Laboratorium techniki światłowodowej Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdańsk 2006
1. Wprowadzenie W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny wzrost zastosowań światłowodów. Głównym obszarem ich wykorzystania jest telekomunikacja, jednak istotne jest również ich stosowanie w technice kontrolno-pomiarowej, przede wszystkim w charakterze czujników różnych wielkości fizycznych i chemicznych. Decydującą rolę odgrywają tu szczególne własności włókien optycznych, jak: niewrażliwość na oddziaływania zewnętrznych pól elektromagnetycznych, możliwość pracy w obecności urządzeń pod napięciem, odporność na działanie czynników chemicznie agresywnych. Własności te wynikają w znacznym stopniu z własności materiałów, z których wykonane są światłowody. Pod względem elektrycznym są bardzo dobrymi dielektrykami, natomiast pod względem magnetycznym należą do materiałów nieferromagnetycznych. Z kolei czujniki światłowodowe w ogólności charakteryzują się ponadto wysoką czułością i względnie prostą konstrukcją. Umożliwiają niekiedy pomiary bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do realizacji innymi metodami. Tematem niniejszego ćwiczenia jest światłowodowy czujnik odbiciowy przeznaczony do pomiaru przesunięcia. Czujniki tego typu są coraz częściej stosowane w systemach pomiarowokontrolnych i w robotyce. Stanowią podstawę do konstruowania czujników innych wielkości fizycznych, których pomiar sprowadza się do pomiaru przesunięcia, na przykład czujników siły, ciśnienia i przyśpieszenia. Znajomość charakterystyki tego typów czujników jest również istotna przy konstruowaniu innych typów sensorów optycznych, zwłaszcza czujników wielkości chemicznych (pco, pc02, ph) wykorzystujących zmianę natężenia wiązki odbitej. 2. Zasada działania światłowodowego, odbiciowego czujnika przesunięcia Zasadę działania czujnika ilustruje rysunek 1. Rysunek 1. Zasada działania odbiciowego czujnika przesunięcia. Sensor składa się z dwóch ramion (światłowodów). Jednym z nich jest transmitowana wiązka światła od nadajnika do powierzchni odbijającej, natomiast drugie ramię transmituje wiązkę światła do układu detekcji. Natężenie światła docierającego do detektora zależy w istotny sposób od odległości D powierzchni odbijającej od czoła światłowodów. Typowy kształt odpowiedzi czujnika pokazano na rysunku 2. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 2
Rysunek 2. Kształt typowej charakterystyki czujnika odbiciowego. Powyższa charakterystyka ta składa się z dwóch odcinków: pierwszy, gdzie natężenie rośnie w przybliżeniu proporcjonalnie do odległości czujnika od powierzchni odbijającej, następnie po osiągnięciu maksimum charakterystyka jest funkcją malejącą (w przybliżeniu jest proporcjonalna do D -2 ). Jakościowo kształt tej krzywej można uzasadnić w oparciu o geometryczny model rozchodzenia się promieniowania. Obrazem plamki świetlnej wytworzonej przez światłowód nadawczy na płaszczyźnie odbijającej jest okrąg o średnicy R: R 2D tan (1) gdzie: θ tzw. kąt akceptacji włókna (rysunek 3a). Wartość kąta θ można natomiast wyznaczyć z zależności: arcsin n NA 0 gdzie: n 0 współczynnik załamania ośrodka, w którym rozchodzi się promieniowanie (zazwyczaj powietrze), NA apertura numeryczna włókna. (2) Rysunek 3. Geometria wiązki padającej i odbitej: a) uklad rzeczywisty, b) uklad transformowany. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 3
W wypadku włókien o skokowym profilu współczynniku załamania: 2 2 NA n 1 n2 (3) gdzie: n 1 współczynnik załamania rdzenia, n 2 współczynnik załamania płaszcza. Ponieważ kąt odbicia promieni jest równy kątowi padania, więc wiązka odbita tworzy w płaszczyźnie czołowej włókien okrąg o średnicy 2R. Można to łatwo zrozumieć transformując układ rzeczywisty z rys.3a do układu liniowego pokazanego na rys.3b. Maksimum natężenia wiązki odbitej uzyskamy w sytuacji, gdy światłowód odbiorczy (rys. 3b) będzie położony najbliżej światłowodu nadawczego ale tak, aby cała jego powierzchnia czołowa była oświetlona. Dla sąsiadujących ze sobą światłowodów (np. para 1-2) odpowiada to warunkowi: r tan (4) D gdzie: r promień rdzenia światłowodu. Przy dalszym zwiększaniu odległości włókien od powierzchni odbijającej, gdy cała powierzchnia czołowa światłowodu odbiorczego jest oświetlona, natężenie wiązki dochodzącej do tego włókna maleje proporcjonalna do D -2 W przedstawiony sposób można jedynie jakościowo uzasadnić kształt charakterystyki sensora. Pełna analiza powinna uwzględniać fakt, że zazwyczaj rdzenie włókien są rozsunięte na pewną odległość x oraz że wiązka wychodząca nie jest wiązką o jednorodnym natężeniu. Zazwyczaj jej kształt zbliżony jest do funkcji Gaussa (rys.4). Stosunkowo dokładną analizę pracy takiego sensora opisano w literaturze [4, 5]. Rysunek 4. Kątowy rozkład natężenia rzeczywistej wiązki padającej i odbitej od powierzchni odbijającej. Należy również dodać, że praktycznie stosuje się różne konfiguracje takich czujników, gdzie zamiast dwóch włókien o większych średnicach wykorzystuje się zazwyczaj wiązki światłowodów. Uzyskujemy w ten sposób możliwość pewnego kształtowania charakterystyki sensora. Ilustruje to rysunek 5. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 4
Rysunek 5. Przykładowe konfiguracje sensorów odbiciowych: a) porównanie charakterystyk sensorów, b) typowe konfiguracje sondy. Zwiększenie czułości sensora odbiciowego uzyskać można w tak zwanym czujniku różnicowym, składającym się z dwóch sond pomiarowych rozsuniętych na taką odległość, że jedna z nich pracuje na wznoszącej się części charakterystyki, a druga na części opadającej (rys.6). Wyjściowy sygnał różnicowy z takiego czujnika charakteryzuje się nie tylko większą czułością, ale umożliwia jednoznaczne określenie, czy czujnik zbliża się czy oddala od powierzchni odbijającej jego charakterystyka jest funkcją ściśle monotoniczną. Warto również zauważyć, że ponieważ informacja o mierzonej wielkości (przesunięciu) zawarta jest w natężeniu wiązki, więc nadajnik musi generować sygnał o stałej amplitudzie. W tym celu musi być odpowiednio dobrze stabilizowany. Oczywiście na natężenie odbitego sygnału istotny wpływ ma rodzaj powierzchni odbijającej, jej gładkość i to, czy ustawiona jest dokładnie prostopadle do osi czujnika. Zazwyczaj powierzchnia odbijająca nie jest powierzchnią idealnie gładką i wykazuje mniejszą lub większą chropowatość. Światło odbite zawiera więc składową wynikającą z tak zwanego odbicia dyfuzyjnego. Wpływ nieidealnego odbicia przejawia się w zmniejszeniu natężeniu sygnału, jednak jakościowo kształt charakterystyki sensora nie ulega zmianie. Rysunek 6. Konstrukcja czujnika różnicowego. Laboratorium techniki światłowodowej Strona 5
3. Zadania pomiarowe 1. Zapoznać się z zasadą działania sensora i układem pomiarowym. 2. Wybrać 3 spośród dostępnych układów sensorów (światłowód numer 1 i 2, światłowód numer 1 i 3 oraz światłowód numer 1 i 4) i trzy spośród dostępnych powierzchni odbijających. 3. Pomierzyć charakterystyki dla wszystkich układów sensorów dla każdej powierzchni odbijającej w następujący sposób: po założeniu sensora ustawić odległość, przy której odbierany sygnał jest największy, ustawić optymalną moc nadajnika, obserwując wskazania woltomierza (z uwagi, że układ odbiorczy odbiornika wchodzi w stan nasycenia przy napięciu wyjściowym około 4V, napięcie maksymalne nie powinno przekraczać 3,5V), przeprowadzić pomiar charakterystyki od odległości D=0 do odległości, przy której nastąpi około 10-krotny spadek mocy względem mocy maksymalnej. Uwaga! Przy pomiarach ustawiać odległość D=0 wyjątkowo ostrożnie, aby nie złamać światłowodów przy zbytnim przesunięciu do powierzchni odbijającej. 4. Opracowanie 1. Przedstawić na wspólnym wykresie pomierzone charakterystyki. 2. Dla wybranych sensorów obliczyć odległości, dla których powinno wystąpić maksimum odbieranej mocy (jeżeli nie podano inaczej, przyjąć w obliczeniach średnicę światłowodu d = 0,5 mm, n 1 =1,51 oraz NA = 0,47). Porównać wyliczone wartości z pomierzonymi. 3. Przedstawić wnioski. 5. Literatura 1. Smoliński: Optoelektronika światłowodowa. WKiŁ, Warszawa 1985 2. M. Szustakowski: Elementy techniki światłowodowej. WNT, Warszawa 1992 3. J. E. Midwinter: Światłowody telekomunikacyjne. WNT, Warszawa 1983 4. J. Siudak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1997 Laboratorium techniki światłowodowej Strona 6