Prezentacja programu PowerPoint - zif.mchtr.pw.edu.plzif.mchtr.pw.edu.pl/download/119.pdf · Technika światłowodowa Samolot przyszłości z „inteligentnym” silnikiem i poszyciem,

Technika światłowodowa

Czujniki światłowodowe

Pomiar wielkości fizycznych zaburzających propagacjępromieniowania

Ogólny schemat →

← czujnik zewnętrzny

i wewnętrzny →


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


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


Systematyka czujników






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


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


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


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


MIGAWKI - mierzymy przesunięcie elementu przesłaniającego

siatkasiatka

prąż

ki m

ory

światłowód światłowód

mikrosoczewka mikrosoczewka

światłowód światłowód

soczewka sferyczna


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.


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


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


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


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


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


• 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


• 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)


• 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


• 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 – M. KujawińskaCzujniki rozproszone i quasi rozproszone - 24 -

Czujniki rozproszone i quasi rozproszone


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


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


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


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


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


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


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


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


źródłomodulator

MULTIPLEKSJA CZASOWA - przykładsensory mikrozgięciowe

echo z najdalszego sensora wraca w czasie pojedynczej repetycji

impulsu

odległość sensorów taka, aby można było rozdzielić „echa”


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


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”


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


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


Sieci czujników

Idea prostej sieci

ze sprzęgaczem multipleksowym

i demultiplekserem

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


Zastosowania czujników


Technika światłowodowa – M. KujawińskaCzujniki interferometryczne - 40 -

Czujniki interferometryczne


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)


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


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∝+=


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


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.)


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



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.


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


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





Documents

Prezentacja programu PowerPoint - zif.mchtr.pw.edu.plzif.mchtr.pw.edu.pl/download/119.pdf · Technika światłowodowa Samolot przyszłości z „inteligentnym” silnikiem i poszyciem,