Czujniki światłowodowe

Podobne dokumenty
Źródło światła λ = 850 nm λ = 1300 nm. Miernik. mocy optycznej. Badany odcinek światłowodu MM lub SM

Aplikacja światłowodowych metod czujnikowych do monitorowania ekstremalnie wytężonych konstrukcji kompozytowych

Pomiar tłumienności światłowodów włóknistych

Czujniki światłowodowe

Zjawiska w niej występujące, jeśli jest ona linią długą: Definicje współczynników odbicia na początku i końcu linii długiej.

Wzmacniacze optyczne ZARYS PODSTAW

Dyspersja światłowodów Kompensacja i pomiary

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 01/18. SŁAWOMIR CIĘSZCZYK, Chodel, PL PIOTR KISAŁA, Lublin, PL

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

Włókna z cieczowym rdzeniem oraz włókna plastykowe. Liquid-Core and Polymer Optical Fibers

W p r o w a d z e n i e dr hab. inż. Sergiusz Patela

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 5. Badanie wpływu periodycznych zgięd na tłumiennośd światłowodu

Pomiary w instalacjach światłowodowych.

TŁUMIENIE ŚWIATŁA W OŚRODKACH OPTYCZNYCH

Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Politechnika Wrocławska Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Technika falo- i światłowodowa

światłowód światłowód gradientowy n 2 <n 1 n 1

Pomiary parametrów telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych. Na poprzednim wykładzie przedstawiono podstawowe parametry światłowodów

Elektrotechnika II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Ćwiczenie 3. Badanie wpływu makrozagięć światłowodów na ich tłumienie.

Wybrane techniki pomiarowe światłowodów

Optotelekomunikacja. dr inż. Piotr Stępczak 1

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Światłowody

O p i s s p e c j a l n o ś c i

Fiber sensing jako alternatywna metoda E-book. wykorzystania światłowodów

Systemy i Sieci Radiowe

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 2. Badanie apertury numerycznej światłowodów

PL B1. Sposób pomiaru współczynnika załamania oraz charakterystyki dyspersyjnej, zwłaszcza cieczy. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

Wprowadzenie do optyki nieliniowej

Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

Technologia światłowodów włóknistych Kable światłowodowe

Wzmacniacze optyczne

ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH MICHAŁ ŁUKOMSKI

2. Światłowody. 2. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Światłowody Strona 1

Światłowodowy wzmacniacz erbowy z płaską charakterystyką wzmocnienia

Włókna na średnią i daleką podczerwień, z eliptycznym rdzeniem oraz typu D. Mid- and Long- Infrared as well as Elliptical Core and D-shape Fibers

KOREKCJA BŁĘDÓW W REFLEKTOMETRYCZNYCH POMIARACH DŁUGOŚCI ODCINKÓW SPAWANYCH TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Zakład Optoelektroniki. Laboratorium Elementów i Systemów Optoelektronicznych

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

Współczynnik załamania Całkowite wewnętrzne odbicie Co to jest światłowód i jak działa? Materiały na światłowody Zjawiska zachodzące w światłowodach

ZASTOSOWANIE ZJAWISKA CAŁKOWITEGO WEWNĘTRZNEGO ODBICIA W ŚWIATŁOWODACH

III. Opis falowy. /~bezet

Reflektometr optyczny OTDR

FACULTY OF ADVANCED TECHNOLOGIES AND CHEMISTRY. Wprowadzenie Podstawowe prawa Przetwarzanie sygnału obróbka optyczna obróbka elektroniczna

Structural Health Monitoring jako wspomaganie utrzymania mostów

Tester tłumienia FiberMASTER firmy IDEAL Industries

Telekomunikacja światłowodowa

Ćwiczenie 2. Badanie strat odbiciowych i własnych wybranych patchcordów światłowodowych. LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

IV. Transmisja. /~bezet

VI. Elementy techniki, lasery

Optotelekomunikacja 1

Centralna Izba Pomiarów Telekomunikacyjnych (P-12) Badania światłowodowych siatek Bragga nanoszonych metodą skanowania maski fazowej

Innowacyjne systemy monitoringu odkształceń i temperatury oparte o czujniki światłowodowe. Od światłowodu do czujnika

Światłowodowy pierścieniowy laser erbowy

NA = sin Θ = (n rdzenia2 - n płaszcza2 ) 1/2. L[dB] = 10 log 10 (NA 1 /NA 2 )

Laboratorium technik światłowodowych

OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

ELEMENTY SIECI ŚWIATŁOWODOWEJ

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych

Wielomodowe, grubordzeniowe

Światłowody, zasada działania, budowa i zastosowanie

Periodyczne struktury światłowodowe w optoelektronicznych czujnikach do pomiaru wybranych wielkości nieelektrycznych

Obecnie są powszechnie stosowane w

Laboratorium Fotoniki

Pomiary światłowodów telekomunikacyjnych Laboratorium Eksploatacja Systemów Telekomunikacyjnych

MULTIPOINT INTENSITY-MODULATED FIBRE OPTIC SENSORS

Dobór przewodu odgromowego skojarzonego ze światłowodem

OPTOTELEKOMUNIKACJA. dr inż. Piotr Stępczak 1

TELEKOMUNIKACJA ŚWIATŁOWODOWA

Łączenie włókien światłowodowych spawanie światłowodów. Spawy mechaniczne 0,05 0,2 db Spawanie 0,05 0,1 db

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Zakład Optoelektroniki

Sieci optoelektroniczne

Wprowadzenie do światłowodowych systemów WDM

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 6, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Sławomir Andrzej TORBUS 1

Wykład 2: Wprowadzenie do techniki światłowodowej

KOMPUTEROWY TESTER WIELOMODOWYCH TORÓW ŚWIATŁOWODOWYCH

Problemy spawania telekomunikacyjnych jednomodowych włókien światłowodowych stosowanych w Polsce i pochodzących od różnych producentów

Wykład 12: prowadzenie światła

Kontrola metrologiczna wojskowego sprzętu optoelektronicznego w Centralnym Wojskowym Ośrodku Metrologii

Spis treści. Szkło kwarcowe - dane techniczne 3. Rury kwarcowe 5. Pręty kwarcowe 7. Szkło borokrzemowe - dane techniczne 8. Rury borokrzemowe 10

Pomiary kabli światłowodowych

Seminarium Transmisji Danych

Światłowody telekomunikacyjne

Nanowłókna krzemowe (włókna o średnicy poniżej długości fali) oraz włókna chiralne. Silica Nanofibres (Subwavelength-Diameter) and Chiral Fibres

A- 01 WPROWADZENIE DO TECHNIKI ŚWIATŁOWODOWEJ

Solitony i zjawiska nieliniowe we włóknach optycznych

Ćw.2. Prawo stygnięcia Newtona

Pomiary kabli światłowodowych

Ćw.1. Monitorowanie temperatury

1. Technika sprzęgaczy i ich zastosowanie

V n. Profile współczynnika załamania. Rozmycie impulsu spowodowane dyspersją. Impuls biegnący wzdłuż światłowodu. Wejście Wyjście

PL B1. Materac do monitorowania stanu pacjenta w opiece pielęgnacyjnej oraz zespół materacy

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Zworka amp. C 1 470uF. C2 100pF. Masa. R pom Rysunek 1. Schemat połączenia diod LED. Rysunek 2. Widok płytki drukowanej z diodami LED.

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Transkrypt:

Czujniki światłowodowe

Budowa światłowodu Źródło: patela.prv.pl

Jak działa światłowód? Źródło: patela.prv.pl

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

Światłowody włókniste i planarne Źródło: patela.prv.pl

Światłowody jednomodowe i wielomodowe Źródło: patela.prv.pl

Światłowody skokowe i gradientowe Źródło: patela.prv.pl

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)

Parametry mechaniczne szklanego światłowodu włóknistego 6 5 wlokno swiatlowodowe drut stalowy punkt rozerwania 4 σ [GPa] 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 ε [%] Zależność pomiędzy naprężeniem σ a odkształceniem ε dla szklanego włókna światłowodowego oraz drutu stalowego

Definicja czujnika pomiarowego Czujniki optyczne to czujniki z podwójnym przetwarzaniem

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

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

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

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

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,... )

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

Czułość naprężeniowa oraz temperaturowa dla typowych siatek Bragga λ B [nm] K ε [pm/με] K T [pm/ C] 830 0,64 6,8 1300 1,0 10 1550 1,3 13

Pomiary czułości naprężeniowej światłowodowej siatki Bragga 874 872 870 wyniki poomiarow aproksymacja liniowa 868 λ Bragg [nm] 866 864 862 860 Kε = 0,677 pm/µε 858 856 0 5000 10000 15000 20000 25000 Odksztalcenie [µε]

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

Pomiary charakterystyk odbiciowych i transmisyjnych siatki Bragga -50 I zas = 100mA -40 I zas = 100mA -55 P [dbm] -60 P [dbm] -45-50 -65-55 -70 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 λ [nm] 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370 λ [nm]

Pomiary charakterystyk odbiciowych i transmisyjnych siatki Bragga

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

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

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

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

Siatka Bragga jako czujnik wodoru Analyte H 2 Surface plasma wave 12..45 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 0 20 40 60 80 100 120 140 Time [s]

Sieć światłowodowa z siatkami Bragga do monitorowania odkształceń masztu jachtu morskiego

Zastosowanie siatek Bragga do pomiaru odkształceń rurek węglowych Pressure [MPa] Strain [ ] Strain [µε] 8 6 4 2 0 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time [s]

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

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

Przykłady czujników amplitudowych

Pierwsze próbki z czujnikami amplitudowymi Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Pressure [MPa] 60 45 30 15 0 0 100 200 300 400 Strain [ ] 8 6 4 2 0 P opt [db] 3 2 1 0 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Time [s]

Konstrukcje z czujnikami amplitudowymi

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

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

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

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]

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

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

Czujniki z modulacją fazy Źródło: SMARTEC

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

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