Politechnika Lubelska

Wydział Elektryczny

ŚWIATŁOWODOWY CZUJNIK DO POMIARU SZYBKICH ZMIAN CIŚNIENIA HYDROSTATYCZNEGO

Wykonał:

Szyszkiewicz Andrzej

Gr. ED 9.3

l. Wstęp

Czujniki światłowodowe są coraz powszechniej stosowane do pomiaru róż­nych wielkości fizycznych i chemicznych. Istnieje klasa czujników światło­wodach, w których jako elementy pomiarowe stosuje się światłowody o wysokiej dwójłomności. Czujnikach tych wykorzystuje się efekt zmiany dwójłom­ności modowej pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak: temperatura ciśnienie hydrostatyczne lub wydłużenie. Zmiany dwójłomności modowej włókien pod wpływem różnych czynników zewnętrznych powoduje przyrost różnicy faz pomiędzy ortogonalnie spolaryzowanymi modami propagującymi we włóknie, która mierzona jest metodami interferencyjnymi lub polaryme­trycznymi. W tym czujniku wykorzystano właśnie to zjawisko.

2. Ogólna koncepcja

Czujnik do detekcji szybkich zmian ciśnienia hydro­statycznego w którym jako element pomiarowy zastosowano włókno o wysokiej dwój­łomności. W czujniku wykorzystano technikę interferometrii w świetle nie monochromatycznym z szybkim zliczaniem prążków interferencyjnych dwójłomnymi wprowadzającymi względne przesunięcie fazy pomiędzy kanałami pomiarowymi, równe 90°. Umożli­wia to rozróżnienie kierunku przyrostu fazy i zwiększa rozdzielczość pomiaru do 1/4 prążka interferencyjnego.

Gdy czujnik poddamy działaniu pewnego ciśnienia to w zależności od wartości tego ciśnienia zmieni się różnica faz pomiędzy ortogonalnie spolaryzowanymi modami propagującymi w światłowodzie. Jednoznaczność zliczania prążków interferencyjnych osiągnięto poprzez zastosowanie dwóch kanałów detekcyjnych, między którymi wprowadzono przesunięcie fazy, równe 90°. Przesunięcie fazowe kontrolowane jest poprzez pochylanie płytek dwójłomnych z kwarcu krystalicznego.

3. Budowa czujnika

Schemat czujnika przedstawiono na rysunku 1. Jako źródło światła zastoso­wano diodę superluminescencyjną SLD, emitującą światło, której długość fali wynosi 830 nm i szerokość połówkowa Δλ = 25 nm. Dioda SLD sprzężona jest z włóknem polaryzującym, które polaryzuje liniowo światło emitowane przez diodę. Światłowód polaryzujący połączony jest (w sposób rozłączalny) z światłowodem dwójłomnym w taki sposób, że osie polaryzacyjne obu włókien są równoległe do siebie. Dzięki temu w światłowodzie dwójłomnym propaguje tylko jeden mod polaryzacyjny. Część pomiarowa czujnika składa się z włókna pomiarowego i kompensującego, które pospawane są ze sobą z osiami polaryzacyjnymi obróconymi o 90°. Włókna doprowadzające pospawane są z włóknem pomiarowym i kompensującym z obrotem osi o 45°. Dzięki temu w części pomiarowej czujnika propagują oba mody polaryzacyjne.

Długość włókna pomiarowego ( L_P ) wynosi około 0,8 m, a różnica długości między włóknem kompensującym ( L_K ) i pomiarowym równa jest ΔL = 5 cm. Różnicowa konstrukcja czujnika zapewnia kompensację efektów temperaturo­wych. Jeśli temperatura obu elementów czujnika zmienia się jednakowo, to przy­rost fary spowodowany zmianą temperatury o ΔT dany jest przez:

gdzie K_T jest czułością temperaturową włókna (około 5 rad/m ^.K). Głowica czuj­nika zbudowana jest w taki sposób, że ciśnienie może działać tylko na element pomiarowy (rys. 2). Dzięki temu przyrosty fazy wywołane ciśnieniem nie kompensują się:

gdzie K_P jest czułością włókna na ciśnienie hydrostatyczne (około 10rad/MPam).

Niewielka różnica długości ΔL pomiędzy elementem kompensującym a pomiarowym pogarsza nieznacznie stabilność temperaturową czujnika. Z drugiej jednak strony powoduje, że efekt interferencyjny obserwowany jest dopiero po przejściu wiązki przez płytki dwójłomne S₁,S₂ (wykonane z kwarcu krystalicz­nego) oraz polaryzatory P₁, P₂ .Grubość płytek jest tak dobrana, aby skompenso­wać niezrównoważenie grupowe wnoszone przez czujnik. Natężenie światła w każdym z kanałów detekcyjnych dane jest przez:

γ(.) - funkcja koherencji,

R_S R_Q - grupowa różnica dróg optycznych wnoszona odpowiednio przez

czujnik i płytkę dwójłomną

φ_S,φ_Q - przesunięcie fazowe wnoszone czujnik i płytkę dwójłomną.

Parametry R_S R_Q można łatwo zmieniać poprzez pochylenie płytek. jeśli przesunięcie fazowe wprowadzane przez płytki w obu kanałach detekcyjnych róż- nią się o 90°, to natężenie rejestrowane przez odpowiednie detektory dane są wzorami:

I= Io^.{1+O,5^.γ^.cos(φ_S )}

I= Io^.{1+O,5^.γ^.sin(φ_S )}

gdzie φ_S jest proporcjonalne do przyłożonego ciśnienia:

Δφ_S = Δφ_o + K_P^.L_S^.Δ_P

W powyższym wzorze Δφ_o oznacza początkową różnicę dróg optycznych wyni­kającą z niezrównoważenia czujnika. Sinusoidalne sygnały z obu detektorów za­mieniane są na przebiegi prostokątne, które następnie zliczane są przez komputer wyposażony w kartę pomiarową TADOl, Convert Lab. Przesunięcie fazowe między sygnałami pomiarowymi wynoszące 1/4 okresu umożliwia zliczanie prążków z rozdzielczością 1/4 prążka interferencyjnego, z jednoczesnym rozróżnieniem kierunku przyrostów fazy. Karta pomiarowa i oprogramowanie pozwalają na zli­czanie prążków z maksymalną częstotliwością 2 kHz.

4. Wyniki pomiarów

Wstępne testy czujnika wykonano dla zanikających przebiegów ciśnienia. Przebiegi tego rodzaju wytworzono poprzez nagie otworzenie komory generatora ciśnienia, do której podłączony był testowany czujnik. Początkowa wartość ciśnie­nia była mierzona wskazówkowym manometrem o klasie 1.6, a końcowa wartość ciśnienia równa była zawsze ciśnieniu atmosferycznemu.

Na rysunku 3 pokazano zmiany ciśnienia w komorze w czasie rozprężania od wartości początkowej, równej 5,0 MPa. a także przebiegi obu sygnałów pomiaro­wych w czasie zaniku ciśnienia.

Rozprężanie komory przeprowadzano dla pięciu wartości ciśnienia początkowego od 0,5 MPa. do 5,0 MPa. Na rysunku 4 pokazano zależność całkowitej liczby prążków, jakie zostały zarejestrowane w czasie rozprężania, w funkcji po­czątkowej wartości ciśnienia. Zależność ta jest liniowa w badanym przedziale ciśnienia. Z tego wykresu została wyliczona wartość ciśnienia przypadająca na jeden impuls licznika (1/4 prążka interferencyjnego), która równa się 0,294 MPa.

5. Podsumowanie

Dzięki optycznej metodzie pomiaru proponowany czujnik ciśnienia hydro­statycznego charakteryzuje się odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne i całkowitą eliminacją możliwości iskrzenia. Nadaje się więc szczególnie dobór do zastosowań w trudnych warunkach, gdzie stosowanie tradycyjnych czujników: piezoelektrycznych jest niemożliwe ze względu na zbyt wysoki poziom zakłóceń 1ub wybuchowe środowisko.

Zakres pomiarowy czujnika może być łatwo modyfikowany poprzez długości włókna pomiarowego. Można także zwiększyć rozdzielczość czujnika 1/8 prążka interferencyjnego poprzez podwojenie liczby kanałów pomiarowych

i wprowadzenie przesunięcia fazowego wynoszącego 45° między poszczególnymi kanałami.

1

6

Rys.1. Schemat czujnika pomiarowego i układu detekcyjnego: SLD - dioda superlumineszencyjna; S1,S2 - płytki światłodzielące, P₁,P₂ - kwarcowe płytki opóźniające, A₁,A₂ - analizatory, D₁,D₂,D_ref - fotodiody

P₂

A₂

P₁

A₁

Rys. 2. Schemat głowicy czujnika: pętla światłowodu pomiarowego ( a ), pętla światłowodu kompensującego ( b ).

---