13. Czujniki światłowodowe

Czujniki światłowodowe to nowa generacja czujników.

Zalety czujników światłowodowych

• są bardziej czułe od dotychczas znanych;

• ze względu na niewielkie rozmiary możliwe są do zastosowania w każdych warunkach;

• dielektryczne własności materiału, z którego wykonywane są światłowody pozwalają na zastosowanie ich w warunkach zakłóceń elektromagnetycznych.

Zasada działania

Zasada działania czujników światłowodowych opiera się na modulacji jednego z parametrów fali świetlnej, propagującej się w światłowodzie, przez mierzoną wielkość fizyczną.

Podział czujników światłowodowych

Czujniki światłowodowe dzieli się ze względu na rodzaj modulacji. Modulowana może być:

• amplituda;

• faza;

• polaryzacja;

• częstotliwość lub inne parametry opisujące transmitowaną falę świetlną.

Czujnik amplitudowy

Czujniki amplitudowe odległości wykorzystują zjawisko odbicia.

Podstawowymi elementami czujnika są:

- wiązka lub włókno doprowadzające światło

- wiązka lub włókno odprowadzające światło odbite

- powierzchnia odbijająca

dwuwłóknowy jednowłóknowy

Wiązka światłowodów lub pojedynczy światłowód doprowadzający światło oświetla powierzchnię odbijającą. Odbite światło wnika do wiązki światłowodów odbiorczych lub pojedynczego światłowodu. Gdy powierzchnia odbijająca oddala się od głowicy pomiarowej wiązka światła odbitego, oświetla coraz większą powierzchnię i stożek światła w coraz mniejszym stopniu wnika z powrotem do światłowodu lub światłowodów odbiorczych. Wraz ze wzrostem odległości pomiędzy głowicą i powierzchnią odbijającą maleje natężenie promieniowania wchodzącego do światłowodu.

28. Interferometry światłowodowe

Oddziaływanie zewnętrznych czynników na światłowód jednodomowy, powodujących jego zmianę długości, średnicy a także współczynnika załamania powoduje modulację fazy świetlnej prowadzonej przez światłowód. Zjawisko to zostało wykorzystane do budowy światłowodowych czujników interferencyjnych.

W interferometrach światłowodowych przemieszczenie prążków interferencyjnych jest proporcjonalne do wywołanych zewnętrznymi wpływami zmian fazy świetlnej w światłowodzie. Efekt ten jest wykorzystywany w czujnikach interferencyjnych do pomiaru zmian fizycznych parametrów środowiska otaczającego światłowód. Poniżej przedstawiono dwa typowe układy interferometrów światłowodowych, Younga i Macha -Zehndera. Wyboru układów dokonano ze względu na różne sposoby detekowania prążków interferencyjnych w obu interferometrach.

• Interferometr Younga

Wiązka świetlna, wychodząca z dostatecznie małego źródła Z, oświetlała przesłonę E₁ z dwoma małymi otworkami S₁ i S₂, które zgodnie z zasadą Huygensa stają się wtórnymi źródłami fal świetlnych sferycznych. Fale te nakładają się na siebie i mogą wzajemnie interferować. Interferencję w postaci na przemian jasnych i ciemnych (minima i maksima interferencyjne) prążków można zaobserwować na ekranie E₂, umieszczonym w pewnej odległości za przesłoną E₁.

• Interferometr Macha-Zehndera

Wiązka świetlna z lasera jest wprowadzana do jednego z wejść jednomodowego światłowodowego sprzęgacza typu X. W sprzęgaczu tym następuje podział mocy wprowadzonej wiązki światła do ramienia odniesienia o długości L_o i sygnałowego o długości L_s. Wiązki światła po przejściu przez ramiona interferometru przechodzą przez drugi sprzęgacz jednomodowy, interferując ze sobą. Wynik interferencji rejestrowany jest na fotodetektorze.

6

1. 2.

3. 4. 5

Rus.5 Schemat układu pomiarowego .

Opis schematu:

1. Laser czerwony spolaryzowany liniowo

2. Obiektyw o powiększeniu 40x

3 i 4 Sprzęgacze dla światłowodów jednomodowych dla długości fali 633 nm

5 i 6 Kamera z monitorem lub detektor rejestrujący sygnały

L_s - ramię sygnałowe

L_o - ramię odniesienia

L_o

L_s

---