Czujniki amplitudowe

Czujniki amplitudowe są to czujniki gdzie wielkość mierzona oddziałuje na amplitudę światła propagowanego w światłowodzie . Czujniki te są stosowane w wielu rozwiązaniach technicznych. Do ich konstrukcji w głównej mierze stosuje się św. wielodomowe i stosunkowo proste sposoby modulacji. Możemy wyróżnić następujące typy czujników:

1. Czujniki z modulacją sprzężenia św. - św.

Gdzie intensywność sprzężenia jest modulowana przez mechaniczne odchylenie światłowodów rys. 1 lub przez zastosowanie przesłon rys. 2

Odchylenie światłowodów lub ruch przesłony może być proporcjonalny do siły, ciśnienia, rozszerzalności termicznej, natężenia przepływu itp. Przesłonę może stanowić soczewka kulista wypełniona cieczą lub gazem , w której wsp. załamania zmienia się pod wpływem działania ośrodka.

2. Czujniki odbiciowe

Idea tych czujników oparta jest na pomiarze transmisji światła pomiędzy dwoma światłowodami nadawczym i odbiorczym. Na drodze pomiędzy nimi światło ulega odbiciu od zwierciadła płaszczyzny. Ich realizacje techniczne spotyka się w różnych wersjach:

• wiązki światłowodów

• dwa światłowody

• jeden światłowód ze sprzęgaczem

Ten rodzaj czujników ma szerokie zastosowanie a zwłaszcza w pomiarach drgań, położenia, poziomu cieczy i przepływu. Realizacje techniczne czujników przedstawia rys. 3

3. Czujniki strat transmisji.

Są to czujniki które wykorzystują straty wewnątrz światłowodu podczas poddawania go działaniom mechanicznym. Gdy światłowód poddamy deformacji (zgięciu) to obserwujemy iż dodatkowe straty energii tzw. zgięciowe. Straty te są związane z wypromieniowaniem energii ze rdzenia do płaszcza i do ośrodka. Zewnętrzna wielkość strat może być uzależniona od wartości mierzonej. Przykładem może być wykorzystanie tego typu czujników do

- pomiaru poziomu cieczy (gdy ciecz przykrywa pętlę za światłowodu straty rosną

- pomiaru temperatury gdy umieścimy pętlę w materiale wykazującym silną zależność wsp. załamania od temperatury

Czujniki interferencyjne

Zasada działania interferencyjnych czujników światłowodowych opiera się na oddziaływaniu wielkości mierzonej na fazę lub polaryzację światła propagującego w światłowodzie. Dlatego też mówimy o przetworzeniu zmian mierzonej wielkości fizycznej na modulację fazy lub polaryzacji światła. Demodulacja fazy światła następuje w wyniku zjawiska interferencji przed zmianą sygnału optycznego na sygnał elektryczny w detektorze (np. diodzie PIN ) Jednakże w celu uzyskania dającej się wykorzystać informacji o wielkości mierzonej niezbędne jest dalsze przetwarzanie defekowanego w elektronicznym układzie detekcji. W większość przypadków interferencyjne czujniki światłowodowe wykorzystują światłowód jednomodowy. Zmiana fazy w światłowodzie zachodzi albo w wyniku zmiany wymiarów włókna albo przez zmianę jego współczynnika załamania n. Do detekcji zmian fazy światła w światłowodach służą układy interferometryczne realizowane w praktyce w wariancie Macha- Zehndera lub Michelsona

W tym układzie ramiona interferometru stanowią dwa światłowody jednomodowe. Ś2wiatło z obu ramion interferuje ze sobą tworząc obraz interferencyjny. Techniczni ta realizacja jest wykorzystywana do pomiaru temperatury. Czujniki oparte na tym rozwiązaniu są budowane jako przemieszczeń , ciśnień, temperatury, wielkości chemicznych. Ważną zaletą tego typu układu jest możliwość zastosowania go w linii wieloczujnikowej, gdzie poszczególne czujniki przystosowane są do pomiaru różnych wielkości.

Następnym rozwiązaniem czujnika interferometrycznego jest

Czujnik oparty na światłowodowym interferometrze Michelsona

Światłowodowy interferometr Michelsona:

W układzie tym zakończenia gałęzi pomiarowej i odniesienia zawierają lustra odbijające dzięki czemu układ może zawierać pojedynczy sprzęgacz. Konieczność zastosowania pojedynczego sprzęgacza oraz dwukrotnie większa czułość przetwornika fazowego (światło przechodzi przez niego dwukrotnie-tam i z powrotem) to dwie podstawowe korzyści tej konfiguracji. Cecha niekorzystna - trudności w jego wykonaniu.

Czujnik oparty na światłowodowym interferometrze różnicowym

Światłowodowy interfarometr różnicowy

Tutaj dwie wiązki propagują w jednym włóknie optycznym, ale są rozdzielone przez posiadanie ortogonalnych stanów polaryzacyjnych. Światło o danym stanie polaryzacji wprowadzane jest do liniowo dwójłomnego światłowodu celem pobudzenia obu modów własnych włókna. Umieszczony na wyjściu liniowy analizator o azymucie pod kątem α do szybkiej osi włókna pozwala na rozdzielenie obu ortogonalnych stanów polaryzacyjnych. Postać sygnału wyjściowego uzależniona jest od stanu polaryzacji (SOP) światła wejściowego. Główna zaleta - prosta budowa bez sprzęgaczy światłowodowych.

Czułość jest o dwa rzędy mniejsza niż w układzie klasycznego interferometru dwuwiązkowego.

Teoria pomiarów

Każdy czujnik pomiarowy charakteryzuje funkcja przenoszenia czyli pewna funkcja która przetwarza wielkość wejściową (pomiarową ) na wielkość wyjściową nas interesującą. Rzeczywista postać funkcji przenoszenia jest dosyć skomplikowana gdyż jest uzależniona od szerokiej gamy czynników jak budowa przetwornika fazowego, parametry charakteryzujące elementy światłowodowe użyte w do budowy danej konfiguracji. Dlatego z reguły przybliża się tą funkcję przyjmując pewne uproszczenia.

Zasada pomiarów tłumienności metodą rozproszenia wstecznego

Definicje

Tłumienie światłowodu jest to różnica mocy sygnałów wejściowego i wyjściowego określona zależnością:
i jest wyrażona w decybelach [dB]

Tłumienność jest to tłumienie przypadające na 1 km długości światłowodu:

i wyrażone w

Zasada pomiaru

Metoda ta wykorzystuje fakt, że ośrodek propagacji fal świetlnych jest ośrodkiem stratnym, to znaczy, że amplituda fali maleje wraz z pokonywaną przez nią drogą. Zakłada się, że charakter tych strat jest jednorodny dla całego światłowodu (ciągły). W punktach nieciągłości lub obszarach gdzie zmienia się charakter zmian interpretacja ilościowa może być utrudniona

Pomiary te wykonywane są reflektometrem przy dokonywaniu pomiarów ważna jest

• Dynamika interferometru - różnica pomiędzy max. Poziomem mocy rozproszenia wstecznego dla zerowej odległości i poziomem mocy szumu własnego - odbiornika OTDK stanowiącej 98% szczytowej wartości szumu.

• Strefa martwa

• Rozdzielczość przestrzenna

rys. 1 światłowodowe czujniki sprzężenia między ruchomymi włóknami

rys. 2 światłowodowe czujniki sprzężenia między włóknami przez ruch przesłony

rys. 3 światłowodowe czujniki z modulacją sprzężenia przez ruch powierzchni odbijającej światło

Światłowodowy interferometr Macha - Zendera

Przebieg rzeczywistej funkcji przenoszenia w układzie czujnika interferencyjnego

Idealna postać funkcji przenoszenia

nieliniowość

Odchylenie początkowe

Zmierzona wartość wielkości fizycznej (Y)

Aktualna wartość wielkości fizycznej (X)

czułość

szum

Parametry określające czujnik światłowodowy

Mierzona wielkość fizyczna

Sygnał wyj.

Zakres dynamiki układu

rozdzielczość

Koniec liniowości odpowiedzi układu

---