Czujniki z modulacja długości fali Świetlnej:

Proces demodulacji: wymaga zastosowania spektrofotometru, filtracji optycznej lub detekcji dwu długości fali.

Zalety czujników: Mniejsza wrażliwość na zmiany intensywności wnoszone przez elementy układu takie jak źródło światła, światłowody, złącza światłowodowe.

Sposoby modulacji długości fali:

1. Zjawiska fotoluminescencji, fluorescencji, absorpcji

2. Światłowodowe siatki Braga.

Czujniki modulacji długości fali:

Filtracja optyczna - detekcja dwu długości fal
.

Cujnik z modulacją długości fali i detekcją dwu fazową.

- filtry wąskopasmowe.
- fotodetektory

Parametry światłowodowych siatek Braga:

• Długość fali Braga
  

• Szerokość linii widmowej

• Reflektancja R (około 99%)

• Maksymalne wydłużenie względne (kolka
  

• Maksymalna temperatura pracy (około 800
  )

• Stała siatki Braga
  

• Długość (od 0,5 mm do kilki cm)

Warunek Bragga:

- efektywny WSP. Załamania.

Metody zapisu siatek Braga:

1. Zapis od wewnątrz - siatki odpijają tę samą długość fali jaka zostały zapisane

2. Zapis od zewnątrz - boczna ekspozycja włókien promieniowania o zmiennym natężeniu

Przy pomocy maski fazowej*

Techniki interferencyjne*

Maska amplitudowa

Zapis punkt po punkcie

Zapis siatek o zmiennym okresie

* - ziemna stałej siatki Braga odbywa się za pomocą zmiany konta wiązek interferujących ze soba (
nie zależna od długości fali zastosowanej do zapisu).

Zapis z wykorzystaniem metod interferencyjnych: Zapis z wykorzystaniem maski amplitudowej:

Zastosowanie czujnikowe światłowodowych siatek Braga

Podstawą działania siatek Braga jest liniowa zależność długości fali od czynników zewnętrznych takich jak:

• Temperatura

• Naprężenia

• Natężenie pola elektrycznego i magnetycznego

• Ciśnienie atmosferyczne

Zmiany długości fali mogą być spowodowane zmianą wsp. Załamania, zmianą stałej siatki.

Pojawiają się one w odpowiedzi na: Zmiany wydłużenia względnego, zmiany temperatury.

- czułość naprężeniowa

- Czułość temperaturowa

Czułośćnaprężeniowa:

Wydłużanie włókna światłowodowego - odpowiada zmianie stałej siatki Braga i zmianie wsp. Załamania.

- wydłużenie względne

- stała wydłóżeniowo optyczna

Czułość temperaturowa:

Przesuniecie długości fali Braga spowodowane jest poszerzeniem termicznym siatki i temperaturową zmiana wsp. Załamania.

- wsp. Rozszerzalności termicznej światłowodu

- wsp. Termo optyczny

Rodzaje czujników (podział):

1. Rodzaj przetwarzanej energii:

• Sygnał wejściowy - rodzaje energi niosącej informacje: magnetyczna, chemiczna radiacyjna, mechaniczna, termiczna.

• Sygnał wyjściowy - sygnały elektryczne - czujniki elektryczne.

2. Rodzaje sygnału wyjściowego

• Czujniki generacyjne - sygnał wyjściowy jest ładunkiem, przepływem ładunku ( prąd) lub napięciem generowanym przez wielkość mierzona.

• Czujniki parametryczne - sygnał wyjściowy jest parametrem elektrycznym np. pojemność, rezystancja, indukcyjność.

3. Rodzaj technologii wytwarzania

• Czujniki wytwarzane technika konwencjonalna, czujniki grubowarstwowe, czujniki pp. i cienkowarstwowe, czujniki światłowodowe, bio czujniki.

Parametry czujników pomiarowych:

• Liniowość - (lub zadany kształt) funkcji przetwarzana wielkość mierzonej na sygnał pomiarowy. Liniowa charakterystyka czujnika, kształtowanie charakterystyki na drodze obróbki elektronicznej sygnału cyfrowego.

• Czułość pomiarowa
  

• Odporność na wpływ parametrów zakłócających

• Stabilność długo i krótko terminowa

• Selektywność
  

Konstruując czujniki pomiarowe dąży się do tego aby wpływ czynników zakłócających charakterystykę przetwarzania był pomijalnie mały. Pożądane jest aby charakterystyka przetwarzana była liniowa.

Mechanizmy strat na złączach -

1. Straty zewnętrzne (niesamoistne) - związane z niedokładnościami zestawienia włókien

1. Jakość łączonych powierzchni

2. Przesuniecie osi w kierunkach X i Y

3. Błąd kątowy ( nachylenie osi)

4. Rozseparowanie światłowodów wzdłuż osi Z

2. Straty wewnętrzne (samoistne) - związane z technologią wykonania włókna

1. Różnice promieni

2. Różnice apertur numerycznych

3. Różnice profilu wsp. załamania

3. Straty odbiciowe - Fresnela - złączne , rozłączne

4. Straty rozproszenia złącza stałe.

Rodezje sprzęgania: czołowe i boczne

Technika sprzęgania bocznego:

1. Spawanie.

2. Klejenie z polerowaniem.

OTDR -Reflektometr

Reflektometry pozwalają na:

1. Lokalizacja uszkodzeń włókna

2. Lokaliozacje nie jednorodności włókna - spawy

3. Pomiar tłumienia odcinka światłowodu i całej linii światłowodowej

Zasada pomiaru polega na pomiarze mocy wstecznie rozproszonej z sygnalu transmitowanego przez światłowód. Sygnał optyczny w postaci wąskiego impulsu wprowadzamy do włókna badanego przez sprzęgacz.

Zjawiska decydujące o zaniku mocy optycznej w torze światłowodowym

1. Rozpraszanie światła

2. Odbicie światła - skokowe zmiany wsp. Załamania

Soczewki gradientowe GRIN

Typowa długość 3 - 30 mm, typowa średnica 1 - 2 mm

Podstawowe funkcje soczewek gradientowych:

1. TRansforacja apertury numerycznej

2. Ogniskowanie i kolimacja

3. Transformacja położenia i kąta padania

4. Przenoszenie obrazu

Wielkości charakteryzujące parametry soczewki światłowodowej:

1. Płaszczyzny główne
   

2. Ogniska
   

3. Położenie obrazu z.
   

Technologie wykonania soczewek gradientowych:

1. Dyfuzja na granicy warstw szkieł o różnym składzie

2. Dyfuzja na granicy pręt szklany - roztopiona sól.

3. Dyfuzyjna wymiana jonów

Schemat blokowy czujnika światłowodowego:

Czujniki optoelektroniczne (podział):

Czujniki światłowodowe to czujniki, w których mierzona wielkość fizyczna powoduje modulacje jednego z parametrów fali świetlnej propagowanej w systemie pomiarowym.

1. Ze względu na modulowany parametr fali świetlnej:

• Amplitudowe

• Interferencyjne

• Polaryzacyjne

• Z modulacją długości fali

2. Sposób modulacji określonego parametru fali świetlnej propagowanego w układzie pomiarowym

• Z modulacją wewnętrzną

• Z modulacją zewnętrzną

3. Wielkość mierzonego pola fizycznego

• Punktowe

• Quasi rozłożone

• Rozłożone

Zalety czujników światłowodowych:

• Możliwość pracy przy dużych poziomach zakłóceń elektromagnetycznych

• Możliwość pracy w warunkach dużego zapylenia, wysokich ciśnień i wysokich temperaturach

• Duży stopień bezpieczeństwa - brak iskrzenia, nie wytwarzają pól elektromagnetycznych

• Mały ciężar

• Małe wymiary geometryczne

• Mała pojemność cieplna (szybka reakcja na zmiany temperatury)

• Mały pobór mocy elektrycznej przez układy współpracujące w głowica światłowodową

• Kompatybilność z szerokopasmową techniką telekomunikacyjną

• Duża różnorodność i prostota konstrukcji światłowodowych głowic pomiarowych

Wielkości fizyczne mierzone przy pomocy światłowodowych czujników optoelektronicznych:

1. Mechaniczne: Siła, Przemieszczenie, Ciśnienie, Wibracje, Prędkość, Przyspieszenie, Przepływ, Poziom cieczy.

2. Elektryczne: Napięcie, Prąd częstość, przesunięcie kontowe, indukcyjność, pojemność, oporność

3. Magnetyczne: natężenie pola , histereza

4. Termiczne: Temperatura, pojemność cieplna, przepływ ciepła

5. Chemiczne: Skład chemiczny gazów - cieczy, koncentracja

6. Promieniowanie: Częstości radiowe, podczerwień ultrafiolet i zakres widzialny, promieniowanie X, jądrowe

Czujniki z modulacją amplitudy fali świetlnej:

Zalety i wymagania:

Czujniki z modulacją amplitudy dali optycznej charakteryzują się:

• Prostota budowy

• Różnorodnością konfiguracji głowic pomiarowych

• Niskimi kosztami wytworzenia głowic czujnikowych

• Niezawodnością działania

W celu zachowania dokładności i stabilności pomiarów niezależnie od: niestabilności źródeł światła, przypadkowych strat w światłowodzie i na złączach światłowodowych, zmian czułości detektorów konieczne jest wprowadzenie ramienia odniesienia

Modulowaną amplitudę zapiszemy jako:
;
- sygnał modulujący

Czujniki z modulacją amplitudy ( rodzaje modulacji):

1. Czujniki z modulacją sprzężenia światłowód - światłowód

2. Czujniki z modulacją sprzężenia między światłowodami przez ruch przesłony

3. Czujnik odbiciowy - modulacja amplitudy przez ruch powierzchni odbijającej

4. Czujniki wykorzystujące naruszenie warunków całkowitego wewnętrznego odbicia:

• Zmiana wsp. Załamania

• Deformacja światłowodu

5. Czujnik z modulacja apertury numerycznej

6. Czujnik z wykorzystaniem zjawiska absorpcji i rozpraszania

Czujnik wsp. Załamania

Czujnik modulacją apertury światłowodu w przez zmianę wsp. Załamania w przerwie między łączonymi włóknami. Obszar między światłowodami wypełniamy ośrodka o wsp. Załamania n> 1 to kąt rozbieżności stożka maleje i sprzężenie między światłowodami rośnie. Przykład zastosowanie: czujnik poziomu cieczy.

Podstawowe pojęcia:

Polaryzacja światła - Określa kierunek drgań wektora pola elektrycznego fali elektromagnetycznej prostopadły do kierunku jej propagacji

Dwójłomność optyczna - rożnica stałych propagacji
w dwóch prostopadłych kierunkach y i x spowodowana nie symetrycznym rozkładem wsp. Załamania

Droga zdudnienia - odcinek po przejściu którego polaryzacja światła jest taka sama

Metody indukowania dwójłomności w światłowodach

Wytwarzanie właściwości polaryzacyjnych w światłowodzie polega na kontrolowanej zmianie jego dwójłomności (
, której miara jest wartość różnicy pomiędzy stałymi propagacji
modu podstawowego

Dwójłomność - występuje w światłowodach jednodomowych, charakteryzujących się anizotropią rozkładu wsp. Załamania można ją uzyskać:

• W procesie technologicznym

• Wymusić poprzez zastosowanie czynników zewnętrznych (zginanie, ściskanie, skręcanie, działanie polem elektrycznym, działanie polem magnetycznym)

Definicja dwójłomności

Podstawowe elementy układów interferometrycznych:

1. Monochromatyczne i koherentne źródło promieniowania optycznego

2. Elementy optyczne do podziału fali świetnej

3. Dwa tory propagacji (ramię odniesienia i ramię pomiarowe)

4. Elementy umożliwiające superpozycję fali świetlnej

5. Detektor do obserwacji efektu interferencji

Schematy blokowy czujnika interferencyjnego:

Interferometr :

• Ramie sygnałowe - głowica pomiarowa

• Ramie odniesienia

Zmiany fazy defekowane są rzędu
radiana

Czułość modulacji:

• 100 rad /m/
  

• 10 rad /m/bar

Interferometr febry-perot'a

Różnica długości dróg optycznych:

- kąt wprowadzenia wiązki do wnęki rezonansowej

- różnica faz między wiązkami światła

Zalety czujników ze światłowodowymi siatkami Braga

1. Informacje o zmianie wartości wielkości mierzonej zakodowane w postaci zmian długości fali świetlnej (transmitowanej lub odbijanej od FBG)

2. Źródła światła nie wymagają układów zasilających, gwarantujących stabilizacje wyjściowej mocy optycznej

3. Możliwość konfiguracji wielu czujników z FBG w układzie łańcucha lub gwiazdy

4. Zalety wynikające z właściwości światłowodów:

• Niewrażliwość na pole elektromagnetyczne

• Małe wymiary i ciężar

• Odporność na wysokie temperatury

• Brak iskrzenia

• Możliwość zagrzebania w strukturze konstrukcji z materiału kompozytowego lub montaż na jej powierzchni

Wnęka rezonansowa ze światłowodu jednodomowego

---