Czujniki światłowodowe

Transkrypt

1 Czujniki światłowodowe

2 Budowa światłowodu Źródło: patela.prv.pl

3 Jak działa światłowód? Źródło: patela.prv.pl

4 Podstawowa klasyfikacja światłowodów struktura: włókniste i planarne charakterystyka modowa: jednomodowe i wielomodowe, rozkład współczynnika załamania w rdzeniu: skokowe i gradientowe, materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe,... zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne

5 Światłowody włókniste i planarne Źródło: patela.prv.pl

6 Światłowody jednomodowe i wielomodowe Źródło: patela.prv.pl

7 Światłowody skokowe i gradientowe Źródło: patela.prv.pl

8 Klasyfikacja światłowodów materiały SiO2 (domieszkowane) inne szkła, np. ZBLAN (Zr, Ba, La, Al, Na) materiały krystaliczne -szafir Światłowody plastikowe (PMMA) Wielowarstwy epitaksjalne (np. GaAs/AlGaAs) Warstwy dielektryczne (Ta2O5, ZnO, Si3N3/SiO2) Warstwy polimerowe (PMMA, PS)

9 Parametry mechaniczne szklanego światłowodu włóknistego 6 5 wlokno swiatlowodowe drut stalowy punkt rozerwania 4 σ [GPa] ε [%] Zależność pomiędzy naprężeniem σ a odkształceniem ε dla szklanego włókna światłowodowego oraz drutu stalowego

10 Definicja czujnika pomiarowego Czujniki optyczne to czujniki z podwójnym przetwarzaniem

11 Systematyka czujników światłowodowych quasi rozproszone Beamsplitter R R R Laser Sprzęgacze Detektor Generator impulsów Demultiplexer Filtry Schemat przykładowego systemu czujnikowego quasi-rozproszonego z przetwornikami odbiciowymi

12 Systematyka czujników światłowodowych (c.d.) całkowicie rozproszone Schemat systemów całkowicie rozproszonych z rozpraszanie wstecznym (a) oraz rozpraszaniem w przód (b)

13 Parametry fali świetnej E = E 0 cos(ωt + Φ(t)), gdzie: ω=2πc/λ Parametry fali optycznej ulegające zmianie: amplituda długość fali faza polaryzacja

14 Czujnik ze zmianą długości fali świetlnej światłowodowa siatka Bragga λ broad λ broad - λ B λ B Λ λ B = 2 n eff Λ where: n eff effective refractive index of the fiber core Λ grating period

15 Metoda zapisu FBG w światłowodzie Interferometr Preforma z grzejnikiem (ok. 600 ºC) UV laser excimerowy Zapis siatki FBG Beamsplitter Marker Nałożenie warstwy pokrycia (Ormocer, Polyimide,... )

16 Związek pomiędzy zmianą długości fali Bragga a czynnikami zewnętrznymi λ B = K ε ε + K T T K ε = λ ε czułość naprężeniowa związana ze zmianą współczynnika załamania pod wpływem naprężeń (efekt fotoelastyczny) oraz ze zmianą okresu siatki wynikającą ze zmian rozmiarów włókna (ściskanie, rozciąganie) K T = λ T czułość temperaturowa związana ze zmianą okresu siatki wynikającą z rozszerzalności cieplnej materiału oraz efektem termooptycznym czyli zmianie współczynnika załamania pod wpływem temperatury

17 Czułość naprężeniowa oraz temperaturowa dla typowych siatek Bragga λ B [nm] K ε [pm/με] K T [pm/ C] 830 0,64 6, , ,3 13

18 Pomiary czułości naprężeniowej światłowodowej siatki Bragga wyniki poomiarow aproksymacja liniowa 868 λ Bragg [nm] Kε = 0,677 pm/µε Odksztalcenie [µε]

19 Siatka Bragga zasada pomiaru z wykorzystaniem analizatora widma λ λ B λ λ B λ

20 Pomiary charakterystyk odbiciowych i transmisyjnych siatki Bragga -50 I zas = 100mA -40 I zas = 100mA -55 P [dbm] -60 P [dbm] λ [nm] λ [nm]

21 Pomiary charakterystyk odbiciowych i transmisyjnych siatki Bragga

22 Komercyjny system czujnikowy z siatkami Bragga produkowany przez IPHT w Jenie Źródło: IPHT Jena

23 Monitorowanie łopat wirnika elektrowni wiatrowych Strain / Temperature Sensor Pads D 3.1 D 3.2 D 3.3 Signal Processing D 1.1 D 1.2 D 1.3 Źródło: IPHT Jena

24 Monitorowanie generatorów elektrycznych FBG strain vibration sensors FBG temperature sensors Źródło: IPHT Jena, Siemensc

25 Zastosowanie czujników FBG w lotnictwie Żródło: DaimlerChrysler, EADS Airbus Surface-mounted optical and electrical strain sensors Electrical strain gages cable installation

26 Siatka Bragga jako czujnik wodoru Analyte H 2 Surface plasma wave nm Pd layer Silica block Fibre core FBG Side-polished fibre Bragg wavelength [nm] 828,00 827,95 Hydrogen vol. conc. 2 % 2 % in Ar:H 2 1 % 1 % 0 % 0 % 0 % Źródło: IPHT Jena Time [s]

27 Sieć światłowodowa z siatkami Bragga do monitorowania odkształceń masztu jachtu morskiego

28 Zastosowanie siatek Bragga do pomiaru odkształceń rurek węglowych Pressure [MPa] Strain [ ] Strain [µε] ,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Time [s]

29 Zalety światłowodowych siatek Bragga zmiana długości fali Bragga jest liniową funkcją mierzonej wielkości w szerokim zakresie informacja o wielkości mierzonej jest zakodowana w formie zmiany długości fali, dlatego też szumy czy straty mocy nie wpływają zasadniczo na sygnał z czujnika FBG nie są zbyt drogie i stosunkowo łatwe do wytworzenia FBG mogą być umieszczane w materiałach kompozytowych bez naruszania ich struktury dzięki małej średnicy oraz niewielkiej wadze

30 Światłowodowy czujnik amplitudowy Zmniejszenie mocy promieniowania przez: rozpraszanie światła na mikropęknięciach (mikrodefektach) wyciekanie światła na zagięciach

31 Przykłady czujników amplitudowych

32 Pierwsze próbki z czujnikami amplitudowymi Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Pressure [MPa] Strain [ ] P opt [db] Time [s]

33 Konstrukcje z czujnikami amplitudowymi

34 Wyniki pomiarów zbiorników wysokociśnieniowych a) b) Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej c) d) a) zmiana ciśnienia w czasie, b) sygnał emisji akustycznej (RMS) w funkcji czasu, c) sygnał optyczny z czujnika nawiniętego obwodowo w funkcji czasu, d) sygnał optyczny z czujnika nawiniętego krzyżowo w funkcji czasu

35 Parametry czujnika amplitudowego K = σ ΔP σ K σ czułość naprężeniowa ΔP zmiana mocy optycznej σ naprężenie normalne [db/gpa] ΔP = P 0 P σ = K σ σ = (α l+ β) σ P 0 moc optyczna propagowana w nie naprężonym światłowodzie P σ moc optyczna propagowana w naprężonym światłowodzie

36 Stanowisko do testowania głowic światłowodowych 1 1 ` krążek do nawijania światłowodu 2 - krążek na prowadnicy 3 - zacisk do blokowania światłowodu 4 - szalka z obciążnikami 5 - rozciągany światłowód 4 kg F

37 Czujniki amplitudowe (c.d.) 1,1 1,0 0,9 0,8 l = 1,4 m l = 1,8 m l = 2,6 m l = 3,8 m 0,7 P [db] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 σ [GPa]

38 Czujniki całkowicie rozproszone wykorzystanie do pomiaru reflektometru Schemat układu do badania zbiorników kompozytowych z zastosowaniem reflektometru optycznego

39 Pomiary z wykorzystaniem reflektometru 0,2 dbm/div obszar spawów P [dbm] obszar tłumienia wywołany naprężeniami L [m] 0,050 km/div

40 Czujniki z modulacją fazy Źródło: SMARTEC

41 Czujniki ze zmiana fazy (c.d) Źródło: SMARTEC

42 Zalety czujników optycznych Odporność na działanie pól E-M Możliwość zagrzebania czujnika w monitorowanym materiale Brak iskrzenia Możliwość stworzenia sieci czujników Małe straty Mała waga i wymiary