Optički senzori

SVEUČILIŠTE U RIJECIPOMORSKI FAKULTET U RIJECI

OPTIČKI SENZORI ZA DETEKCIJU VIBRACIJA

ZAVRŠNI RAD

RIJEKA

Sadržaj:

1. UVOD.....................................................................................................................................1

2. SUSTAVI SVJETLOVODNOG PRIJENOSA......................................................................2

2.1 Prijenos energije pomoću svjetlovoda..............................................................................22.2 Određivanje mjesta prekida ili oštećenja svjetlovodne niti..............................................5

2.2.1 Impulsno-lokacijske metode......................................................................................62.3 Zaštita svjetlovodne niti....................................................................................................9

3. MJERENJA NA SVJETLOVODNOG NITI..........................................................................9

3.1 Mjerenje prigušenja signala u svjetlovodne niti.............................................................113.2 Mjerenje disperzije signala u svjetlovodne niti..............................................................11

3.2.1 Mjerenje disperzije signala u vremenskom području..............................................123.2.2 Mjerenje disperzije signala u frekvencijskom području..........................................13

4. PRIMJENA OPTIČKIH SENZORA NA BRODU..............................................................14

5. SVJETLOVODNI SENZORI ZA MJERENJE VIBRACIJA..............................................15

6. RADNI PRINCIPI SVJETLOVODNIH SENZORA ZA MJERENJE VIBRACIJA..........16

6.1 Senzori bazirani na mjerenju inteziteta signala..............................................................176.1.1 Mikrosavijajuća struktura........................................................................................196.1.2 Bezkontaktna nadopuna senzorima baziranim na intezitetu...................................21

6.2 Fabry-Perot interferometri..............................................................................................236.2.1 Ekstrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija..............256.2.2 Intrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija.................27

6.3 Svjetlovodni senzori s Braggovom rešetkom.................................................................316.3.1 Princip rada svjetlovodnih Braggovih rešetki..........................................................326.3.2 FBG Vibracijski programski osjetnici.....................................................................36

7. Zaključak...............................................................................................................................40

8. Popis tablica..........................................................................................................................42

9. Popis slika.............................................................................................................................42

10. Skraćenice...........................................................................................................................44

Literatura...................................................................................................................................46

1. UVOD

Svjetlovodna tehnologija je zbog svojih prednosti u prijenosu podataka i

jednostavnosti izvedbe nad klasičnim tehnologijama prijenosa informacija u proteklih dva

desetljeća potpuno prevladala na području telekomunikacijskih i računalnih mreža.

Svjetlovodna tehnologija temelji se na emitiranju, prijenosu i prijemu signala, odnosno na

generiranju svjetlosnog signala električnom pobudom. Osim u komunikacijskim sustavima

svjetlovodi su se počeli primjenjivati i kao senzori za razne neelektrične i električne veličine.

U oba slučaja njihove vrlo male dimenzije, jednostavno instaliranje, neosjetljivost na vanjske

elektromagnetske utjecaje, veliki prijenosni kapacitet te dobra pouzdanost opravdavaju

ugradnju svjetlovodnih mreža i senzora u zahtjevnim sustavima kao što su brodovi. U ovom

radu detaljnije ćemo se pozabaviti senzorima baziranim na optičkoj svjetlovodnoj tehnologiji.

Senzori sa optičkom svjetlovodnom tehnologijom kao i primjena svjetlovoda

doživijeli su prednost nad klasičnim tehnologijama za mjerenja telekomunikacijskih i

prijenosnih informacija. Potencijal zamjene većinu prirodno osvještenih senzora u egzistenciji

danas, kao i otvaranjem jednog cijelog novog tržišta, gdje senzori sa usporednim

sposobnostima ne postoje, dovode do novih područja mogućnosti. Takve nove tehnologije,

kombinirane sa unaprijeđenim mjernim pretvaračima, omogućuju pored ostalog prijenosno

praćenje vibracija korištenjem kompaktnih prijenosnih instrumenata u visoko lokaliziranom

dijelu električne mehanizacije sa unutarnjom izolacijom, superiornim dielektričkim

svojstvima i otporan na elektromagnetske smetnje. Povrh toga, optički svjetlovodni senzori

mogu ponuditi bezkontaktno praćenje bez ikakvih smetnji što dovodi do novog pristupa

praćenja vibracija u elektromehaničkoj opremi.

U radu će se detaljnije pojasniti vrste i princip rada senzora baziranih na svjetlovodnoj

tehnologiji za mjerenje vibracija koja je sve zastupljenija na brodovima, ali i u drugim

modernim postrojenjima.

1

2. SUSTAVI SVJETLOVODNOG PRIJENOSA

Svjetlovodni sustavi prijenosa sastoje se od izvora signala (predajnik), prijenosnog

medija (svjetlovodna nit) te detektora (prijemnik), prikazan slikom 1. Izvori signala su

svjetleće diode (LED - Light Emmitting Diode) ili poluvodički laseri (LASER - Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation), a služe za pretvorbu električnog u

optički signal. [4]

Slika 1: Princip rada svjetlovodnog sustavaIzvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.

2.1 Prijenos energije pomoću svjetlovoda

Svjetlovodna nit predstavlja transparentni dielektrični cilindar (jezgra) obavijen

sekundarnim dielektričnim cilindrom (plašt) prikazanim na slici 2.

2

Slika 2: Konstrukcija svjetlovodne niti s primarnom zaštitomIzvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.

Prijenos energije odvija se na svjetlovodnim valnim duljinama od infracrvenog do

ultraljubičastog spektra. Prijenosni medij je svjetlovodna nit najčešće izrađena od silicijevog

dioksida SiO2 (tzv. Kvarcno staklo). U novije vrijeme niti se izrađuju i od plastike (POF -

Polymer Optical Fiber) te u specijalnim izvedbama kao niti sa šupljinama (PCF-Photonic

Crystal Fiber, u obliku Holey vlakna). Kao detektori svjetlosnog signala koriste se lavinske

fotodiode (ADP-Avalanche Photo Diode) i PIN fotodiode. Apsorpcija fotona u fotodiodi s

pogodnim energetskim procjepom uzrokuje prijelaz elektrona iz valentnog u vodljivi pojas, te

tako generirani elektroni čine izlaznu struju fotodiode.

Svjetlost se zbog niza refleksija prenosi od ruba do ruba između jezgre (unutrašnji

cilindar) i omotača (vanjski cilindar). Refleksije su moguće iz razloga što jezgra posjeduje

veći indeks loma svjetlosti n1 u odnosu na indeks loma omotača n2.

Indeks loma u nekom materijalu je omjer brzine svjetla u vakumu (c=299.792.458

m/s) i brzine svjetla u tom materijalu (vm);

(1)

Razliku u indeksima loma jezgre i plašta postiže se dodavanjem različitih elemenata

primjesa u materijal prilikom izrade niti. Jezgra uvijek ima neznatno viši indeks loma od

plašta (za jezgru staklene niti n=1,487).

3

Zbog indeksa loma potrebno je zadovoljiti zahtjev da upadni kut svjetlovodne niti

bude dovoljno malen. Po jednom se svjetlovodu istodobno može prostirati samo određeni broj

diskretnih snopova elektromagnestskih valova, od kojih svaki predstavlja vlastiti val ili mod.

Valovi u jezgri koji odgovaraju zrakama kojih trajektorije stvaraju velike kutove s osi niti,

nazivaju se modovi višeg reda, a trajektorije koje stvaraju manje kutove s osi niti modovi

niskog reda. Broj usmjerenih modova N u svjetlovodu je uvijek konačan i može se odrediti

ako su poznati: valna duljina prijamne svjetlosti, polumjer r jezgre niti, razlika indeksa

lomova jezgre i omotača ovisno o tipu niti. Niti se djele na jednomodne (monomodne) i

višemodne (multimodne) što je prikazano na slici 3. Višemodne niti koriste se za prijenos

signala manjih prijenosnih brzina na kraćim udaljenostima (do 3 km), dok se jednomodne niti

koriste za velike prijenosne kapacitete na udaljenostima i do 150 km bez upotrebe pojačala.

[4]

Tablica 1: Karakteristike svjetlovodnih niti

Tip niti

(materijal)

Dimenzije

Jezgra /plašt

(μm)

Prigušenje na

850 nm

(dB/km)

Prigušenje na

1300 nm

(dB/km)

Optički izvor

MM (POF) 980/1000 8 - LED

MM (Si02) 50/125 3 1 LED

SM (SiO2) 9/125 - 0,3 laser

Izvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.

4

Slika 3: Vrste svjetlovodnih niti

Svjetlovodne niti su predviđene za primjenu u prijenosnim mrežama i zato moraju

zadovoljiti određene zahtjeve (prigušenje, zasićenost itd.), kao i električni vodovi. Osobitost

prenošenja elektromagnetske energije po dielektričkim vodovima u blizini infracrvenog

područja zahtijeva primjenu specifičnih metoda i uređaja za mjerenje njihovih osobina.

Navest ćemo neka od bitnijih mjerenja te ukratko njihove postupke.

2.2 Određivanje mjesta prekida ili oštećenja svjetlovodne niti

Karakteristično za oštećenje svjetlovoda je narušavanje cjelovitosti svjetlovoda i

zaštitnog omotača. Metoda određivanja mjesta i vrsta oštećenja omotača analogne su

metodama koje se koriste kod električkih vodova (impulsni reflektometar-TDR). Međutim,

oštećenja svjetlovoda su specifična. Pod oštećenjem svjetlovoda podrazumijeva se svaka

nehomogenost koja dovodi do pogoršanja prijenosnih karakteristika svjetlovodnog signala

koji se širi kroz svjetlovod. Jedno od najčešćih oštećenja svjetlovoda je njegov prekid.

5

U osnovi postoje tri metode određivanja mjesta prekida svjetlovoda:

mjerenje svjetlosne energije izračene u okoliš

mjerenje jakosti povratnog Rayleighovog raspršenja

impulsno-lokacijske metode

Metoda mjerenja svjetlosne energije ispuštene u okoliš nije doživjela razvoj jer

zahtijeva prijamni uređaj širokog dinamičkog raspona (110-140dB). Nedostatak mjerenja

jakosti povratnog Rayleighovog raspršenja je niska razina tijeka povratnog raspršenja, koja ne

omogućava uporabu za mjesta prekida svjetlovoda jako velikih valnih duljina.

2.2.1 Impulsno-lokacijske metode

Impulsno-lokacijska metoda ima visoku razlučivost i omogućuje indetifikaciju kako

mjesta nehomogenosti svjetlovoda tako i mjesta njegovog potpunog prekida. Shema uređaja

impulsno-lokacijskog mjerenja prikazana je na slici 4. U nit se šalje skup sondirajućih

impulsa i na osnovi vremena potrebnog za povratak reflektiranih impulsa od mjesta prekida,

određuje se mjesto prekida. Kada prođe kroz element za fokusiranje, svjetlosni snop lasera

pada na poluprozirnu pločicu.

Poluprozirna pločica razdijeli svjetlosni snop na dva dijela. Prvi koji putem elemenata

za fokusiranje dolazi u svjetlovod, a nakon toga u uređaj koji prigušuje sporedne modove i

drugi koji se reflektira od zrcala i poluprozirne pločice, te pada na prijamnik koji se sastoji od

uređaja za fokusiranje, fotodiode, pojačala i osciloskopa. Reflektirana svjetlost od mjesta

povrede vraća se po niti i preko poluprozirne pločice, također dolazi u prijamnik. Na osnovi

razlike vremena dolaska obaju impulsa određuje se udaljenost mjesta povrede niti (L)

izražena formulom:

(2)

Gdje su:

t ... razlika u vremenima dolaska obaju impulsaΔt ....proširenje drugog snopa zbog disperzije c ... brzina svjetlosti n ... indeks loma materijala svjetlovoda

6

Slika 4: Blok shema impulsno-lokacijeske metode

Na slici 5. prikazan je oscilogram mjerenja u kojem prvi impuls, doveden na ulaz 1

osciloskopa, odgovara impulsu reflektiranom od ulaznog poprečnog presjeka niti spram

površine fokusirajuće leće. Drugi impuls odgovara impulsu reflektiranom od zrcala na kraj

niti.

Slika 5: Oscilogram impulsnog mjerenja

Ova metoda omogućuje određivanje mjesta povrede niti s točnošću od nekoliko

metara. Za razliku od mjerenja izračene snage pomoću izvora i prijamnika, koji mjere

prigušenje na svjetlovod niti direktno, optički reflektometar radi indirektno. Izvor i prijamnik

kopiraju stvarni predajnik i prijamnik na svjetlosnom prijenosnom sustavu, te se na taj način

može vidjeti korelacija između stvarnog i mjernog sustava. Kod OTDR-a (engl. Optical time

domain reflectometer) uporabom povratnog impulsa svjetlosti možemo otkriti prigušenja u

svjetlovodnoj niti. Kao i klasični reflektometri, na ulazu u svjetlovodnu nit se pošalje uski

impuls svjetlosti i promatra povratni impuls koji nastaje zbog nesavršenstva svjetlovodne

linije ili refleksije zbog spojeva odnosno kraja linije.

7

U svakoj točci vremena, svjetlo poslano iz OTDR-a prolazi kroz cijelu mjerenu duljinu

svjetlovodne niti. Samo mali dio izračene svjetlosti vraća se natrag, ali uporabom osjetljivih

prijamnika i normiranjem signala, moguća su mjerenja i na relativno dugim dionicama

svjetlovodnih niti. Uz poznatu brzinu širenja impulsa svjetlosti duž svjetlovodne niti,

reflektometrom se može izmjeriti vrijeme, a time je moguće izračunati vremensku poziciju

impulsa u svjetlovodnoj niti, koja odgovara stvarnom položaju u njoj. Kako se svjetlosni

impuls prigušuje tijekom prolaska kroz svjetlovodnu nit i dodatno prigušuje spojevima,

ukupna snaga poslanog impulsa će se smanjivati u ovisnosti o prolazu kroz cijelu nit. Tako je

pomoću odgovarajućeg programa moguće prikazivati prigušenje svjetlovodne niti u odnosu

na njenu duljinu. Karakteristična slika na ekranu optičkog reflektometra prikazana je slikom

6.

Slika 6: Karakterističan reflektogram spojeva na svjetlovodnoj niti

Može se pokazati kako je impulsna metoda provjere stanja svjetlosnih niti analogna

impulsnoj metodi ispitivanja koaksijalnih kablova. Razlika je, ipak u specifičnosti

svjetlovodnih niti u kojima odbijena snaga ovisi o kutu presjeka niti. U slučaju djelovanja na

nit samo sile istezanja, nastaje plosnata površina prijeloma. Ako je nit prekinuta udarcem,

povšina nije plosnata. Budući da većina eho impulsa može ovisiti o karakteru prijeloma niti, u

nizu slučajeva impulsna metoda nije dovoljno točna za određivanje mjesta povreda

svjetlovodnog kabela.

8

2.3 Zaštita svjetlovodne niti

Svjetlovodne niti štite se plastičnim omotačem te se upredaju u kabele različitih

kapaciteta, vrsta zaštite i primjena. Prema namjeni i načinima polaganja razlikujemo:

podzemne kabele (za uvlačenje u polietilenske cijevi ili za polaganje neposredno u zemlju),

instalacijske kabele (za polaganje unutar objekata), podmorske kabele, samonosive kabele,

kabele za instalaciju po visokonaponskim dalekovodima te za specijalne namjene kao što su

brodovi, zrakoplovi, elektrane i sl. Standardne dužine u kojima se proizvode kabeli su 2, 4, 6

km te je za izgradnju dužih veza potrebno spojit pojedinačne dionice kabela. Ponovna

spajanja niti izvode se kod oštećenja i prekida kabela, te kod priključenja transmisijskih

uređaja i izvođenja mjerenja optičkih i transmisijskih karakteristika niti. Svjetlovodne niti

spajaju se trajnim spojevima varenjem niti električnim lukom (tzv. Fuzijski spojevi) ili

rastavljivim spojevima u što spadaju razne vrste optičkih konektora i mehaničkih spojnica.

Fuzijski spojevi su najpouzdaniji i unose najmanje gušenje sustava (prosječno 0,05 dB), dok

konektori imaju prosječno gušenje od 0,3 dB, a mehanički spojevi 0,2 dB.

Svjetlovodni sustavi imaju dvojaku primjenu. Najpoznatija i najrasprostranjenija je

njihova upotreba u telekomunikacijskim mrežama te lokalnim računalnim i podatkovnim

mrežama, gdje služe za prijenos informacija. Kao ilustraciju prijenosnog kapaciteta

svjetlovodne niti navedimo primjer sustava s valnim multipleksiranjem 32 valne duljine gdje

jedna valna duljina prenosi informacije brzinom od 10 Gbit/s. U tom slučaju po jednoj niti

dobijemo mogućnost prenošenja 3,9 milijuna govornih kanala istovremeno. Sadašnji

komercijalni sustavi rade na brzinama i od 40 Gbit/s.

3. MJERENJA NA SVJETLOVODNOG NITI

Nakon što je svjetlovodni kabel spojen i završen, potrebno ga je provjeriti. Na

svjetlovodnim prijenosnim sustavima prvo je potrebno ispitati njegovu neprekinutost, od kraja

do kraja, a tek nakon toga treba ispitati pogreške i probleme na njima. Ukoliko se radi o

dugačkom svjetlovodnom sustavu s puno međuspojeva svjetlovodne niti, treba provjeriti svaki

spoj. Za provjeru svjetlovodnih spojeva najjednostavniji i najpouzdaniji način je mjerenje

svjetlovodnim reflektorom OTDR.

Na svjetlovodnim se nitima obavljaju mjerenja sljedećih značajki: prigušenja,

disperzije, numeričke aparature te mjesta prekida ili njihove povrede.

9

Jednomodna nit:

Ako je mjerna valna duljina veća od kritične valne duljine jedne niti širit će se samo

jedan mod. Uz uvjet mjerenja prigušenja jednomodne niti su manje komplicirane od onih na

višemodnoj niti. Da bi se održala stalna pobuda niti, mjerenja treba obaviti u dva koraka: prvo

treba izmjeriti izlaznu snagu na daljem kraju, zatim se prereže nit na ulaznom kraju i ponovo

se izmjeri snaga. Razlika u razinama snaga u dB je prigušenje. To je metoda skraćivanja niti

(cutback). Druga metoda je analiza OTDR-om, koja zahtijeva pristup sa samo jedne strane što

je jako praktično. Širina pojasa jednomodne niti ovisi o kromatskoj disperziji, koja je kod

višemodnih niti zanemariva. Osnovna ideja mjerenja kromatske disperzije je slanje uskih

impulsa kratkih valnih duljina kroz nit i mjerenje njihovih različitih vremena dolaska. Kritična

valna duljina jednomodne niti definira najmanju valnu duljinu koja bi se trebala koristiti ako

je važan širok propusni pojas. Ispod te duljine širi se više modova. Kritična valna duljina se

mjeri tako da se pošalje široki spektar u kratku nit, te se mjeri gušenje svake spektralne

komponente. Kritična valna duljina je vidljiva kao diskontinuitet krivulje prigušenja.

Višemodna nit:

Najvažniji parametar niti je prigušenje svjetlosti. Ispitivanje prigušenja višemodnih

niti je otežano zbog širenja mnogo modova, od kojih svaki ima svoje karakteristike širenja.

Osnova za mjerenje prigušenja su izvori svjetlosti i mjerač snage, pri čemu se izdvajaju dva

načina mjerenja: metoda skraćivanja niti i metoda povratnog raspršenja.

Višemodna disperzija predstavlja proširenje impulsa uslijed različitih brzina širenja

kod različitih modova. Osnovni koncept mjerenja je da se nit pobudi kratkim impulsom, u

kojem su modovi ravnotežno raspoređeni, te se izmjeri širina impulsa na kraju niti.

Kromatska disperzija je proširenje impulsa različitih frekvencijskih svjetla sadržanih u

spektru izvora, prema tome, proširenje impulsa direktno ovisi o spetralnoj širini izvora.

Kromatska disperzija je u osnovi svojstvo materijala te doprinosi smanjenju širine opsega

višemodnih niti. Kromatska disperzija se ne može mjeriti neposredno.

Numerički otvor (engl. Numerical Aperture - NA) i promjer jezgre određuju kolika se

snaga može unijeti u višemodnu nit. NA definira maksimalni kut pod kojim zrake mogu ući u

nit, uvijek se mjeri na izlazu iz niti (na udaljenom kraju) jer je maksimalni kut promatran na

izlazu približno jednak istom na ulazu.

10

Za mjerenja na svjtlovodnim kabelima potrebno je imati slijedeće:

Svjetlosni izvor i prijamnik za mjerenje izračene snage, mjerač gubitaka na svjetlosnoj

niti s pripadajućom opremom

Dovoljan broj kvalitetnih sprežnika s pripadajućim spojnicama – konektorima,

prilagođenih prema ispitivanoj niti

OTDR s pripadajućom opremom svjetlovodnih niti i spojeva

Materijal i pribor za čišćenje svjetlovodnih niti i spojeva

3.1 Mjerenje prigušenja signala u svjetlovodne niti

Kod mjerenja prigušenja svjetlovodne niti potrebno je najprije izmjeriti izračenu

snagu. Za sva mjerenja na svjetlovodnoj niti potrebno je osigurati svjetlosni izvor koji će

izračiti energiju u obliku elektromagnetskog vala. Izračena snaga iz svjetlosnog predajnika je

zapravo ulazna snaga u svjetlovodni prijenosni sustav. Apsolutna razina snage za mjerenja u

svjetlovodnim sustavima iznosi 1mW, a valne duljine elektromagnetskih valova su 850, 1310

i 1550 nm. Iz praktičnih razloga u mjernoj tehnici se primjenjuje relativna izračena snaga

izražena u dBm. Prigušenje (gubici) svjetlosne snage u svjetlovodnim nitima ovisno je o

valnoj duljini λ zračenja koje prolazi kroz svjetlovod.

Sigurnost:

Snaga svjetlosti se može usporediti s izvorom s malom snagom, koristan signal bi na

većoj udaljenosti uz veće vrijednosti prigušenja bio na razini snage šuma. Iako svjetlosni

izvori u svjetlovodne sustave izračuju relativno malu snagu, potrebno je poštivati mjere zaštite

očiju od laserskog zračenja. To znači da se ne smije gledati u svjetlovodnu nit kada je

uključen izvor svjetlosti.Isto tako je potrebno sva rastavljiva spojna mjesta označiti zaštitnom

oznakom za lasersko zračenje.

3.2 Mjerenje disperzije signala u svjetlovodne niti

Disperzija je promjena amplitude impulsa u svjetlovodu i dovodi do izobličenja

signala. Obično je procjenjeno statističkim metodama prema razlici vremena prostiranja

komponenata signala ili prenošenja impulsa, kako je to prikazano na slici 7.

11

Slika 7: Dijagram ovisnosti relativne amplitude impulsa o vremenima kojem su prikazani njegovi parametri

3.2.1 Mjerenje disperzije signala u vremenskom području

To je najjednostavniji način mjerenja disperzije, prema kome se mjerenje obavlja tako

što se na jedan kraj svjetlovoda uvede optički impuls, a na drugom kraju svjetlovoda

detektiraju i mjere prošireni impulsi. Mjerenje se izvodi prema blok shemi prikazanoj na slici

8.

Kao izvor svjetlosti koristi se impulsni laser valne duljine λ = 0.9μm. Karakteristika

ove metode je u tome da se na početku i na kraju svjetlovoda nalaze djelomično prozračna

zrcala. Svjetlosni impulsi prolaze preko ulaznog zrcala u svjetlovod i cirkuliraju između

njegovih krajeva. Disperzija se obrađuje na osnovu uspoređivanja na ekranu osciloskopa

širine impulsa koji se vraćaju nakon uzastopnih cirkulacija u svjetlovodu sa širinom ulaznoga

impulsa. Usklađivanje impulsa usklađuje se pomoću linije kašnjenja. Ova mjerna metoda

omogućava da se pomoću relativno kratkog odsječka emitiraju uvjeti prelaska signala po liniji

veće duljine.

12

Slika 8: Blok shema za određivanje disperzije u vremenskom području

3.2.2 Mjerenje disperzije signala u frekvencijskom području

Podatak o disperziji u frekvencijskom području daje uspoređivanjem signala na ulazu i

izlazu svjetlovoda, informaciju o amplitudno-frekvencijskoj i fazno-frekvencijskoj

karakteristici svjtlovoda, koji su vrlo značajni podaci naročito kod projektiranja svjtlovodnih

prijenosnih sustava. Kod mjerenja ukupne disperzije u frekvencijskom području, u svjetlovod

se unosi svjetlosni signal promjenjive frekvencije, a stalne amplitude i faze. Aparatura za

mjerenje fazno-frekvencijeske karakteristike je vrlo precizna i skupa, pa se obično mjeri samo

amplitudni odziv, iz kojeg se izračunava fazni odziv. Procedura za mjerenje amplitudnog

odziva je vrlo jednostavna, sastoji se u mjerenju i usporedbi amplituda signala na ulazu i

izlazu svjetlovoda, a za što se može koristiti spektralni analizator.

Kao izvor svjetlosti mogu se koristiti LED ili laserske diode, čija se svjetlost direktno

modulira strujnim signalima. Kao foto detektori se primjenjuju PiN ili lavinske fotodiode.

Predajnik i prijamnik moraju imati približno isti frekvencijski opseg kao i svjetlovod, jer

inače može doći do pogreške pri mjerenju.

Praćenje tehničkog stanja veće elektromehaničke opreme je uobičajeno izveden u

industriji koristeći analize vibracija. Nekoliko tehnika pretežno bazirane na kapacitivnim i

piezoelektičnim akcelerometrima, pretežno se upotrebljava za održavanje.

13

Međutim, negativni utjecaj elektromagnetskih smetnji (engl. Electromagnetic

Interference - EMI) može predstavljati ozbiljan problem kada se elektični signali koriste za

otkrivanje i lociranje fizičkih parametara u bučnom okruženju kao što su električki pogoni

generatora snage sa visokim udjelom elektromagnetskih smetnji.

Senzore sa optičkim vlaknima se sve više koristi zbog prirodnih neelektričkih svojstva

signala. U ovom radu, najkorišteniji senzori sa optičkim vlaknima biti će prikazani, razvrstani

prema tehnikama senzora i principima mjerenja.

Glavne tehnike, intezitet modulacije, Svjetlovodne Braggove rešetke i Fabry-Perot

interferometrija će biti objašnjene.

4. PRIMJENA OPTIČKIH SENZORA NA BRODU

U novije vrijeme svjetlovodi se sve više koriste kao senzori raznih neelektričnih i

električnih veličina kao što su temperatura, naprezanje, tlak, pomak, vibracije, brzina,

ubrzanje, magnetska i električna polja, električna struja, radijacija, kemijske komponente te

protok fluida.

Najvažnije prednosti svjetlovoda, koje opravdavaju njihovu upotrebu na brodovima i

drugim zahtjevnim objektima kao što su zrakoplovi, naftne bušotine i elektrane su:

malo prigušenje i veliki kapacitet prijenosa podataka,

male dimenzije i težina,

mali trošak materijala te lakše i jeftinije polaganje kabela po brodu,

smanjenje zapremine i težine kabela,

nemetalne izvedbe tako da nisu podložni utjecajima vanjskih elektromagnetskih

polja,

nemogućnost pojave prenapona, iskrenja, kratkog spoja i požara na nitima,

proširivanje na veće prijenosne brzine samo zamjenom prijenosnih uređaja,

mjesto i vrstu oštećenja i kvarova moguće je utvrditi mjerenjem reflektometrom

pristupom samo s jednog kraja,

mogućnost integracije brodskih sustava i podsustava u jedinstvenu lokalnu

brodsku mrežu,

vijek trajanja svjetlovodne mreže podudara se s vijekom trajanja broda,

dobra pouzdanost svjetlovoda smanjuje i troškove odražavanja.

14

Svjetlovodi se na brodovima koriste za povezivanje sustava satelitskih i terestričkih

komunikacija, radara, dubinomjera, navigacijskih uređaja, sustava za nadzor stroja i tereta u

integriranu brodsku mrežu podataka.

Udaljenosti na kojima se mogu izvoditi mjerenja mogu biti vrlo velike i do nekoliko

kilometara. Veći broj senzora može se integrirati u cjelovit mjerni sustav. Izrađeni su od

dielektričnih materijala i imuni na bilo kakve elektromagnetske utjecaje, a mogu podnijeti i

relativno visoke temperature. Za sada je njihova cijena i cijena pripadnih mjernih uređaja još

uvijek viša od senzora temeljenih na tradicionalnim tehnologijama te stoga njihova primjena

na brodovima još nije zaživjela u većoj mjeri.

Optički senzori rade na principu moduliranja svjetlosti unutar niti kao odgovor na

vanjsku električnu ili neelektričnu pobudu.[4]

Tablica 2: Karakteristike svjetlovoda za instalaciju na brodove

Broj/tip niti 2, 4 , 6 / MM i SM

Težina kabela 98 kg/km

Radna temperatura -40 0C do 85 0C

Prigušenje MM niti na 850 nm 3,5 dB/km

Prigušenje MM niti na 1300 nm 1,5 dB/km

Prigušenje SM niti na 1300 nm 0,5 dB/km

Izvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.

5. SVJETLOVODNI SENZORI ZA MJERENJE VIBRACIJA

Svjetlovodni senzori se mogu generalno smjestiti u dvije grupe:

Ekstrinzični (Svjetlovodni senzori sa istaknutim karakteristikama kojima se očitavanje

događa u području izvan optičkog vlakna)

Intrinzični (Svjetlovodni senzori karakterizirani činjenicom da se očitavanje događa

samo po sebi unutar optičkog vlakna).

Kod ekstrinzičnih senzora svjetlovodna nit služi za prijenos signala do osjetilnog

elementa gdje signal modulira pod nekim vanjskim utjecajem kojeg želimo mjeriti. Signal se

dalje vodi svjetlovodnom niti do detektora koji izdvaja željenu informaciju iz moduliranog

15

signala. Informacija u osjetilnom elementu može biti modulirana intezitetom, fazom,

frekvencijom, polarizacijom, spektralnim vrijednostima, ili nekim drugim karakteristikama

vanjske pobude. Takve senzore koristimo za mjerenje temperature, tlaka, ubrzanja, vibracija,

kutnih i rotacijskih položaja, oštećenja i deformacija materijala, protoka, viskoziteta i nivoa

tekućina te kod kemijskih mjerenja. Pri instalaciji ovakvih diskretnih senzora njihova pozicija

mora biti prethodno točno definirana a moguće je povezati i više senzora u nizu u jedan

cjelovit mjerni sustav.

Kod intrinzičnih senzora za mjerenje vanjskog utjecaja koriste se fizikalna svojstva

same svjetlovodne niti. Svjetlovodni signal, koji prolazi kroz nit, modulira se neposredno

nekim vanjskim utjecajem ili deformacijom same niti i tako izazvane promjene njenih

transmisijskih parametara. Posebna podgrupa intrinsičnih senzora su tzv. Distribuirani

senzori. Njihovo važno svojstvo je to što se pomoću njih može snimiti prostorna raspodjela

mjerne veličine koju želimo pratiti. Dva najraširenija područja primjene tih senzora su

distribuirano mjerenje temperature i deformacija materijala. [4]

6. RADNI PRINCIPI SVJETLOVODNIH SENZORA ZA MJERENJE

VIBRACIJA

Svjetlovodni senzori također mogu mogu biti podijeljeni prema radnim principima. Na

slici 9. je prikazana je opća klasifikacija senzora za vibraciju: Senzori bazirani na intezitetu

vibracija (engl. Intensity based-senzors - IBSs) su senzori u kojima se intezitet modulira

pomoću vanjskih parametara; Fabry-Perot interferometri (engl. Fabry-Perot interferometer -

FPI) su pasivne optičke strukture koji koriste međudjelovanje višestrukih snopova zraka

unutar šupljine između polu-odbijajućih površina. Svjetlovodne braggove rešetke (engl. Fiber

Bragg Gratings - FBG) su proizvedene koristeći uzdužne periodične pertubacije

reflektirajućeg indexa jezgre svjetlovodnog vlakna. U ovom radu prethodna tri principa će biti

detaljnije objašnjena. [3]

16

Slika 9: Klasifikacija svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,

Journal of Sensors, 2010.

6.1 Senzori bazirani na mjerenju inteziteta signala

Senzori bazirani na intezitetu signala se proučavaju i primjenjuju u zadnjih 25 godina,

što je prikazano na Slici 10. Može se primjenjivati u širokom opsegu konfiguracija, kao što su

mikrosavijanje, spajanje vlakna, pomicanje maski odnosno rešetki te modificiranje jezgre

optičkog vlakna.

Takvi senzori se mogu podjeliti u dvije široke kategorije ovisno o tome, da li fizički

kontakt sa vibracijskim objektom postoji ili ne postoji. Uobičajeno strukture bez kontakta

koriste reflektirajuće signale za detektiranje smetnji ili vibracije dok ostale strukture koriste

prijenosne konfiguracije.

17

Slika 10: Napredak senzora baziranim na intezitetuIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Kao glavno pravilo, u senzorima baziranim na intezitetu vibracija, intezitet svjetlosti iz

izvora je moduliran pomoću mjernog pretvarača; potom dolazi do detektora, te se prevodi u

električne signale i zatim se adekvatno prerađuju kao što je to prikazano na slici 11.

U puno slučajeva je potrebno imati referentni mehanizam da bi se zadržao senzor

kalibriran. Bez takvog referentnog mehanizma, optička jačina fluktuacije od izvora,

sprežnika, spojnica ili bilo kojih ostalih komponenti u sustavu može dovesti do značajniji

grešaka.

U nekim slučajevima, digitalna tehnika komunikacije kao što su kodirane divizije sa

višestrukim pristupom (engl. Code division multiple access - CDMA) mogu smanjiti utjecaj

šuma. [3]

18

Slika 11: Konfiguracija za sustav modulacije intezitetaIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


6.1.1 Mikrosavijajuća struktura

Mikrosavijajući senzor bio je jedan od prvih senzora baziranih na mjerenju malih

promjena u intezitetu svjetla. Princip detektiranja je baziran na promjeni emitirane energije

kao što su funkcije pritiska ili napona naprezanja. Uglavnom se svjetlosni intezitet u ovoj

stukturi smanjuje gubitcima prouzročenim induciranim mikro krivinama vodiča svjetla (Slika

12.).

Deformacija prouzrokuje međudjelovanje optičke energije sa navođenom jezgrom te je

dovodi na višu razinu radijacije; intezitet te radiacije se smanjuje utjecanjem okruženeog

materijala.

Multimodna i jednomodna optička vlakna se koriste za konstrukciju takvih senzora.

Dok multimodni mikro savijajući senzori pokazuju maksimalnu osjetljivost kada je savijanje

frekvencija jednaka razlici u konstanti širenja vezana za širenja i radijacije, u jednomodnom

mikro savijajućim senzorima, maksimum se postiže kada je frekvencija prostornog pojasa

19

jednaka razlici između konstante širenja osnovnog načina rada i diskretnom načinu rada

omotača.

Primjer ove tehnike rada prikazali su Pandey i Yadav. Koristili su mikro savijajuće

senzore smještene u konstrukcijsku ploču da uoče pritisak i deformacije. Kalibracija takvih

senzora je napravljena u laboratorijskim uvjetima, stoga je izlazna optička energija direktno

povezana sa pritiskom primjenjenim na senzor, što se vidi na slici 13. [3]

Slika 12: Struktura mikrosavijajućeg senzora Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Slika 13: Prikaz svjetlovodnog mikrosavijajućeg senzora za mjerenje visokog tlaka i detektiranje pucanja

Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.

20

6.1.2 Bezkontaktna nadopuna senzorima baziranim na intezitetu

Bezkontaktne dinamičke nadopune senzora se uobičajeno koriste za detektiranje

vibracija. Reflektirajuća shema se koristi za otkrivanje vibracija gdje se jedan svjetlovod

koristi kao izvor emiter, a jedan ili više svjetlovoda se koriste kao kolektor (Slika 14.).

Odbijanje sa površine koje je okružuju u blizini mete može se umanjiti koristeći tehnologiju

obrade podataka. [1]

Slika 14: Konfiguracija dinamičke zamjene senzora baziranima na intezitetuIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Kao primjer takve konfiguracije prikazano je na slici 15. Proizveden je jednostavan,

surov i jeftini bezkontaktni IBS koristeći dva svjetlovoda vezana za PMMA (engl. Poly

methyl methacrylate). Glavna prednost takve konfiguracije je niska cijena za proizvodnju

senzora i mjernih pretvarača.

Međutim, iako je proizvodnja svjetlovodnih senzora baziranih na intezitetu lagana, za

proizvest, značajna greška može se dogoditi primjenom izvora svjetlosti. Gubitci uslijed

fizičke konfiguracije i reflektirajuće površine izvan mjernog sustava često utječu na završnu

mjernu točnost. Na sreću, referentnu jačinu izvora fluktuacije je relativno jednostavno izvesti.

21

Nedavno su Perrone i Vallan prikazali visoko rezolutni i jeftin optički senzor (koristi

plastična svjetlovodna vlakna) za mjerenje vibracija čak do nekoliko desetaka KHz koristeći

shemu detekcije inteziteta praćenu sa nezahtjevnom obradom podataka koji kompenziraju

vibrirajuće površine reflektiranost i niz izmjerenih dobivenih vrijednosti. U ovakvim

senzorima, jedno svjetlovodno vlakno se koristi za prijenos svjetlosti, dok druga svjetlovodna

vlakna skupljaju odbojnu svjetlost od mete čije vibracije s(t) će biti izmjerene. Primljeni

signal se prerađuje nakon pretvorbe detektora slike. Eksperimentni pristup je prikazan na slici

16.

Senzori bazirani na intezitetu su uobičajeno niske cijene i promjenjive strukture. Čak i

određen reflektirajući eksperimentalni pristup takvih senzora dopušta da se koriste

bezkontaktni programi. [3]

Slika 15: Shematski prikaz eksperimentalnog pristupa svjetlovodnog senzora za mjerenje frekvencije vibracija


22

Slika 16: Plastični svjetlovodni sustavIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


6.2 Fabry-Perot interferometri

Fabry-Perot interferometri su optički aparati koje koriste višestruku refleksiju svjetla

između dvije djelomično posrebrenih površina (ploča).

U zadnja tri desetljeća, puno razvijeno je mnogo programa takve strukture, pomognuti

k nevjerovatnom eksplozijom optičke komunikacije i korištenja optičkih svjetlovodnih

vlakana kao prijenosni vodič i mjerni materijal. Evolucija takve optičke strukture kao senzora

za mjerenje vibracija je prikazano na slici 17.

Slika 17: Napredak Fabry-Perot senzora za mjerenje vibracija Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


23

Osnovna struktura Fabry-Perot optičkih senzora bazirana je na dvije ploče paralelnih

površina sa djelomičnim reflektiranjem tako da su višestruke zrake svjetlosti odgovorne za

stvaranje promatranih struktura interferencije.

Da bi se mogao realizirati jedan Fabry-Perot interferometr u svjetlosnom vlaknu(engl.

In-fiber Fabry-Perot interferometer - IFFPI) moraju se djelomično zrcalne površine proizvesti

unutar svjetlovodnog vlakna, kako je prikazano na slici 18. Takvi senzori se mogu proizvesti

koristeći kemijske procese ili zavarivanje strujom.

Slika 18: Opća struktura intrinzičnih Fabry-Perot interferometra Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Opća teorija iza ostalih interferometara se i dalje veže za Fabry-Perot modele;

međutim, takve višestruke reflekcije pojačavaju područje gdje se pojavljuju konstuktivni i

destruktivni utjecaji.[2]

Omjer refleksije od reflektirajućeg zračenja Ir do ulaznog zračenja Ii je periodičan

zajedno sa kružnom fazom φ, razlika između zraka prikazano je formulom:

(3)

Dok je površina reflektiranja R šupljih površina određuje finesa šupljine F. Finesa je

određena formulom:

(4)

24

Mnogi od ovakvih interferometara pate od uobičajenog problema nejasnosti

usmejaravanja u granicama gibanja kada meta koja se mjeri promijeni smjer dok izlazni

interferentni signali ostaju po svojoj prirodi kosinusoidalni. Opće rješenje uključuje dodatne

ili brojne ispitivačke šupljine, brojne valne dužine te kvadraturne tehnike pomaknuća faze.

Granice interferencije se detektiraju kao električni signal i povratna informacija u krug

komparatora za stvaranje željenih uvjeta kvadrature.

U ekstrinzičnoj verziji Fabry-Perot interferometru (engl. Extrinsic version of the

Fabry-Perot interferometer - EFFPI), optičke šupljine su smještene izvan vlakna. Poravnanje

krajeva svjetlovodnih vlakana se podržava povezanom kapilarnom cijevi ili se mogu postaviti

jedna nasuprot druge. U tom slučaju, koherentni izvor je neophodan da se izbjegnu

prekomjerni gubitci snage. Kada su substrat i pridodana cijev poravnati, reflektirani

interferentni signal varira odzivom promjenama u prostorima šupljina. (slika 19.) [3]

Slika 19: Struktura ekzintričnog Fabry-Perot interferometraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


6.2.1 Ekstrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija

Iako se izvještavalo o izvedbamavišestrukih senzora koji direktno koriste signale FPI-

detektora, kao što je prethodno opisano, neke druge izvedbe mogu se značajno unaprijediti

koristeći tehnike prerade signala u domeni elektronike. Jedan takav primjer prikazan je na

slici 20. U ovakvoj strukturi, konfiguracija višesrukih granica i nesinusoidalnih signala

dobivenih iz svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija koristi se kao ekstrinzičan Fabry-

Perot interferometar.

U ovakvoj konfiguraciji, uporabljena je metodologija prerade signala valne dužine

(engl. Wavelenght transform - WT) da mjeri optičke šupljine. Programi bazirani na WT

25

tehnologiji su razvijeni od autora za nedvosmislenu frekvencijsku indetifikaciju komponenta

iz situacija nesinusoidalnih vibracija. Takve nesinusoidalne vibracije dobivene su od

višebrojnih šupljina i kompleksnih mjerenja frekvencija.[1]

Slika 20: Shematski prikaz reflektirajućeg EFPI senzora spojenim sa svjetlovodnom niti i mjernim sustavom


Neki od Fabry-Perot senzora se trebaju kalibrirati prije nego se koriste. Prikazana je

moguća metoda da se kalibrira PVDF (engl. Polyvinylidene fluoride) senzor za naprezanja

koristeći četiri točke iz Besselovih hramonika. prikazano kao modificirana tehnika brojača

granica primjenjen na Fabry-Perot vibracijskom senzoru sa duplom šupljinom. Shematska

struktura je prikazana na slici 21. Kontinuirane serije interferentnih signala se mogu iskoristiti

za brojanje granica. Glavna prednost ovakve tehnologije je povećan razlučivanje, koja može

bit dobivena bez daljnjih procesnih shema kompliciranih signala, zbog toga što dopušta

kalkuliranje točki križanja i integrira interferencijske vrhunce u algoritme usljed stabilnog

optičkog generiranja kvadraturnih uvjeta koji su proizvedeni.[3]

26

Slika 21: Shematski prikaz Fabry-Perot interferometra za analizu vibracija sa dvije šupljineIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


6.2.2 Intrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija

Jedan od prvih primjena od IFFPI je predstavio Yoshino. U takvoj izvedbi, detekcija

učinka vibracija je izvršeno korištenjem jednomodnih IFFPI (engl. Fiber Fabry-Perot

Interferometer) sa 70 postotnom refleksijom na kraju. Shematski dijagram razvojnog sistema

prikazan je na slici 22.

Daljnja primjena IFFPI je izvještena 1983 od Kerseya. Eksperimentalni uređaj koji je

prikazan na slici 23. je oblikovan jednomodnim IFFPI sa neprevučenim krajevima

svjetlovodnih vlakana.

Christmas je predstavio implementaciju mjerača vibracije sa visokom rezolucijom

koristeći pritom valne dužine Fabry-Perot senzora sa demultipleksnih svjetlovodnim

vlaknima. Sistem nadziranja je baziran na nisko koherentnoj interferometriji prikazano na

slici 24. Sastoji se od Mach-Zehnder ispitni interferometra (engl. Mach-Zehnder

interferometer - MZI) i Fabry-Perot senzora sa svjetlovodnim vlaknima. Fabry-Perot šupljina

je formirana parom svjetlovodnih Braggovih rešetaka (FBG) koje rade kao zrcala sa različitim

reflektiranjem prema funkciji valne dužine. Heterodinski signali su prilagođeni, da bi se

omogućila konstantna osjetljivost detekcije te korištenje konvencionalne tehnologije

obnavljanja signala.

27

Neki drugi IFFPI senzor se sastoji od dva dijela jednostavnih svjetlovodnih vlakna

(engl. Single Mode Fibers - SMF) zavarena tako, da stvaraju šupljinu u jezgri svjetlovodnog

vlakna (engl. Hole-core Fiber - HCF). Fabry-Perot šupljine čine krajeve od svakog

jednostvanog svjetlovodnog vlakna stvarajući zrcala interferometra. Takvu strukturu možemo

vidjeti na slici 25. Naziva se intrinzični etalon svjetlovodno vlakno (engl. In-line Etalon Fiber

- ILFE).

Nekoliko programa su se proizveli koristeći principe Fabry-Perot dodijeljene In-line

Fiber Etalon konstrukciji. Jednadžba ovakve strukture prikazuje vezu između optičke

reflektirajuće snage i deformacije šupljina:

(5)

U ovoj su jednadžbi A i V konstante predstavljajući amplitudu i vidljivost senzora, λ

predstavlja valnu dužinu optičkog izvora, L predstavlja duljinu šupljine, te ε je jedinstvena

deformacija šupljine.

Koristeći ovu shemu demonstrirano je da se može detekcija mirnog stanje izvedbe

trofaznih motora primjeniti u nebalansiranim uvjetima, što je prikazano na slici 26. Ovakva

izvedba je prikazuje da ILFE radi tako da se širi i njegova deformacija se registrira koristeći

interferometriju svjetlosti koja se reflektira pomoću zrcala Fabry-Perot etalona. Izlaz foto

detektora je povezan sa osciloskopom sa FFT modulom da prikazuje spektar vibracija.

Fabry-Perot interferometar omogućuje visoku preciznost kada se mjeri u stvarnom

vremenu vibracije na površinama. Neke tehnike kao što su dioba valne duljine, poslani i

primljeni optički signali mogu se koristiti da se omogući odlična relacija, mjerenja

deformacija i vibracija. Fabry-Perot interferometri mogu se svrstati kao jedni od

najosjetljivijih sastava u području svjetlovodnih senzora.

U ovom dijelu, pokušano je prikazati široko polje eksperimentalnih uređaja i primjena

koji mogu koristiti optičku strukturu. Glavni problemi koji mogu imati utjecaja na tu strukturu

su povezani sa proizvodnjom zrcala, čiji nedostaci i povezane pogreške mogu smanjiti točnost

senzora. [3]

28

Slika 22: Fabry-Perot interferometar za detekciju vibracijaIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Slika 23: Sustav IFFPI zajedno sa svjetlovodnom niti kao akcelerator Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


29

Slika 24: Shematski prikaz visoko rezolutnog demultipleksiranog svjetlovodnog Fabry-Perot senzora


Slika 25: Fabry-Perot interferometar formiran pomoću dva SMF i HCF, poznat kao intrinzični etalon svjetlovod ( ILFE)


30

Slika 26: Shematski prikaz kalibriranog sustava mjernog pretvarača koristeči inzintrične etalon vlakna


6.3 Svjetlovodni senzori s Braggovom rešetkom

Svjetlovodni bragg grattings (FBG) su optički uređaji sa svjelovodnim vlaknima koji

se sadrže u longituidalnoj periodičkoj perturbaciji indexa loma jezgre svjetlovodnog vlakna.

Takve periodičke varijacije optičkih svojstava svjetlovodnog vlakna odnosi se na njihova

jedinstvena optička svojstva koja čine taj uređaj idealan za optičke mjerne programe. U stvari,

od osnutka prve permanentne ugrađene rešetke, sve veći broj znanstvenih grupa razvile su

svoja istraživanja sa takvim uređajima. Ustvari broj objavljenih radova vezanih sa vibracijama

sa FBG su značajno u porastu od 1994, iako su se prvi senzori za očitavanje naprezanja i

temperature pojavili 1988. Dijagram porasta niz godine prikazano je na slici 27.

31

Slika 27: Napredak FBG vibracijskih senzoraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Jedna od najvrijednijih svojstava FBG senzora je njihova jaka ovisnost rezonantnog

špica vrha kada su jako male varijacije Bragg periode što ih čini idealnim za očitavanje

naprezanja. Naravno oni imaju i dodatne prednosti, što su npr, njihova mala veličina što ih

čini jako pogodnim za ugradnju u miješanim materijalima ili betonu, tu je i multipleksiranje

gustoće valne dužine čine uređaj sposobnim da pravi više točki odjednom unatoč

kompliciranim civilnim strukturama kao što su autoputevi i mostovi. Njihova struktura se

može koristiti za konstantno mjerenje nekoliko parametara kao što su temperatura ili vlažnost

i vibracije koristeći tehnike multipleksiranja valnih duljina. [1]

6.3.1 Princip rada svjetlovodnih Braggovih rešetki

Optička svojstva FBG uređaja proizlazi iz serije razmještenih djelomičnih reflektora sa

određenim prostornim periodom. U svjetlovodnim vlaknima FBG, ti reflektora su proizvedeni

sa mjenjanim indexom loma jezgre svjetlovodnog vlakna u svrhu periodičnosti, čineći

dielektrična djelomična zrcala, te se serije interferencija pojavljuju kao da svjetlost putuje

32

kroz uređaj. Konzekventno, određene valne duljine, koje imaju konstantnu relaciju sa

periodom indexa loma perturbacije javlja jaka prijenosna blokada. Određene valne duljine se

odbijaju od FBG strukture, uređaj zadržava ostale valne duljine. FBG se ponaša kao reflektor

za izmjenu valnih duljina.

Svjetlovodne braggove rešetke su izrađene pomoću „pisanja“ periodičke varijacije

indexom loma unutar jezgre specijalnog tipa svjetlovodnog vlakna koristeći ultraljubičasti

izvor kao što je UV laser. Specijalno svjetlovodno vlakno sa dopiranim germanijum i

silicijem koristi se u proizvodnji FBG zbog toga što je fotoosjetljivo, te je moguće inducirati

da se index loma promijeni u području gdje je jako UV zračenje. Zbog toga se FBG proizvode

izloženi sa značajno uobičajenim UV uzorkom. Takvi uzorci se uglavnom dobivaju pomoću

dva različita procesa: međudjelovanje i maskiranje. Zbroj promjena u indexu loma unutar

jezgre svjetlovodnog vlakna je funkcija intenziteta i vijeka izlaganju UV zrakama.

Interferencija i maskiranje su najuobičajnije tehnike za izradu FBG, moguće je ispisati

ih dio po dio. U tom slučaju laser koristi nisku zraku koja je isto velika kao perioda rešetke.

Ovakva metoda je specijalno primjenjena u proizvodnji svjetlovodnih rešetki i nagnutim

rešetkama proizvedenih za duži vijek trajanja.

Osnovni princip rada FBG je Fresnel reflekcija. Svjetlost putuje između medija

različitih indeksa reflektivnosti tako da se može prelamati i odbijati od površine. Rešetke će

uobičajeno imate varijabilan sinusoidalan index loma kada je određena dužina.

Prostor valne duljine između prvog minimalca (ništice) ili širina pojasa (delta λ) je

prikazan formulom:

(6)

U ovoj formuli δn0 je varijacija indexa loma (n' - ncore )(Slika 28.) i η je prelamanje

snage u jezgri. Tipični odziv refleksije FBG prikazano je na slici 29.

Svjetlovodne braggove rešetke se mogu koristiti kao direktan element za očitavanje

naprezanja, ali također se može koristiti za programsku instrumentaciju seizmologije, senzori

pritiska za ekstremno teške uvjete, te za senzore u bušotinama ulja ili goriva za mjerenje

utjecaja izlaznog pritiska, temperature, seizmičkih vibracija i unutarnjih mjerenja protoka. [3]

33

Jedna od glavnih prednosti FBG uređaja je njihova prikladnost za senzore povezanih

mrežom. Nije nevažno da se može i urediti multi senzorski uređaji, te da ostali optički uređaji

imaju strogu limitaciju s obzirom na maksimalni broj senzora koji mugu bit integrirani u

optički sistem ( jako intezivni gubitci). U tom slučaju, FBG se može lako integrirati u

višestuku podjelu senzora, pa sistem može ispitivati koristeći multipleksnu razdiobu vremena

(engl. Time-division Multiplexing - TDM), multipleksnu razdiobu frekvencija (engl.

Frequency-division Multiplexing - FDM) ili tehnike multipleksiranja razdiobe valne duljine

(engl. Wavelength-division multiplexing - WDM), koristeći samo one svjetlosne izvore i

jedan sustav detektiranja. Sve to pridonosi značajno nižoj cijeni mjernog sustava, što je

prikazano na slici 30.

Slika 28: Shematska struktura svjetlovodnih braggovih rešetkiIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


34

Slika 29: FBG reflektirajuća snaga kao funkcija valne duljine Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


Slika 30: Eksperimentalni grupirani pristup za ispitivajući FBG sustav koristeći WDMIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


6.3.2 FBG Vibracijski programski osjetnici

35

Kao što je bilo prije napomenuto, jedinstvena svojstva FBG uređaja čine ih idealnim

za mjerenje veličina kao na primjer naprezanje. Ustvari, najraniji mjerni programi su bili

programi za mjerenje naprezanja i temperature. Vibracije induciraju dinamičke varijacije

naprezanja visokih brzina, i konstantno praćenje pozicije rezonantne valne duljine FBGa

dozvoljava mjerenje tih vibracija. U programima za mjerenje vibracija, valna duljina sustava

za ispitivanje je ključni parametar koji čvrsto određuje programski domet sustava. U slučaju

postizanja visoke brzine ispitivanja FBG senzora za mjerenje vibracija drukčije pristupa, ali

svi izbjegavaju optičku spektralnu karakterizaciju reflektirajućeg svjetla, budući da traje neko

vrijeme te usporava brzinu očitavanja.

Najčešće korišteni optički uređaj za visoke brzine očitavanja baziran je na podjeli dva

ili više različitih komponenata valnih duljina iz reflektirajućeg svjetla FBG, kombiniranih sa

konvencijalnim optičko-elektroničkim detektorom baziranim za mjerenje inteziteta. Takva

pasivna mjerenja podjele diferencijalnog inteziteta svijetlosti mogu dospijeti do brzine

ispitivanja od 50 kHz. Kao što je već bili prikazano, kada se FBG izloži naprezanju, valna

duljina svjetlovodnog bragga podložna je varijacijama. Mogući eksperimentalni pristup za

mjerenje naprezanja je standardno postavljanje reflekcije, te je prikazano na slici 31. U tom

slučaju koristi se široki opseg izvora svjetla. Reflektirajući Bragg signal koji se vraća preko

sprežnika (3 dB) prenaša se drugom sprežniku ovisnom o valnoj duljini. Budući da se

refleksija FBG spektralno mijenja sa naprezanjem, signali koji dolaze iz sprežnika ovisnom o

valnoj duljini će varirati intezitetom prema tome kako se FBG rasteže. Da bi se mjerili takvi

signali, moguće je koristiti jednostavnu elektronsku obradu i pomoću nje prikazati napon

direktno proporcionalnom naprezanju FBGa. Ove elektroničke mjerne razine omogućavaju

visoku brzinu ispitivanja. Ostali uređaji su bili izvješteni sa drukčijim konceptima gdje je

valna duljina određenog uređaja zamjenjena sa neuravnoteženim Marh-Zender

interferometrom. Jedan od načina je fazno modulirani uređaj sa rastezljivim piezoelektrični

uređajem i detektorom povratne informacije protoka kompenzirane faze. [1]

Sličan pristup je objavio Cusano i njegovi suradnici. Reflektirajuća svjetlost iz FBG

senzora je selektivno podijeljena pomoću optičkog filtera podešen sa bragg valnom duljinom

FBGa, kao što je to prikazano na slici 32. Reflektirajući signal iz FBG senzora je podijeljen u

dvije komponente pomoću optičkog filtera, prema tome kad je vruhanac bragg istisnut uslijed

naprezanja dvije mjerne komponente variraju svoje ralcije ovisno jedna o drugoj.

Takvo pasivno grupiranje demoduliranog sistema dopušta potpuno elektroničko

ispitivanje, stoga se dinamičko naprezanje (vibracije) može mjeriti na visokim frekvencijama

(do 400 kHz). Ustvari, brzina ispitivanja ovakvih sustava je ograničena samo stanjem

36

elektroničkih mjerenja. Takav specifični uređaj je uspješno primjenjen za mjerenje seizmičkih

aktivnosti kao što je prikazano na slici 33. U tom slučaju, tri različita FBG senzora konstantno

očitavaju i uspoređuju sa konvencijalnim ubrzivačem koristeći uređaj prikazan na slici 24. [3]

Slika 31: Mjerenje vibracija i naprezanja koristeći FBG senzoreIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


37

Slika 32: Eksperimentalni prikaz sustava za dinamička naprezanja sa jednim FBGIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


38

Slika 33: Prikaz odziva FBG sizmičkog senzoraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,


39

7. Zaključak

U prvom dijelu rada prikazane su osnove prijenosa energije pomoću svjetlovodnih

niti. Prijenos energije odvija se na svjetlovodnim valnim duljinama od infracrvenog do

ultraljubičastog spektra. Prijenosni mediji su najčešće izrađeni od silicijevog dioksida, u

novije vrijeme izrađuje se i od plastike. U tehnici svjetlovodne niti koriste se kao jednomodne

i višemodne niti. Višemodne niti se koriste za prijenos signala manjih prijenosnih brzina na

kraćim udaljenostima, dok se jednomodne niti koriste za velike prijenosne kapacitete i

udaljenosti. Svjetlovodne niti su predviđene za primjenu u prijenosnim mrežama i zato moraju

zadovoljiti pojedine zahtjeve kao i električni vodovi.

U nastavku rada su prikazane mogućnosti mjerenja prigušenja i disperzije prenošene

energije u svjetlovodnim nitima. Disperziju možemo objasniti kao promjenu amplitude

impulsa u svjetlovodu koja dovodi do izobličenja signala. Određuje se na osnovu

uspoređivanja širine impulsa na ekranu osciloskopa koji se vraćaju nakon uzastopnih

cirkulacija u svjetlovodu sa širinom ulaznog impulsa.

Iako svjetlosni izvori u svjetlovodne sustave izručuju relativno malu snagu, potrebno je

poštivati mjere zaštite očiju od laserskog zračenja, tj ne smije se gledati u svjetlovodnu nit

kada je uključen izvor svjetlosti.

U drugom dijelu rada prikazuju se glavne tehnike svjetlovodnih senzora za mjerenje

vibracija. Predstavljen je osvrt različitih tehnika senzora za mjerenje vibracija. Prvo su

predstavljeni senzori bazirani za mjerenje inteziteta, prikazivajući postavu koja se koristi za

mjerenje vibracija. Takav tip senzora može se koristiti u dvije svrhe: kao reflektirajući i

prijenosni način rada. Međutim visoka ovisnost mjerne preciznosti prema izvoru razine snage

je slaba točka senzora baziranih na intezitetu vibracija u odnosu s ostalim tehnikama

predstavljene u radu. Fabry-Perot mjerači vibracija su karakterizirani sa boljom rezolucijom i

brzinom rada. Nekoliko uređaja može se realizirati koristeći tu strukturu senzora. Zbog tih

karakteristika i prednosti, Fabry-Perot senzori se smatraju najraširenijom tehnikaom koja se

koristi za detektiranje vibracija u svjtlovodnom području. Naposlijetku, tehnike svjetlovoda sa

Braggovom rešetkom za mjerenje vibracija imaju jedinstvenu brzinu i kapacitet

multipleksiranja valne duljine. Visoka brzina tehnike ispitivanja su potrebne da bi se

detektirale visoko frekventne oscilacije. Moglo bi se reći da svjetlovodni senzori mogu

doprinijeti točnosti, izdržljivosti i ekonomskoj konfiguraciji za mjerenje vibracija, uz to još

povećavajući opseg programa i otvaranja novih polja istraživanja.

40

Optički senzori za mjerenje vibracija na brodu posjeduju značajne prednosti koje

opravdavaju njihovu uporabu ponajviše na brodovima ali i drugim objektima kao što su

zrakoplovi, naftne bušotine, elektrane itd. Neke od najvažnijih prednosti su male dimenzije i

težina, veliki kapacitet podataka, jeftinije polaganje kabela na brodu, smanjenje težine kabela,

nisu podložni utjecajima vanjskih elektromagnetskih smetnji, nemogućnost pojave iskrenja,

kratkog spoja ili požara, smanjeni troškovi održavanja te se vijek trajanja svjetlovodnog

sustava podudara sa vijekom trajanja broda.

Iako cijena takvih sustava koji su uvelike pouzdaniji i sigurniji je još uvijek znatno viša

u usporedbi sa klasičnim sustavima, kroz razvoj novih sistema sve je pristupačnija za

ugradnju na brodove te pruža efikasniji prijenos podataka i mjerenja električnih i

neelektričnih veličina.

41

8. Popis tablica

Tablica 1: Karakteristike svjetlovodnih niti................................................................................4

Tablica 2: Karakteristike svjetlovoda za instalaciju na brodove..............................................15

9. Popis slika

Slika 1: Princip rada svjetlovodnog sustava...............................................................................2

Slika 2: Konstrukcija svjetlovodne niti s primarnom zaštitom...................................................3

Slika 3: Vrste svjetlovodnih niti.................................................................................................5

Slika 4: Blok shema impulsno-lokacijeske metode....................................................................7

Slika 5: Oscilogram impulsnog mjerenja....................................................................................7

Slika 6: Karakterističan reflektogram spojeva na svjetlovodnoj niti..........................................8

Slika 7: Dijagram ovisnosti relativne amplitude impulsa o vremenima kojem su prikazani

njegovi parametri.......................................................................................................12

Slika 8: Blok shema za određivanje disperzije u vremenskom području.................................13

Slika 9: Klasifikacija svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija..........................................17

Slika 10: Napredak senzora baziranim na intezitetu.................................................................18

Slika 11: Konfiguracija za sustav modulacije inteziteta...........................................................19

Slika 12: Struktura mikrosavijajućeg senzora...........................................................................20

Slika 13: Prikaz svjetlovodnog mikrosavijajućeg senzora za mjerenje visokog tlaka i

detektiranje pucanja...................................................................................................20

Slika 14: Konfiguracija dinamičke zamjene senzora baziranima na intezitetu........................21

Slika 15: Shematski prikaz eksperimentalnog pristupa svjetlovodnog senzora za mjerenje

frekvencije vibracija...................................................................................................22

Slika 16: Plastični svjetlovodni sustav......................................................................................23

Slika 17: Napredak Fabry-Perot senzora za mjerenje vibracija................................................23

Slika 18: Opća struktura intrinzičnih Fabry-Perot interferometra............................................24

Slika 19: Struktura ekzintričnog Fabry-Perot interferometra...................................................25

Slika 20: Shematski prikaz reflektirajućeg EFPI senzora spojenim sa svjetlovodnom niti i

mjernim sustavom......................................................................................................26

42

Slika 21: Shematski prikaz Fabry-Perot interferometra za analizu vibracija sa dvije šupljine 27

Slika 22: Fabry-Perot interferometar za detekciju vibracija.....................................................29

Slika 23: Sustav IFFPI zajedno sa svjetlovodnom niti kao akcelerator....................................29

Slika 24: Shematski prikaz visoko rezolutnog demultipleksiranog svjetlovodnog Fabry-Perot

senzora.......................................................................................................................30

Slika 25: Fabry-Perot interferometar formiran pomoću dva SMF i HCF, poznat kao intrinzični

etalon svjetlovod ( ILFE)...........................................................................................30

Slika 26: Shematski prikaz kalibriranog sustava mjernog pretvarača koristeči inzintrične

etalon vlakna..............................................................................................................31

Slika 27: Napredak FBG vibracijskih senzora..........................................................................32

Slika 28: Shematska struktura svjetlovodnih braggovih rešetki...............................................34

Slika 29: FBG reflektirajuća snaga kao funkcija valne duljine................................................35

Slika 30: Eksperimentalni grupirani pristup za ispitivajući FBG sustav koristeći WDM........35

Slika 31: Mjerenje vibracija i naprezanja koristeći FBG senzore.............................................37

Slika 32: Eksperimentalni prikaz sustava za dinamička naprezanja sa jednim FBG...............38

Slika 33: Prikaz odziva FBG sizmičkog senzora......................................................................39

43

10. Skraćenice

Skraćenica Engleski naziv Hrvatski naziv

ADP Avalanche Photo Diode Lavinska foto dioda

CMDA Code Division Multiple Acess Kodirane divizije sa višesturkim pristupom

EFFPI Extrinsic version of the Fabry-Perot Interferometer

Ekstrinzična verzija Fabry-Perot interferometra

EMI Electromagnetic Interference Elektromagnetske smetnje

FBG Fiber Bragg Gratings Svjetlovodne Braggove rešetke

FDM Frequency-division Multiplexing Multipleksna razdioba frekvencija

FFPI Fiber Fabry-Perot Interferometer Vlakno Fabry-Perot interferometra

FPI Fabry-Perot Interferometer Fabry-Perot interferometar

HCF Hole-Core Fiber Jezgra šupljine vlakna

IBS Intensity Based Senzors Senzori bazirani na intezitetu vibracija

IFFPI In-fiber Fabry-Perot Interferometer Intrinzični Fabry-perot interferometar

ILFE In-line Etalon Fiber Intrinzično etalon svjetlovodno vlakno

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Pojačanje svjetla poticanjem emisije zračenja

LED Light Emmiting Diode Svjetleća dioda

MZI Mach-Zehnder Interferometer Mach-Zehnder interferometar

NA Numerical Aperture Numerički otvor

OTDR Optical Time Domain Reflectometer Svjetlovodni impulsni reflektometar

PCF Photonic Crystal Fiber Fotonično kristalno vlakno

PMMA Poly methyl methacrylate Polimetil metakrilat

POF Polymer Optical Fiber Multimodno plastično optičko vlakno

44

PVDF Polyvinylidene fluoride Polyvinylidene florid

SMF Single Mode Fiber Jednostavno svjetlovodno vlakna

TDM Time-division Multiplexing Multipleksna razdioba vremena

TDR Time domain reflectometer Impulsni reflektometar

WDM Wavelength-division multiplexing Multipleksna razdioba valne duljine

WT Wavlenght transform Pretvorba valne duljine

45

Literatura

[1] Lopez-Higuera, J. M.: Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, John Wiley &

Sons Ltd, Chichester England, 2002.

[2] Dakin, J. P., Brown, R. G. W.: Handbook of Optoelectronics Volume I&II, Taylor &

Francis Group, New York, 2006.

[3] Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical

Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.

[4] Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br

2., 2008., str. 271-282.

[5] Svalina, M.: „Vlaknasto-optički senzori za vibraciju i mjerenje naprezanja – pregled“,

Naše more, 2009., str. 33-41.

46

Documents

Optički senzori