1

Ćwiczenie 2b
Model czujnika amplitudowego

1. Czujniki światłowodowe

Czujniki światłowodowe to nowa generacja czujników. Posiadają wiele zalet i ich

zastosowania zwiększają się z roku na rok. 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 czujników światłowodowych opiera się na modulacji jednego

z parametrów fali świetlnej, propagującej się w światłowodzie, przez mierzoną wielkość
fizyczną. Czujniki światłowodowe dzieli się ze względu na rodzaj modulacji. Modulowana
może być amplituda, faza, polaryzacja, częstotliwość lub inne parametry opisujące
transmitowaną falę świetlną.

2. Czujniki amplitudowe odległości

Czujniki amplitudowe odległości wykorzystują zjawisko odbicia. Światłowodowe

czujniki odbiciowe są bardzo rozpowszechnione i często stosowane w kontroli procesów
technologicznych do pomiarów drgań, położenia, odległości itp.
Podstawowymi elementami czujnika są :

-

wiązka lub włókno doprowadzające światło,

-

wiązka lub włókno odprowadzające światło odbite,

-

powierzchnia odbijająca.

dwuwłóknowy

jednowłóknowy

Rys. 1 Światłowodowe czujniki odbicia. Przemieszczenie powierzchni odbijającej

moduluje intensywność wiązki świetlnej

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

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

2

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.
Zaletą prezentowanych czujników jest to, że nie są czujnikami kontaktowymi.

3.Układ pomiarowy

Rys. 2 Schemat układu pomiarowego.

W zespole czujnika pomiarowego możemy wyróżnić trzy elementy:

a ) sprzęgacz światłowodowy wielomodowy gradientowy

b ) źródło promieniowania elektromagnetycznego (dioda LED o długości fali 850 nm)

c ) detektory krzemowe

Źródła promieniowania oraz detektory zostały sprzężone z włóknem wielomodowym
gradientowym. W światłowodowych systemach pomiarowych sprzęgacze są stosowane
w celu rozgałęzienia sygnału świetlnego, lub też w celu łączenia sygnałów świetlnych
w jednym torze światłowodowym. Sprzęgacze mogą być zbudowane na włóknach
jednomodowych lub wielomodowych. W zależności od zastosowania mogą być sprzężone ze
źródłem nadawczym (dioda, laser, itp.) lub odbiorczym. Do budowy prototypowego czujnika
został zastosowany sprzęgacz typu X, wielomodowy gradientowy. W pomiarach użyto trzech
z czterech ramion sprzęgacza X. Port 1 połączono ze źródłem światła czyli diodą LED. Port 2
stanowi głowicę pomiarową (włókno tego portu stanowi zarówno nadajnik światła jak
i odbiornik światła odbitego od powierzchni pomiarowej). Port 4 połączono z detektorem,
w celu pomiaru światła od odbitego powierzchni.

Głowica czujnika (stanowiąca część sprzęgacza) umieszczona została w specjalnym

uchwycie. Do stolika mikrometrycznego, względem którego przesuwana jest głowica
pomiarowa, zamontowano lusterko. Stolik mikrometryczny umieszczono na

stabilnej ławie

optycznej pozwala z dużą dokładnością określić odległość głowicy pomiarowej od
powierzchni odbijającej.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

3

Czujnik przetestowano stosując sprzęgacze światłowodowe trzech rodzajów, w tym:

1. Sprzęgacze clad-polimerowe - włókno 400/600

µ

m,

2. Sprzęgacze wielomodowe gradientowe - włókno 50/125

µ

m,

3. Sprzęgacze jednomodowe - włókno 9/125

µ

m.

Czujnik zbudowany z użyciem światłowodu clad - polimerowego pozwala określić

odległość w granicach do 2 mm, nie umożliwia jednak dokonania pomiarów o wysokiej
rozdzielczości i dokładności ze względu na swoją dużą średnicę rdzenia. Zastosowanie
włókien o mniejszej średnicy pozwala na pomiar w mniejszym zakresie lecz z większymi
dokładnościami. Zakres pomiarowy dla sprzęgaczy z włóknem gradientowym wynosi około
0,2 do 0,6 mm. Zastosowanie sprzęgacza jednomodowego wiąże się z koniecznością,
zastosowania jako źródła, zamiast diody LED, lasera. Do układu pomiarowego musi być
dostarczona większa moc, spowodowane jest to większymi stratami na łączeniach, źródła
z włóknem jednomodowym. W porównaniu z światłowodem wielomodowym, czujnik
wykorzystujący włókno jednomodowe, pozwala mierzyć niewielkie odległości, w granicach
0,2 mm oraz uzyskać dużo większą rozdzielczość pomiarów.


Zalecane pomiary:

1.

Dokonać cechowania czujnika odbicia, mierząc wartość amplitudy odbitego
sygnału w funkcji odległości od powierzchni.

2.

Określić wielkość bicia tarczy wirującej w wybranym punkcie, wykorzystując
przecechowany czujnik odległości

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com