułościProblem wydzielenia wpływu różnych parametrów

Technika światłowodowa

Przykłady czujników fazowych cd

S – źródło D1 i D2 detektoryDC - sprzęgacze

Interferometr Sagnaca

Interferencja fal biegnących w przeciwnych kierunkach

Giroskop optyczny

Pomiar kąta obrotu i przyspieszenia w ruchu obrotowym

Pomiar pól akustycznych

Technika światłowodowa

Zastosowania czujników

Technika światłowodowa

Zastosowania czujników