Prezentacja programu PowerPoint - zif.mchtr.pw.edu.plzif.mchtr.pw.edu.pl/download/119.pdf ·...
Transcript of Prezentacja programu PowerPoint - zif.mchtr.pw.edu.plzif.mchtr.pw.edu.pl/download/119.pdf ·...
Technika światłowodowa
Czujniki światłowodowe
Pomiar wielkości fizycznych zaburzających propagacjępromieniowania
Ogólny schemat →
← czujnik zewnętrzny
i wewnętrzny →
Technika światłowodowa
Czujniki światłowodowe
Koszt podstawowych elementów
Jakośćelementów
Dostępna liczba tanich elementów
1980 1990 2000
diody laserowe 3000 USD/szt. (prototyp) 3 USD/szt. -
światłowody jednomodowe
5-10 USD/m (bardzo ograniczony wybór)
0,10 USD/m (standardy telekomunikacji) -
zintegrowane optyczne modulatory
urządzenia laboratoryjne
7000 USD/szt. (prototypy) 50 USD/szt
Technika światłowodowa
Samolot przyszłości z „inteligentnym” silnikiem i poszyciem, wyposażony m.in. w czujniki światłowodowe monitorowania temperatury i ciśnienia (silnik) oraz odkształceń (poszycie)
Technika światłowodowa
Systematyka czujników
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa
I. CZUJNIKI INTENSYWNOŚCIOWE• większość czujników dostępnych handlowo (pierwsze 1970)
• prostota• niska cena• wysoka niezawodność
PROBLEMY• tłumienie światła• zależność detektorów od λ• zależność detektorów i źródeł (LED) od temperatury• czułość na zmiany zewnętrzne• starzenie modułów toru czujnika ⇒ zmiana wskazań
CZUJNIKI ZE ŚWIATŁOWODAMI WIELOMODOWYMI
S
S
S D
D
D
Światłowód
(c) kątowy
(b) poprzeczny
(b) wzdłużny
Światłowód
Światłowód
Światłowód
TYPY CZUJNIKÓWZBLIŻENIOWE
zmiany (modulacja) intensywności światła na detektorze
Technika światłowodowa
ZBLIŻENIOWE Z REFLEKTOREM
Podstawowa wada:brak sygnału odniesienia
Poprawa stabilności pracy (mniejsza wrażliwość na zmiany amplitudy promieniowania)
światło
d - średnica światłowodu
fotodiody
światłowód wielomodowyruchome zwierciadło
Technika światłowodowa
POMIARY W CZUJNIKACH INTENSYWNOŚCIOWYCH Z SYGNAŁEM ODNIESIENIA
Cel: minimalizacja błędów detekcji
Układ daje 4 sygnały „wy” z różnym wpływem mocy źródeł i strat w światłowodachKombinacja sygnałów „wy” daje sygnał proporcjonalny do M
101
101
ABBAM ∝
B1
B10
A10
A1
Sygnały z S1 i S2
rozseparowane na 2 wy• ZRÓWNOWAŻONY MOSTEK POMIAROWY
S1
S10M
A
B
Filtr
Filtr
tu wpływ wielkości mierzonej na intensywność
LED11 kHzmod
LED210 kHz
-2 wy
Technika światłowodowa
PODZIAŁ WIĄZKI
wiązka przechodząca
s.odniesienia
wiązka odbita niesie informacje o M
D1DM 2
∝
Wada: obydwa światłowody mogą podlegać różnym wpływom zewnętrznym
źródło
detektor 2
zwierciadłopółprzepuszczalne
detektor 1
Technika światłowodowa
MIGAWKI - mierzymy przesunięcie elementu przesłaniającego
siatkasiatka
prąż
ki m
ory
światłowód światłowód
mikrosoczewka mikrosoczewka
światłowód światłowód
soczewka sferyczna
Technika światłowodowa
SENSORY ODBICIOWE - przemieszczenia
Ilość światła zebranego po odbiciu zależy od odległości „x”
sprzęgacz typu „Y”
światłowody oświetlające
światłowody odbiorcze
reflektor
światłowody
rozkład intensywności w wiązce oświetlającej rozkład intensywności
w wiązce pobieranej
Rozwiązanie z matryca światłowodów – zwiększenie zakresu i rozdz.
Technika światłowodowa
SENSORY MIKROZGIĘCIOWE (s. wewnętrzne)
Straty światła rosną przy zwiększającej się sile nacisku na płytkę
max wydajność sensora gdy „a” = drodze dudnienia „dd”
„dd” - różnica wektorów falowych dla rdzenia i płaszcza dd ~1mm
przemieszczenia
światłowód
a
element odkształcający
przemieszczenieF
Technika światłowodowa
SENSORY BAZUJĄCE NA MODULACJI ZEWNĘTRZNEJ WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA
1. zmiana „n” płaszcza płaszcz z mat. elektrooptycznego, magnetooptycznego, elastooptycznego
⇓działanie polem elektrycznym,
magnetycznym, ciśnieniem
2. sensory poziomu cieczy
imersja światłowodowa w cieczy powoduje straty mocy przez pow. boczne
straty światła
• światłowód z wytrawionym płaszczem • światłowody doprowadzone do pryzmatuw powietrzu → całkowite wewnętrzne odbiciew cieczy → straty promieniowania
powietrze
ciecz
Technika światłowodowa
CZUJNIKI ZANIKAJĄCEGO POLA
S. zewnętrzne → obszar pomiarowy bardzo mały (nm)Zasada → sprzęganie pola zanikającego pomiędzy rdzeniami światłowodów
θ - kąt całkowitego odbicia dla powierzchni (np.)obszar „d” może być wypełniony cieczą o n
↓ modulacja intensywności przez • modulację d• modulację n
char
akte
ryst
yka
trans
mis
ji
włóknordzeń
Technika światłowodowa
CZUJNIKI Z DWIEMA DŁUGOŚCIAMI FAL
Zał.: straty niezależne od λspektralna charakterystyka S i D strata w t
dla λ1
dla λ2
dla λ1(pomiar w t1)
dla λ2(pomiar w t2)
MMM
D2D1
2
1 ∝=
M1, M2 - modulacje intensywności spowodowane pomiarem wielkości szukanej dla λ1 i λ2
Technika światłowodowa
II. CZUJNIKI ZE ZMODULOWANĄ DŁUGOŚCIĄ FALI
Wykorzystują efekt modulacji intensywności, która jest mocno zależna od długości fali promieniowania.
Podstawowy problem: dostarczyć wystarczającą energię do detektora, bo tylko jej część(Δλ) jest wykorzystywana do detekcji.
Typy czujników bazujące na:
ABSORPCJI ROZPRASZANIU
LUMINESCENCJI DYSPERSJI
INTERFERENCJI
Technika światłowodowa
• SENSORY ABSORPCYJNEProces absorpcji dla różnych materiałów
( )CLλα
0
eII −∝I, I0 - intensywności po i przed absorpcją
α(λ) - współczynnik absorpcji zależny od λC - koncentracja absorbujących cząsteczek (jonów) w obszarze pomiarowymL - wymiar (długość) obszaru pomiarowego
• czujniki promieniowania (np. jonizującego)• czujniki obecności substancji chemicznych (np. gazu ziemnego)• czujniki przemieszczenia bo M∝f(L)• czujniki temperatury → bazujące na materiałach termochromowych→ bazujące na krawędzi pasma absorpcji i jej zależności
dla temperatury pokojowej λ > 900 nm - przepuszczaneλ < 900 nm - absorbowana
przesunięcie krawędzi absorpcji o 0.5 nm/ C
GaAsmateriał z krawędziąpasma absorpcji
włókna wielomodowe
Technika światłowodowa
• PIROMETRYsensor temp. dostosowany do wysokich temperatur
włókno szafirowe (kryształ Al2O3)
iridium
warstwa Al2O3
soczewkakomputer
temperatura
obszar ciała czarnego
włókno optyczne(typowe)
element światłodzielący
element pomiarowy
Promieniowanie ciała czarnego pobierane jest przez końcówkę światłowodu
profil promieniowania → określa temperatura elementu
Detektory monitorują intensywność dla dwóch wąskich obszarów Δλ1 i Δλ2
zakres temperatury 2000 ÷ 3000 °C
Zastosowanie: reaktory atomowe, komory spalania (w silnikach)
Technika światłowodowa
• SENSORY FOTOLUMINESCENCYJNE (pomiar temp.)
Widmo fluoroscencyjne zależne od temperaturdetekcja dla λ1 i λ2
TU: Pomiar czasu gdy sygnał lumin. spadnie do 1/eI0
fotoluminescencja = absorbują promieniowanie i emitują w dłuższych λ
Pomiar temperatury <400 °C
rdzeń
płaszcz
czysty elastomer
elastomer domieszkowany P
Technika światłowodowa
• SENSORY DWÓJŁOMNE
• SENSORY INTENSYWNOŚCIOWE ZMODYFIKOWANE DLA DETEKCJI MODULACJI λ
obrót
czujnik temperatury
mikro soczewka
monochromator
światło białe
skrzyżowane polaryzatory
kryształ niobianu litu
przemieszczenieświatło
białe
światłowód
niebieski
czerwony
D
Tu: efekt zależności dwójłomności od:1) temperatury2) λ
D
baza: pryzmat
SD
baza: siatka dyfrakcyjna
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa – M. KujawińskaCzujniki rozproszone i quasi rozproszone - 24 -
Czujniki rozproszone i quasi rozproszone
Technika światłowodowa
CZUJNIKI ROZPROSZONE
DZIAŁAJĄ NA CAŁEJ DŁUGOŚCI WŁÓKNA
CZUŁE NA ZMIANY : temperatury, odkształceń pola magnetycznego, elektrycznego i innych wzdłuż włókna ciągła funkcja odległości
KONCEPCJA POMIARÓW RADAROWYCH
MONITOROWANIE SYGNAŁU ROZPROSZENIA WSTECZNEGO (ECHA) KRÓTKIEGO IMPULSU ŚWIETLEGO WPROWADZONEGO DO WŁÓKNA
Pomiar wielkości i pozycji zakłócenia poprzez
POMIAR CZASOWYCH I SPEKTRALNYCH WŁASNOŚCI SYGNAŁU ROZPROSZENIA WSTECZNEGO
Technika światłowodowa
OPTYCZNA REFLEKTOMETRIA W DZIEDZINIE CZASU
OPTICAL TIME-DOMAIN REFLEKTOMETRY• Rozpraszanie:
Rayleigh’a Raman’a Brillouin’aFLUORESCENCYJNE
Lokalizacja defektów przez pomiar strat rozpraszania wzdłuż włókna
• Przestrzenna rozdzielczość OTDR – min. odległośćmiędzy defektami rozpoznawalnymi
n2CΔzminτ
=τ - długość impulsu
Technika światłowodowa
OTDR ( ) ( )zα2z
lnPi
s −=∂
∂
z = ct/2n – lokalizacja impulsu wysyłanegoαi(z) – współczynnik tłumienia
(1 neper = 4,34 dB)n – wspólczynnik załamania rdzeniak – stosunek podziału na sprzegaczu (we) r(z) – efektywny współczynnik odbicia
(rozproszenia) Rayleigh’anajednostkę długości
D -
( ) ( ) ( ) ( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−= ∫z
oios dzzαexpzDrkPk1tP
Detekowany impuls rozproszenia (odbicia) wstecznego
Log(Ps)
T=2nz/c
połączenieEndc
α
Technika światłowodowa
OPTYCZNA REFLEKTOMETRIA W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCIOptical Frequency Domain Reflektometry (OFDR)
(zał.) Wprowadzony impuls świetlny o zmiennej w czasie częstotliwości(np. przez zmiany prądu zasilania lasera pół;rzewodnikowego)
fD – max różnica częstotliwości prom wefc –repetycja modulacji częstotliwości
Δf – zamieniona na pomiar częstości dudnienia „mora” elektroniczna
zaleta: lepsza rozdzielczość niżOTDR ok. 10 cm
wymaganie: koherencja źródła większa niż 2Lmax
Światło rozproszone wstecznie będzie miało inną częstotliwość niż sygnał wprowadzony
dioda laserowa
detektorzwierciadło
.....................
.......... ....................
........................
fd
1/fc czas
Δf
częstotliwość
t
i,f
Technika światłowodowa
Pozostałe techniki OTDRPolaryzacyjna
Rozpraszanie Rayleigh’a zachowuje polaryzacjęwłókno jednomodowe + detekcja czuła na polaryzację
Wykorzystanie dwójłomności wymuszonej we włóknie przez zmiany środowiska(Porównanie kierunku polaryzacji impulsu we i wy)
Zastosowania:pole magnetyczne (Faraday zjawisko)pole magnetyczne (efekt elektro-optyczny)
zmiany współczynnika elasto-opt.
poprzecznie przyłożone ciśnienie (np. kable podwodne) temperatura
polaryzator
analizatordetektor
tu: wykorzystanie światłowodu zachowującego stan polaryzacji
Technika światłowodowa
SENSORY CZĘŚCIOWO ROZPROSZONETECHNIKI MULTIPLEKSYJNE
(zał) możliwość wytworzenia macierzy punktowych sensorów we włókniemożliwość utworzenia sieci sensorów zgodnie z zał. Topologią
Zaleta: większa rozdzielczośc niż sensorów rozproszonych.
Wymaganie: jednoznaczna identyfikacja sygnału z każdego czujnika i jego demodulacja
Tu: metody multipleksyjnemetoda czasowametoda przestrzennametoda wg długości falimetoda wg koherencji promieniowej
Technika światłowodowa
Typy sensorów
• wewnętrzne: zmodyfikowane wycinki FO zapewniające zlokalizowane źródła światła : strat, rozproszenia wstecznego, polaryzacji, fluoroscencji, itd.; ew. miejscowa modyfikacja płaszcza dla wykorzystania pola zanikającego
• zewnętrzne: w linię światłowodową wbudowane czujniki nieświatłowodowenp. sensory na szkle rubinowym zmieniają λ → 600
620 nm przy zmianie temperatury ~ 2,2 A°/°C
Technika światłowodowa
TECHNIKI MULTIPLEKSYJNET.M. PRZESTRZENNEJ : SPATIAL DIVISION M. (SDM)
pojedyncze źródło + macierz detektorów
Każdy czujnik ma oddzielne łącze światłowodoweWada : wysoki kosztZalety : brak przesłuchów
sensory adresowane równolegle
T.M. CZASOWEJ : TIME DIVISION M. (TDM)Zasada: kolejne w czasie adresowanie sensorów1) Przełączanie elektro-optyczne lub elektro-mechaniczne
Zaleta: brak przesłuchów Wada : krótki czas monitorowania pojedynczego sensora
2) Impuls wejściowy szereg impulsów wy uzyskanych przy odbiciu na kolejnychsensorach: τ
Technika światłowodowa
źródłomodulator
MULTIPLEKSJA CZASOWA - przykładsensory mikrozgięciowe
echo z najdalszego sensora wraca w czasie pojedynczej repetycji
impulsu
odległość sensorów taka, aby można było rozdzielić „echa”
Technika światłowodowa
podobne do OFDR
topologia „drabinowa”
Detekcja w płaszczyżnie widma
MC- Wykorzystanie zasadyoptycznej reflektometrii w dziedzinie częstotliwości
ci
Di fc
2nLfΔf =
t
i,f
Sygnały elektryczne analizowane w dziedzinie widma częstotliwościIdentyfikacja N częstotliwości dudnienia Δf1...........,ΔfN
zalety: wysoka czułość, mniejsza moc, wąskie pasmo przenoszenia układu detekcyjnegowady: źródło o bardzo dużej drodze koherencji
Li – odległośći-tego sensora
Technika światłowodowa
T.M. Z ROZDZIAŁEM DŁUGOŚCI FALI ŚWIATŁA
1. F1, F2, F3 – elementy dyspersyjne kierujące każde λi do właściwego detektora
(zał) sygnał wejściowy o szerokim zakresie λ detektory dostosowane do λi
2. FOS – np. siatki Braggawe włóknie
detektor
topologia „drabinowa”
Technika światłowodowa
Lr = Ls
Ls >> LcLc – długość koh. światłamacierz int. M2
Coherence multiplexing
T.M. KOHERENCYJNE : Coherence multiplexing
Bazują na technice interferometrii różniczkowej z dopasowanymi drogami optycznymi – sensorem interferometrycznym z niewyrównanymi drogami i optycznymi Ls
dla czujników interferometrycznych
ZASADA
również można zastosować do interferometru ze światłem białym
tu skompensowana droga optyczna z sensoraLr = Ls
Lr >> Lc
Lc – długośćkoherencji żródła
Technika światłowodowa
Przykłady zastosowańSD1) monitorowanie naprężeń w dużych strukturach inżynierskich: budynki,
mosty, tamy, zbiorniki, statki, platformy wiertnicze, statki kosmiczne, samoloty
2) monitorowanie temperatury w: elektrycznych transformatorach mocy, generatorach, reaktorah atomowych, piecach, sieciach detekcji przeciwpożarowej
3) detekcja wycieków w rurociągach4) systemy przeciwwłamaniowe5) detekcja anomalii pól EM w systemach dystrybucji mocy6) „smart structures” - czujniki wkomponowane w materiały kompozytowe
dla detekcji naprężeń, wibracji, temperatury w powłokach np. struktur pojazdów kosmicznych
SQDzastosowania do wielopunktowych pomiarów jednej wielkości
zastosowanie do pomiarów różnych wielkości w różnych punktach pomiarowych
energetyka przemysł chemiczny budowa maszyn
Technika światłowodowa
Sieci czujników
Idea prostej sieci
ze sprzęgaczem multipleksowym
i demultiplekserem
W różnych miejscach mierzone różne wielkości fizyczneza pomocą promieniowania o różnych λ
Technika światłowodowa
Zastosowania czujników
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa – M. KujawińskaCzujniki interferometryczne - 40 -
Czujniki interferometryczne
Technika światłowodowa
OPTOELEKTRONICZNE PRZETWARZANIE SYGNAŁUZadanie:
wyznaczyć wartość wielkości mierzonej z wy sygnału i interferometruusunąć szumuzyskać dużą czułośćodpowiedź sygnału ~ wielkość mierzona
Informacja zakodowana w fazie sygnału
φ(t) = φs sinω0t + φn(t) + φ0
zał. sin zmienność fazy (analiza Fouriera)
Detektor czuły na intensywność I ~ A (1 + cos φ)
DWIE KLASY PRZETWARZANIA:DWIE KLASY PRZETWARZANIA:
TECHNIKA HOMODYNOWA:optyczna częstość sygnałów interferujących jest taka sama
TECHNIKA HETERODYNOWA:optyczna częstość sygnałów interferujących nieco różna (Δω)
Technika światłowodowa
TECHNIKI HOMODYNOWEHomodyna pasywna
Uwaga: zmiany w czułości i liniowości odpowiedzi w zależności od punktu pracy
φd – stała różnica faz między ramionamiinterferometru
φs – sygnał wymuszeniai3= I1 – I2 = 2I0V cos [φm sin ωmt + φd + φs(t)]
π/2 π
faza
V
układ nadążny
S D
integrator
+-
V1
modulator fazy
D V2
Wm
układ nadążny
S D
integrator
+-
modulator fazy
Wm
φ
napięcie odniesienia
„servo”
wielkość mierzona
DS
Homodyna aktywna
Technika światłowodowa
H.P. – „Square & Add” Technique
V1 ∝ A (1 + cos (φ0 + φn + φs sin ωst))
V2 ∝ A (1 + sin (φ0 + φn + φs sin ωst))
sygnały poddane filtracji górnopprzepustowej
usunięcie członu stałego
wyrażenia sin ( ) i cos ( ) rozwinięte w szereg funkcji Bessela
(zał) φs małe wtedy wszystkie wyrazy szeregu o rzędzie > 1 są do pominięcia
wtedy V1 ∝ - sin (φ0 + φn) [J1 (φs) sin ωst]
V2 ∝ cos (φ0 + φn) [J1 (φs) sin ωst]
sygnały z detektorów podniesione do kwadratu i dodane:
gdy φs małe to J1 (φs) ∝ φs
( ) ( )tωsinJVVV s2
s21
22
21
2tot φ∝+=
Technika światłowodowa
H.P. „Differentiate & Cross Multiply” techniqueφs dowolne
obydwa napięcia są rózniczkowane
różniczki przemnażane są
zaleta: brak założenia, że φs jest małe ale zał. φn, że jest wolno zmiennedla uzyskania φ całkowaniechociaż niekiedy korzystne uzyskanie wartości
System praktyczny dla H.P.
Sprzęgacz 3 x 3V1 = A + B cos φ + C sin φ
V2 = -2 B(1 + cos φ)V3 = A + B cos φ - C sin φ
V1 + V2 = 2A + 2B cos φV1 – V3 = 2C sin φ
( ) 21 V
dtdsin
dtd
dtdV φ
==φ=φ
−∝ ( ) 12 V
dtdcos
dtd
dtdV φ
==φ=φ
−∝
( ) ( )[ ]dtdsincos
dtd
dtdVV
dtdVVV 221
22
1totφ
=φ+φφ
=−=
dtdφ
kwadratura
V1
V2
V3
Technika światłowodowa
TECHNIKI HETERODYNOWE
(zał) przesuwnik częstotliwości jest w jednym z ramion interferometrufopt ~ 40 000 GHz
przesunięcie Δf kHz ÷ 100 MHz(wynik) oscyluje w sygnale wy interferometru
V1 = A [1 + cos (φ + Δft)]
Odzyskanie sygnału φ np. przez porównanie V1 z referencyjnym Vref ≅ 1 + cos (Δft) „phase – locked loop”
Częst. nośnafopt
Δf (heter.)
Technika światłowodowa
PseudoheterodynowanieStosuje modulator fazy dla wprowadzenia liniowo wzrastającej fazy w interferometrze
wówczas możemy założyć gdy Δφ ∞to prawdziwe heterodynowanie fizycznie konieczny nawrót przesuwnika fazy
Możliwośc uzyskania „ciągłej Δf” gdy Δφ = 2π Ni natychmiastowy powrót „rapid flyback”
W przypadku asymetrycznego wysterowania przesuwnika poprawa heterodynowania przez filtrację dolnoprzepustowąPrzesuwniki : PZT lub modulacja częstotliwości lasera (np.zmianyprądu lub temperatury dν/di 1-10GHz/mA dla czest. Poniżej 50kHzW INTERF. w całym polu: realizacja metody dyskretnej zmiany fazy
∫∝φ dtΔfΔ
a modulacja czoła fali
b sygnal wyjściowy interferometru
faza
Technika światłowodowa
Technika światłowodowa
Zakłócenia wywołane odbiciami wstecznymi
W zależności od wartości i fazy sprzężenia zwrotnego:- kilkudziesięcioprocentowe rozszerzenie lub zwężenie linii
widmowej lasera zależne od fazy odbitego promieniowania- rozpad linii widmowej na kilka rywalizujących ze sobą linii (tzw.
przeskakiwanie między modami – ang. mode hopping)- pojawienie się modów satelitarnych- wzrost RIN, zwiększenie szerokości linii widmowej
W ogólności większość laserów pracuje zadowalająco przy poziomie sprzężenia mniejszym niż –30dB, a więc uzyskiwanym za pomocą izolatorów optycznych.
Technika światłowodowa
Czujnik fazowy
Interferometr Macha-Zehndera
S – źródło D - detektor FM i FR – światłowód pomiarowy i odniesieniaDC - sprzęgacz
Pomiary:temperatury, odkształcenia, pól magnetycznych
elektrycznych, akustycznychCzujnik o nadzwyczaj wysokiej czułościProblem wydzielenia wpływu różnych parametrów
Technika światłowodowa
Przykłady czujników fazowych cd
S – źródło D1 i D2 detektoryDC - sprzęgacze
Interferometr Sagnaca
Interferencja fal biegnących w przeciwnych kierunkach
Giroskop optyczny
Pomiar kąta obrotu i przyspieszenia w ruchu obrotowym
Pomiar pól akustycznych
Technika światłowodowa
Zastosowania czujników
Technika światłowodowa
Zastosowania czujników