Czujniki światłowodowe

Transkrypt

1 Czujniki światłowodowe Pomiar wielkości fizycznych zaburzających propagację promieniowania Idea pomiaru Dioda System optyczny Odbiornik Wejście pośrednie przez modulator Wielkość mierzona wejście czujnik zewnętrzny i wewnętrzny wyjście Bezpośredni wpływ na światłowód

2 Systematyka czujników Polaryzacji Fazy Modulacja Natężenia Zewnętrzne (pośrednio przez modulator) jednomodowe Czujniki światłowodowe wielomodowe Wewnętrzne (bezpośredni wpływ na światłowód) Polaryzacji Fazy Długości fali Kierunku propagacji Natężenia Długości fali

3 Przykłady czujników natężeniowych Czujnik zbliżeniowy Pomiar przesuwów i kąta S źródło D - detektor Pomiar przesuwów siatka dyfrakcyjna klin i drgań

4 Przykłady czujników natężeniowych cd Przemieszczenie Czujnik przemieszczeń Straty na mikrozgięciach światłowód Kierunek ruchu światłowody Czujnik poziomu cieczy Wykorzystane zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

5 Przykłady czujników fazowych Sprzęgacz Kanał pomiarowy Sprzęgacz Dioda laserowa Kanał odniesienia Detektor Interferometr Macha-Zehndera Pomiary: temperatury odkształcenia pól magnetycznych elektrycznych akustycznych Czujnik o nadzwyczaj wysokiej czułości Problem wydzielenia wpływu różnych parametrów

6 Pomiar temperatury Detektor Przykłady czujników fazowych cd Interferometr Fabry-Perot Dioda d Zmiana grubości d pod wpływem temperatury zmienia wynik interferencji Pomiar ciśnienia Rejestracja ugięcia membrany wyznacza wartość ciśnienia

7 Detektor Przykłady czujników fazowych cd Dioda Wynik interferencji zmienia sygnał z diody N zwojów światłowodu Interferometr Sagnaca Zmiana rejestrowana przez detektor Interferencja fal biegnących w przeciwnych kierunkach Giroskop optyczny Pomiar kąta obrotu i przyspieszenia w ruchu obrotowym Pomiar pól akustycznych!!

8 Polarymetryczny czujnik ciśnienia hydrostatycznego S źródło D - odbiornik Światłowód HB-800 zmieniający stan polaryzacji światła pod wpływem ciśnienia Przy skrzyżowanym polaryzatorze i analizatorze sygnał proporcjonalny do ciśnienia Zastosowania do pomiaru bardzo wysokich ciśnień w warunkach zagrożenia pożarowego przez wyładowania elektryczne

9 Sieci czujników z laserem generującym kilka λ Laser cw Czasowy analizator Laser impulsowy

10 Sieci czujników sprzęgacz dzielniki Różne czujniki dla różnych λ Idea prostej sieci ze sprzęgaczem multipleksowym i demultiplekserem źródła demultiplekser odbiorniki W różnych miejscach mierzone różne wielkości fizyczne za pomocą promieniowania o różnych λ

11 Mikro i nanotechnologia MEMS y i MOEMS y Micro Electro-Mechanical Systems Micro Opto-Electro-Mechanical Systems MEMS MOEMS Dlaczego? Minikroskala bez utraty funkcjonalności Monolityczność systemów pomiarowych Niezawodność działania i wysoka dokładność Niski pobór mocy i niski koszt wytwarzania Wysoka szybkość działania Powiększona selektywność i czułość pomiaru

12 Mikroskala

13 Mikroskala

14 Kilka przykładów zastosowań Żyroskop Miernik przyspieszenia Mikrofon Mikrozwierciadło

15 Elektrostatyczne mikro-zwierciadła zasada działania

16 Elektrostatyczne mikro-zwierciadła

17

18 Zintegrowane systemy pomiarowe

19 Zastosowania czujników

20 Widmo promieniowania padającego λ Monitorowanie naprężeń Światłowód Siatka Bragga o wąskim widmie promieniowania odbitego λ Promieniowanie odbite dla różnych stanów rozciągania lub ściskania λ Ściskanie lub rozciąganie powoduje zmianę okresu siatki Bragga, a więc zmianę widma promieniowania odbitego Mierząc λ mierzymy stan naprężeń, i tym samym zagrożeń

21 Zastosowania czujników

22 Monitorowanie położenia Pomiar różnicy czasu między emisją impulsu i jego powrotem po odbiciu na końcu światłowodu stosowany przy odległościach wielu set metrów i kilometrów (analog do radaru). Monitorowanie uszkodzeń sieci światłowodowych Roboty (mikrofony, kamery termiczne) w ruinach World Trade Center (11 wrzesień 2001) umożliwiały wykrywanie obecności żyjących, ale brakowało dokładnej informacji o położeniu robota Nowe czujniki światłowodowy Global Positioning System (FGPS) o wysokiej zdolności rozdzielczej Laser Detektor Sprzęgacz Tysiące siatek częściowo odbijających Pomiar częstotliwości wyniku interferencji promieniowania odbitego od siatek pozwala wyznaczyć położenie z dokładnością kilkudziesięciu μm Opracowanie NASA do badania X-33 na podstawie OE-magazine, wrzesień 2005

23 Zastosowania czujników

24 Literatura uzupełniająca Udd E.: Fiber optic sensors, J.Wiley and Sons Inc., 1991 Majewski A.: Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000 Midwinter J.E., Guo Y.L.: Optoelektronika i technika światłowodowa, Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 1995 Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa 1997 Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York 1991, rozdziały 8 i 22 Szustakowski M.: Elementy techniki światłowodowej, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa, 1992 Literatura podstawowa poziom wyższy naukowa