65
Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana Primena senzora od Primena senzora od optičkih vlakana u optičkih vlakana u j hii mernoj tehnici 1

Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primena senzora odPrimena senzora od optičkih vlakana uoptičkih vlakana u

j h i imernoj tehnici

1

Page 2: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

T i ij k f l ijSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Trigonometrijska formulacijazakona prelamanja svetlostip j

Pri prelazu iz jedne u drugu sredinu menja se fazna brzinal i i i i j l i Osvetlosti, a time i pravac prostiranja svetlosti. Ova promena pravca

pri prolazu kroz graničnu površinu naziva se prelamanje svetlosti.

2

Page 3: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

T i ij k f l ijSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Trigonometrijska formulacijazakona prelamanja svetlostip j

Upadni zrak, normala na graničnu površinu u tački prodora zrakakroz ovu površinu (tzv upadna normala) i prelomljeni zrak leže ukroz ovu površinu (tzv. upadna normala) i prelomljeni zrak leže uistoj tzv. upadnoj ravni.

3

Page 4: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

T i ij k f l ijSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Trigonometrijska formulacijazakona prelamanja svetlostip j

Proizvod ineksa prelamanja i sinusa odgovarajućeg ugla ima istud i d i i ič ši i i ijvrednost ispred i iza granične površine i zove se invarijanta

prelamanja svetlosti.

'i'i 'sin'nsinn ε=ε

n n'n n

4

Page 5: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

T i ij k f l ijSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Trigonometrijska formulacijazakona prelamanja svetlostip j

Odnos apsolutnih indeksa prelamanja prve i druge sredine n12i l i i i d k l j ih d j dinaziva se relativni indeks prelamanja ovih dveju sredina.

n'sin ε12n'nsin

==ε

5

Page 6: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

G ij k f l ij kSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Geometrijska formulacija zakona odbijanja svetlostij j

• Upadni i odbijeni zrak se nalaze u upadnoj ravni.• Odbojni ugao (ugao koji odbijeni zrak gradi sa normalom)

je jednak upadnom uglu:

'ε−=ε

6

Page 7: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Totalna unutrašnja refleksija

ε=ε sin'nn'sin

1'sinn'n <ε⇒>

⎞⎛ '⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ≤ε⇔<ε⇒<

n'nsin1'sinn'n

1'n

relg n

1n'nsin ==εKritični (granični) ugao:

⇒ε>ε gsvetlost se u tom slučaju ne prelama, nego se odbija od granične površine

7

j g p

Page 8: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Totalna unutrašnja refleksija

o4330961461n ÷=ε⇒÷= g 433096.146.1n ÷=ε⇒÷=

Ako je granična površina čista, glatka i neograničena, pri totalnojo je g č pov š č s , g eog če , p o ojrefleksiji nema energetskih gubitaka; praksa je pokazala da jeodnos odbijenog i upadnog intenziteta pri totalnoj refleksiji veći

8nego kod metalnih ogledala.

Page 9: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Pod funkcionalnim elementima za vođenje svetlostipodrazumevaju se oni optički elementi koji kod kojih prenošenjesvetlosnog fluksa ne služi prvenstveno optičkom preslikavanju.

Optički kablovi su savitljivi optički elementi koji prenosesvetlosni fluks od jednog do drugog kraja kabla. Svetlost se

i i l ih fl k ij kih ičkih l kprenosi nizom totalnih refleksija unutar tankih optičkih vlakana.

9

Page 10: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Optička vlakna se izrađuju od visokotransparentnih materijala (staklo,k l ič ) I d k l j ij l d k jkvarc, plastične mase). Indeks prelamanja materijala od koga jeizrađeno jezgro optičkog vlakna veći je od indeksa prelamanja tankogomotača: n > n a potrebno je i da upadni ugao zraka na omotač εomotača: nj > no, a potrebno je i da upadni ugao zraka na omotač ε2bude veći od graničnog ugla totalne refleksije.

10

Page 11: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Primena optičkih kablova:• u medicini, za osvetljavanje nepristupačnih mesta kao što

su telesne duplje,• za prenos slike,• za prenos informacija u tehnici komunikacija,• za izradu senzora.

11

Page 12: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlosti

Digitalni električni impulsi (kodirana informacija) pobuđujupoluprovodnički element (emitersku diodu) koji ih transformiše u

j

poluprovodnički element (emitersku diodu), koji ih transformiše usvetlosne impulse i emituje kroz čeonu površinu optičkog vlakna;na kraju optičkog vlakna nalazi se prijemnik u obliku fotodiode ilij p g p jfototranzistora koji svetlosne impulse transformiše ponovo uelektrične. Pošto je ovaj signal znatno slabiji od emitovanogimpulsa potrebno ga je pojačati odgovarajućim pojačivačkimkolom.

12

Page 13: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Optokapler se sastoji od emiterske diode, svetlovoda i prijemnediode. Optička vlakna su umetnuta u odgovarajuće cilindričneotvore i fiksirana gumenim omotačem.

13

Page 14: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Prednosti optičkih vlakana u odnosu na vodove od bakra:• manji prečnik• manji prečnik,• znatno manja masa,

liki k it t i f ij• veliki kapacitet prenosa informacija,• manji gubici,

t ji i f ij bli i i j kih lji ih• nema smetnji u prenosu informacija u blizini jakih promenljivih električnih polja,

• ne stvara se dodatno zračenje pa je prenos informacija zaštićen• ne stvara se dodatno zračenje, pa je prenos informacija zaštićen,• nema potencijala,

nema opasnosti od paljenja tako da mog da se koriste i14

• nema opasnosti od paljenja, tako da mogu da se koriste i u eksplozivnim sredinama.

Page 15: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Elementi za međusobnu vezu svetlovoda kao i svetlovoda sa15

Elementi za međusobnu vezu svetlovoda, kao i svetlovoda sa emiterom, prijemnikom i kućištem

Page 16: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

Primer: Indeksi prelamanja materijala od kojih su izrađena optičkavlakna iznose nj = 1.60 i n = 1.52 Za optičko vlakno prečnikavlakna iznose nj 1.60 i no 1.52. Za optičko vlakno, prečnikadj = 30μm i dužine l = 500mm, čije završetke okružuje vazduh,odrediti:• najveći dozvoljeni upadni ugao paralelnog svetlosnog snopa načeonu površinu optičkog vlakna,

• broj refleksija zraka koji na čeonu graničnu površinu optičkogvlakna pada pod najvećim dozvoljenim upadnim uglom i čija

t j l ži idij l k tičk l kputanja leži u meridijalnom preseku optičkog vlakna,• stvarnu dužinu puta zraka kroz optičko vlakno za najveći

dozvoljeni upadni ugao na čeonu graničnu površinu optičkog16

dozvoljeni upadni ugao na čeonu graničnu površinu optičkogvlakna.

Page 17: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

17

Page 18: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

g2og2j 'sinnsinn ε=ε

o

j

og2g2 8.71

nnarcsin1'sin ==ε⇒=ε

( ) ( )g2omax12

o1

o12 90'90'90' ε−−=ε⇒ε−−=ε⇒=ε−ε

18

Page 19: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

( )g2omax1 90' ε−−=ε

( ) oo

max1jmax1

3090sinnsin1n

'sinnsinn

−=ε⇒ε−−=ε⇒=

ε=εg

( ) max1g2jmax1 3090sinnsin1n =ε⇒ε=ε⇒=

19

Page 20: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

l

5478tgdlntg

dn

g2jrefg2

j

ref =ε

=⇒ε=

20

Page 21: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

O ički k bl i k f k i l iSenzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Optički kablovi kao funkcionalni elementi za vođenje svetlostij

3526nlldlll jj mm3.526nl

sincostgdlnl

o

j

g2g2

j

g2j0refs ==

ε=

εε==

21

Page 22: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Prostiranje svetlosti kroz optičko vlakno zasniva se na principutotalne refleksije. Svetlost odaslata sa optičkog izvora kreće sek d šilj čk tičk l k i i t t l fl k ijkroz odašiljačko optičko vlakno prema principu totalne refleksije,izlazi iz njega i reflektuje se od mernog objekta. Tako reflektovanusvetlost prihvata prijemno optičko vlaknosvetlost prihvata prijemno optičko vlakno.

22

Page 23: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Prihvaćeni reflektovani svetlosni signal nastavlja da se kreće krozprijemno optičko vlakno prema principu totalne refleksije do

t l kt k t č k ji tl i i l toptoelektronskog pretvarača, koji svetlosni signal pretvara uelektrični. Zbog razlike u odbijanju svetlosnog snopa odrefleksione površine na prijemnom optičkom provodniku razlikujerefleksione površine, na prijemnom optičkom provodniku razlikujese i karakteristika primljenog signala svetlosti.

23

Page 24: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Karakteristika senzora može biti statička i dinamička. Statičkakarakteristika se dobija tako što se zada vrednost ulazne veličine,č k d i l j i d čit d tsačeka da se smire sve prelazne pojave i onda očita vrednost

izlaza. Postupak se ponavlja tako što se zadaju nove vrednostiulaza očitavaju vrednosti izlaza i na osnovu dobijenih vrednostiulaza, očitavaju vrednosti izlaza i na osnovu dobijenih vrednosticrta se karakteristika ulaz-izlaz.

24

Page 25: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Dinamička karakteristika senzora opisuje ponašanje senzora nakonšto se merena veličina promenila, pa do trenutka kada se na izlazu

t i t i t jponovo uspostavi stacionarno stanje.

25

Page 26: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakanaOblik karakteristike senzora zavisi od prečnika optičkog kabla,rastojanja između optičkih kablova, osobina refleksione površine ioptoelektronskih pretvaračaoptoelektronskih pretvarača.

26

Page 27: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakanaPoznavanjem uticaja parametara na karakteristike, senzor može da seoptimalno podesi prema problemu merenja. To se odnosi i na oblastmerenja rastojanja pri merenju geometriju ugradnje Važna osobinamerenja, rastojanja pri merenju, geometriju ugradnje. Važna osobinasenzora je da može da radi u dve merne oblasti.

27

Page 28: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakanaU prvoj mernoj oblasti je karakterističan veliki nagib karakteristikepri maloj promeni rastojanja. Druga merna oblast je veća i nagibkarakteristike je manji Maksimalna karakteristika označava se kaokarakteristike je manji. Maksimalna karakteristika označava se kaooptički vrh. Visina optičkog vrha (pika) može da se primeni zanormiranje karakteristike.j

28

Page 29: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakanaJedan senzor od optičkih vlakana sastoji se iz 3 komponente:

• vrh senzora, u kome se nalazi optički aktivna čeona površinaoptičkog kabla odašiljača i prijemnika,

• provodnik svetlosti, služi za prenošenje optičkih mernih signala;izrađuju se od stakla ili PVC-a i obmotani su jednim PVC ilimetalnim omotačem radi zaštite od mehaničkih i hemijskihuticajauticaja,

• OEW modul, služi za spajanje optoelektronskih pretvarača isvetlosnih provodnika; ova jedinica integrisana je u jednomsvetlosnih provodnika; ova jedinica integrisana je u jednomdvadesetopolnom Sub-D utikaču.

29

Page 30: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

30Senzori sa staklenim vlaknima sa PVC-metalnim omotačem

Page 31: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Analogna jedinica za obradu signala pretvara signale koji dolazesa senzorske glave u vrednosti napona koje su proporcionalne

ki k kt i tiksenzorskim karakteristikama.

31

Page 32: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Primena:

32

Page 33: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Primena:

33

Page 34: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Primena:

34

Page 35: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Senzori izrađeni od optičkih vlakana

Primena:Primena:

35

Page 36: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Najstariji tip ovog senzora radi na principu refleksije svetlosti odpovršine pokretnog objekta. Normalno na objekat postavljena sup p g j j p jdva optička vlakna. Dovodno vlakno je povezano sa laserskimizvorom svetlosti, a prijemno vlakno je povezano sa fotodiodama.

36

Page 37: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Izlazni signal zavisi od rastojanja između objekta i optičkihvlakana. Za rastojanje x = 0 i x = ∞ i na fotodiodama nemaj jsignala, dok izlazni signal ima maksimum za neku vrednost .

37

Page 38: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Statička karakteristika senzora ( )_

maxu u u f x d= =ima maksimum za: x d≈Sa je označen maksimalni napon na prijemniku pri maxu

38direktnom spoju prijemnik-predajnik.

Page 39: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Drugi tip senzora pomeraja na bazi optičkog vlakna primenjuje se zaneprovidne objekte Dva optička vlakna postavljena su tako da jeneprovidne objekte. Dva optička vlakna postavljena su tako da jeizmeđu njih zazor . U zazoru se nalazi pokretni objekat. Izlaznisignal se menja za pomeranjem objekta ako je zadovoljen uslov da

Δsignal se menja za pomeranjem objekta ako je zadovoljen uslov daje objekat veći od prečnika vlakna ( ).vd 2r≥

Page 40: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Izlazni signal je proporcionalan osvetljenom delupoprečnog preseka vlakna u opsegu koji se utvrđuje

_

maxu u u=_ _poprečnog preseka vlakna , u opsegu koji se utvrđuje

kalibracijom. Karakteristika senzora zavisi od početnog položaja, tj.od vrednosti . . Ova statička karakteristika je linearna za

vr r rΔ = Δ

__

0 0r r rΔ = Δod vrednosti . . Ova statička karakteristika je linearna za0 0 vr r rΔ Δ__

00,6 r 1,4≤ Δ ≤

Page 41: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje linearnog pomerajaj g p j

Izlazni signal zavisi od zazora Δ između vlakana i rastojanja ρizmeđu njihovih osa Ako je u toku mernog procesa jedna od ovihizmeđu njihovih osa. Ako je u toku mernog procesa jedna od ovihveličina konstantna, druga se može dovesti u vezu sa pokretnimobjektom i meriti njegovo pomeranje. U tom smislu se razlikuju Δ-objektom i meriti njegovo pomeranje. U tom smislu se razlikuju Δsenzor i ρ-senzor.

Page 42: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje pritiskaj p

Deformacijom membrane od silicijuma (elastični element) moduliše se intenzitet svetla. Svetlost od laserske diode kao izvora svetlosti preko odašiljačkog optičkog vlakna, pada na membranu, od koje se reflektuje, vraća se u prijemno vlakno i preko njega na prijemnik svetlosti.

Page 43: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje pritiskaj p

Membrana se dobija nagrizanjem silicijumskog vafera pomoću kalijumove baze (debljine 10μm i prečnika manjeg od 1 mm). j ( j μ p j g )Opisanim senzorom prati se ugib membrane preko promene u prijemnom intenzitetu svetlosti.

Page 44: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje pritiskaj p

Na ovom principu napravljen je senzor namenjen za merenjepritiska u motorima SUS. Karakteristike ovakvog senzora sup gizvanredne: rad na temperaturi do 400 oC , neosetljivost naelektromagnetne smetnje i koroziju, primenljivost u eksplozivnimsredinama, male dimenzije, merno područje od 0-7 bar do 0-200 bar,linearnost 0.25% , frekventno područje od 0,01 Hz do 30kHz.

Page 45: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Senzor temperature sa optičkim vlaknom inicijalno je napravljen zaupravljanje mikrotalasnom hipertermijom kod nekih medicinskihtretmana Zbog potpune neosetljivosti na elektromagnetne smetnjetretmana. Zbog potpune neosetljivosti na elektromagnetne smetnjesenzor sa optičkim vlaknom pokazao se kao odlično rešenje, pa jenjegova primena proširena i na druge oblasti gde su prisutne takvej g p p g g psmetnje. Na primer, koristi se za merenje temperature namotajageneratora, transformatora ili motora velike snage.

Page 46: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Kao primarni senzorski element služe prirodni fosfor ili kristal , jersu izraziti luminifori (elementi koji pod dejstvom energije svetlostiemituju svetlost) Svetlost koju emituje LED dioda prolazi optičkimemituju svetlost). Svetlost koju emituje LED dioda prolazi optičkimvlaknom do primarnog elementa i izaziva njegovufotoluminiscenciju, tj. dovodi do emitovanja hladne svetlosti nakonj , j japsorbovanja energije fotopobude.

Page 47: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Kada je pobuda jedan kratki impuls, intenzitet fotoluminiscentnogsignala opada eksponencijalno, a vreme njegovog trajanjaproporcionalno je temperaturi T. Informacija o temperaturi dobija seiz odnosa izmerenih intenziteta

1 2 :I I( ) −t t( ) ( )

= 2 1

1 2lnt t

TI I

τ

Page 48: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Drugi tip senzora se dobija na napred opisani način. Fluorescentnisignal kreće se kroz vlakno zahvaljujući totalnoj unutrašnjojrefleksiji Ako se komad omotača vlakna zameni luminiforom ( Sirefleksiji. Ako se komad omotača vlakna zameni luminiforom ( Sistaklo dopirano retkim elementima), tada će se narušiti principitotalne refleksije i jedan deo zraka će se, zavisno od temperature,j j , p ,probiti i raspršavati u omotaču, tako da do prijemnika stiže slabijiintenzitet svetlosti.

Page 49: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Treći tip fluorescentnog senzora dobija se kada se jedan deo kablazameni temperaturno osetljivim luminiforom. Promena temperaturepovećava apsorpciju i smanjuje intenzitet svetlosti na mestu prijemapovećava apsorpciju i smanjuje intenzitet svetlosti na mestu prijema.

Page 50: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje temperaturej p

Merni opseg senzora temperature sa optičkim vlaknom ifluorescentnim primarnim elementom ima merni opseg od -50oC do+250oC tačnost do ±0 1oC brzinu odziva 0 5s Odlikuje se malim+250oC, tačnost do ±0.1oC , brzinu odziva 0.5s. Odlikuje se malimdimenzijama, visokom pouzdanošću i osetljivošću i otpornošu nafizička oštećenja.j

Page 51: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Automatizovano merenje hrapavosti zasniva se na korišćenjuoptoelektronskog skenera sa optičkim vlaknima. U unutrašnjemkrugu prečnika D smeštena su optička vlakna koja dovode svetlostkrugu prečnika D1 smeštena su optička vlakna koja dovode svetlost,a u prstenu D2 – D1 optička vlakna koja primaju difuzno svetlo sahrapave površine.p p

Page 52: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Slučajne varijacije hrapavosti karakterišu se standardnimodstupanjem σ i korelacionom dužinom površine T. Snagadifuzione svetlosti P u prijemnim vlaknima opisuje se jednačinom:difuzione svetlosti P u prijemnim vlaknima opisuje se jednačinom:

( ) ( )= ⋅ ⋅ 0,P T K d Iβ σ( ) ( ) 0,P T K d Iβ σ

Page 53: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

( ) ( )( ) ( )= ⋅ ⋅ 0,P T K d Iβ σ

I i i l i i l i d d ih l kIo - intenzitet svetlosti na izlazu iz dovodnih vlakana,K (d) - funkcija udaljenosti skenera od površine,β - koeficijent koji zavisi od karakteristika vlakna i slučajnihβ - koeficijent koji zavisi od karakteristika vlakna i slučajnih

varijacija hrapavosti.

Page 54: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Maksimalna vrednost snage primljene difuzne svetlosti Pmaxd iž k i d đ j d lj i d d k j i i ddostiže se uvek pri određenoj udaljenosti d = dc , koja zavisi odkonstrukcije skenera, a naročito od rasporeda optičkih vlakana uskeneru Varijacije P nastaju kada se promeni hrapavost Rskeneru. Varijacije Pmax nastaju kada se promeni hrapavost Ra,odnosno kada se promene karakteristike površine σ i T .

Page 55: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Svetlost iz He – Ne lasera deli se uoptičkom delitelju; jedan deo idekroz dovodna optička vlaknaskenera do merne površine, a drugid id k f t tičkdeo ide kroz referentna optičkavlakna. Na taj način se kompeziranestabilnost laserskog izvoranestabilnost laserskog izvora.Pretvaranje konstantnog intenzitetasvetlosti u naizmenični ( f = 3.75kHz) vrši se radi eliminacije uticajadnevnog svetla na tačnost merenja.

Page 56: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Dve fotodiode, postavljene nakrajevima dovodnih i referentnihvlakana, daju na svojim izlazimaelektrične signale čija se razlika

j č i i j k l tipojačava i zapisuje kao relativnavrednost P / P0. Koračni motormenja udaljenost d i postupak semenja udaljenost d i postupak seponavlja sve dok se ne odredi Pmax,odnosno hrapavost na toj lokaciji.

Page 57: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje hrapavostij p

Zatim se prelazi na sledećiproizvod. Dobijene vrednosti Pmaxiupoređuju se sa tabelarnimvrednostima nelinearne baždarenek i P (R ) i i t l ijkrive Pmax(Ra) i interpolacijom seračuna odgovarajuća hrapavost Ri.

Page 58: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje vlažnostij

Rad senzora sa optičkim vlaknima zamerenje vlažnosti, zasniva se nakorišćenju fluorescentnih senzora.Moguće su dve varijante zamene dela

t č tičk k bl U jomotača optičkog kabla. U prvojvarijanti se koriste dva vlakna jedno dodrugog Oko jezgra jednog vlaknadrugog. Oko jezgra jednog vlaknastavljena je fluorescentna senzorskaobloga, a intenzitet fluorescencije seregistruje susednim vlaknom oko čijegjezgra na određenom delu nema

t čomotača.

Page 59: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje vlažnostij

U drugoj varijanti koristi se samo jednooptičko vlakno i za dovođenjepobudnog i za odvođenje reflektujućegfluorescentnog zračenja. Talasna dužinafl t č j j j dfluorescentnog zračenja je manja odpobudnog za 50-70 , što omogućavadetekciju fluorescencije sa visokimdetekciju fluorescencije sa visokimodnosom signala i šuma.

Page 60: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje vlažnostij

Pobuđivanje perilendibutirata na fluorescentno zračenje može seostvariti pomoću halogene sijalice sa volframovom niti ili pomoćuplave LED diode. Svetlost iz izvora prvo prolazi krozmonohromator M1 i sočivo za fokusiranje L1, a zatim krozdovodno optičko vlakno pobuđuje senzorski sloj postavljen na cevdovodno optičko vlakno pobuđuje senzorski sloj postavljen na cevkroz koju prolazi testirani vazduh.

Page 61: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje vlažnostij

Povratnim optičkim kablom fluorescenna svetlost se dovodi nasočivo L2, monohromator M2, a onda na fotodiodu FD. Uelektronskom kolu za obradu signala vrši se pojačanje, A/Dkonverzija i formiranje izlaza. U području 20-100 % relativnevlažnosti dobijena je tačnost ±0 1%vlažnosti dobijena je tačnost ±0.1%.

Page 62: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje brzine i protoka fluidaj p f

Na slici je prikazan je anemometar sa optičkimvlaknom Svetlost iz izvora prolazi kroz optičkovlaknom. Svetlost iz izvora prolazi kroz optičkovlakno savijeno u obliku prstena i postavljenonormalno u odnosu na tok fluida. U zavisnosti odbrzine toka fluida, vlakno se savija tako da svetlostkoja izlazi iz prstena ne dolazi u celosti na

ij l k I l i i l i f t ij ik jprijemno vlakno. Izlazni signal iz fotoprijemnika jetako proporcionalan nagibu vlakna u oblikuprstena tj brzini toka fluida Mehaničke osobineprstena, tj. brzini toka fluida. Mehaničke osobinekao senzora pomeraja menjaju se zavisno od dužine„drške”, tj. od lokacije prstena unutar cevovoda, pase kalibracija mora sprovesti za svaku lokacijuposebno.

Page 63: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje brzine i protoka fluidaj p f

Na sledećoj slici je prikazan senzor koji služi zamerenje brzine u providnim fluidima Senzor je umerenje brzine u providnim fluidima. Senzor je ucelosti napravljen od stakla. Krajevi dovodnog iprijemnog optičkog vlakna posebnim postupkomp j g p g p p pistegnuti su i suženi do prečnika od 0,012 mm isavijeni tako da je formirana trouglasta petlja.K j i t lj i č j d d iKrajevi su postavljeni čeono jedan prema drugom ipredstavljaju senzor pomeraja. Sonda se postavljanormalno na tok fluida Zaokretanje horizontalnognormalno na tok fluida. Zaokretanje horizontalnogdovodnog vlakna proporcionalno je brzini fluida.Izlazni signal iz fotodiode linearna je funkcijabrzine.

Page 64: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje brzine i protoka fluidaj p f

Senzor za merenje brzine neprovidnih ielektromagnetnih tečnosti (npr tečni metali)elektromagnetnih tečnosti (npr. tečni metali)prikazan je na slici.Osobina prikazane konstrukcijeje odvojenost od tečnosti senzora pomeraja kaoj j p jprimarnog elementa. Ovaj element je napravljenizvlačenjem tankozide staklene kapilare prečnika0 5 d k il č ik 0 03 0 05 N0,5 mm do kapilare prečnika 0,03-0,05 mm. Naizvučenom delu sa unutrašnje strane zavarena jestaklena nit dužine L i prečnika 0 02 mm sastaklena nit dužine L i prečnika 0,02 mm saneprovidnim slobodnim krajem.

Page 65: Primena Senzora Od Optickih Vlakana u Mernoj Tehnici

Senzori, aktuatori i PLC kontroleri Senzori od optičkih vlakana

Primeri merenja senzorima sa optičkim vlaknimaMerenje brzine i protoka fluidaj p f

Kada se vrh senzora pomeri za Δy, on se zaokreneza ugao θ tako da se slobodni neprovidni krajza ugao θ, tako da se slobodni neprovidni krajpomeri za = ⋅ −r L sin yθΔ ΔU zavisnosti od brzine toka, slobodni kraj nitimoduliše prolaz svetlosti između dovodnog i

ij l k t i l d bij i lprijemnog vlakna, te se na izlazu dobija signalproporcionalan mernoj brzini toka.