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
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
Przykłady czujników natężeniowych Czujnik zbliżeniowy Pomiar przesuwów i kąta S źródło D - detektor Pomiar przesuwów siatka dyfrakcyjna klin i drgań
Przykłady czujników natężeniowych cd Przemieszczenie Czujnik przemieszczeń Straty na mikrozgięciach światłowód Kierunek ruchu światłowody Czujnik poziomu cieczy Wykorzystane zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia
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
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
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!!
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
Sieci czujników z laserem generującym kilka λ Laser cw Czasowy analizator Laser impulsowy
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
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
Mikroskala
Mikroskala
Kilka przykładów zastosowań Żyroskop Miernik przyspieszenia Mikrofon Mikrozwierciadło
Elektrostatyczne mikro-zwierciadła zasada działania
Elektrostatyczne mikro-zwierciadła
Zintegrowane systemy pomiarowe
Zastosowania czujników
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
Zastosowania czujników
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
Zastosowania czujników
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