Šviesolaidiniai sensoriai - Inžinerinio bendravimo pagrindai Kursinis darbas

KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS

MECHANIKOS IR MECHATRONIKOS FAKULTETAS

INŽINERINĖS MECHANIKOS KATEDRA

Šviesolaidiniai sensoriai

Inžinerinio bendravimo pagrindai

Kursinis darbas

Įvadas

Šviesos skaidulos – tai stiklo skaidulos, paprastai apie 120 mikrometrų diametro, kurios yra naudojamos signalams pernešti šviesos impulsų pavidalu iki 100 kilometrų distancijose be poreikio naudoti signalų kartotuvus. Šie signalai taip pat gali būti naudojami balso komunikacijoms ar kompiuteriniams duomenims.

Šviesolaidžiai perneša signalus su žymiai mažesniais energijos nuostoliais nei variniai bei su daug platesne kanalų juosta. Taip pat jie yra lengvesni ir plonesni. Daug lengviau pritaikomi. Šviesolaidiniai sensoriai persikėlė į tokį aukšt¹ lygį, kad tuoj pat įmanomi pritaikyti beveik visose srityse. Skirtingi šviesolaidinių sensorių tipai, komponentai, naudojami sensoriuose, sensorių projektavimas ir analizė, paskirstytos multipleksuotos (iki 500 vietų) sensorių schemos ir integruotos optikos vaidmuo yra ryškiausioje vietoje.

Šviesolaidžiai

Šerdys turi didesnį atspindžio koeficient¹ nei apvalkalas. Taip pat apvalkalas neneša šviesos. Bet jis yra svarbi pluošto dalis.Jis ne tik apsaugo, bet ir palaiko kritinio kampo konstantos reikšmź per vis¹ ilgį. Visiško atspindžio pagalba šviesa visada pasiekia tiksl¹. Šviesolaidiniai paprastai būna dviejų tipų: žingsninio rodiklio bei laipsninio. Jei paimsime 20 MHz pločio 1 kilometrui pluošt¹, tai 20 kilometrų ši juosta bus tik 1 MHz. Tipiški B.D.P.(priklausomai nuo struktūros MHz.km) yra Multimode – 6 – 25 Mhz.km, Single mode - 500 – 1500 MHz.km bei Graded index - 100 – 1000 MHz.km.

Šviesolaidiniai sensoriai

Šviesolaidžių technologija ir pritaikomumas pastaruoju metu smarkiai išaugo. Šviesolaidis, buvźs kaip fizikinė priemonė tampa pritaikomas vis kitose srityse. Komunikacijose, kabeliu sklindantis signalas yra moduliuotas, tačiau jutimo procese pluoštas veikia kaip moduliatorius. Tai taip pat tarnauja kaip keitiklis ir konvertuoja matavimų duomenis kaip temperatūra, įtempimus, slėgį, kintam¹ bei elektrinź srovź į atitinkam¹ spinduliavim¹. Ir apskritai, šviesolaidiniai sensoriai yra charakterizuojami kaip žymiai jautresni, specialiai paruošti – gali atlaikyti ir aukštas temperatūras, ir kitoki¹ specifinź aplink¹.Telemetrijoje ir nuotoliniame valdyme yra galimybė panaudoti pluošto segment¹ kaip matavimo prietais¹, kuris nuneštų reikiam¹ signal¹ į nuotolinio valdymo stotį. Daugelis signalų apdorojimo prietaisų(dalytuvas, maišiklis, multiplekseris, filtrai, delsimo linijos) gali būti pagaminti iš pluošto elementų, o tai įgalina pritaikomum¹ visose matavimų srityse.

Yra trys šviesolaidinių sensorių variantai:

Pagrįsti moduliacija ir demoduliacija sensoriai gali būti pavadinti

kaip intensyvumo(amplitudės), fazės, dažnio ar poliarizacijos. Fazės ar dažnio detekcija optikoje vadinasi interferometrine technika, tai nuo to yra ir interferometriniai sensoriai(heterodininiai, koherentiniai). Nekoherentiški sensoriai esti paprastos struktūros, bet koherentinė detekcija labiau kompleksinė ir siūlo daug geresnes jautrumo bei rezoliucijos s¹lygas.

Šviesolaidiniai sensoriai taip pat gali būti klasifikuojami pagal

pritaikomum¹: fizikiniai(temperatūros, slėgio ir t.t.), cheminiai(pH, dujų analizė ir t.t.), bio-medicininiai(endoskopuose).

Išoriniai ar vidiniai sensoriai yra kita klasifikacijos schema. Pagal

šablon¹, jutimas išorėje pluošto ir dažniausiai kaip efektyvi bei reikiama į ir išsiuntimo forma į jutimo objekt¹. Kitu atveju, vidiniuose sensoriuose keletas pluošto fizikinių savybių tyria pokyčius kaip tai apibrėžta viršuje(1).

Esminiai komponentai

Šviesolaidiniai sensoriai iš esmės susideda iš šviesos šaltinio, siuntimo – priėmimo pluošto ilgio, fotodetektoriaus, demoduliatoriaus, apdorojimo prietaiso, optinio displėjaus bei reikalingos elektronikos.

Šviesolaidžiai. Ploni, ilgi, cilindriniai, kurie realizuoja visiška atspindi ir leidžia skliasti šviesai. Optinis laidas sudarytas iš vidinės šerdies bei apvalkalo, dažniausiai pagaminto iš kvarco ar retkarčiais plastmasės. MM (Multi mode) tipo susideda ir šerdies(50μm) bei galintis pernešti daug optinių bangų ilgių. Šerdies profilis būna arba žingsninis arba laipsninis(parabolinis). Įtempimų ir greiti bei intensyvūs sensoriai naudoja MM tipo šviesolaidžius. Kadangi šis tipas turi didelź šerdį, tai turi pranašum¹, kad gali nešti didelį šviesos kiekį ir lengvai apdoroti. SM(single mode) tipo pluoštas padarytas taip, kad visi aukštesnės eilės bangolaidžio rėžimai būtų reguliuojami. Šaltiniai. Puslaidininkiniai šaltiniai užtikrina geriausias dydžio, kainos, galios, energijos sunaudojimo bei pritaikomumo galimybes. Švies¹ emituojantys diodai bei lazeriniai diodai – labiausiai paplitź. LED:mažas koherentiškumas, plati spektrinė juosta, mažas jautrumas grįžtančiai šviesai bei didelis patikimumas. LD:didelis koherentiškumas, siaura juosta, didelė optinė išėjimo galia, kas yra dažniausiai interferometriniuose sensoriuose. SM tipo diodiniai lazeriai yra padaryti naudojant gamyklinį grįžtam¹jį ryšį ar išorines kavernines schemas. Aukšto patikimumo Makso – Zenderio ir Fabry – Peroto tipų sensoriai reiklauja SM tipo lazerių. LD išlaiko temperatūros svyravimus bei atsispindėjusi¹ švies¹, bet mažiau patikimi bei brangūs. Šviesos lazeriai ir stiprintuvai tampa komerciniais dalykais ir greitai ateityje turės daug įtakos sensorių vystymesi.

Detektoriai. Puslaidininkiniai fotodiodai(PD) bei lavininiai(APD) labiausiai tinkami šiems sensoriams.APD jaučia labai silpn¹ švies¹, bet reikalauja apie 100 V maitinimo. Įvairūs schemų mechanizmai bei schemos kelia triukšm¹ bei mažina jautrum¹. Šiluminiai ir traškesių triukšmai yra pagrindiniai. Norint sensorių su geru patikimumu, reikia mažinti šiuos triukšmus. Silicio PD gerai tinka ir bangų ilgiams.

Šviesolaidinių sensorių projektavimas ir analizė

Intensyvumo(amplitudės) sensoriai

Šiuo atveju, matuojant signal¹, intensyvumas(amplitudė) moduliuoja nešam¹ šviesolaidyje švies¹. Ribotas patikimumas pasiekiamas, kai trukdžių amplitudė pasiekia signalo amplitudź. Interferometriniai sensoriai

Interferometriniai sensoriai sukurti fazės pokyčių detekcijai, kai šviesa išspinduliuojama iš SM tipo šviesolaidžio.

Fazės pokytis konvertuojamas į intensyvum¹ panaudojant interferometrines schemas(Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot or Sagnac). Pluošto bei integruotos optikos panaudojimas duoda geresnį stabilum¹ bei kompaktiškum¹. Interferometriniai sensoriai yra daugiausiai naudojami sensoriai, kadangi jie suteikia didžiausi¹ stabilum¹. Pritaikomi kaip akustiniai, rotaciniai(gyroskopas), slėgio, įtempimų, cheminiai, biologiniai ir t.t. Optiniuose interferometruose šviesa detektuojama naudojant fotodetektorius. Pjezoeletrinis moduliatorius padeda ištiesinti charakteristikas.

Makso – Zenderio interferometras

Sudarytas iš dviejų šakotuvų bei dviejų šviesolaidžių, iš kurių vienas veikia kaip

jautrumo elementas, kitas kaip nurodymų.

Nurodymų atšakoje kartais dedamas pjezomoduliatorius norint palaikyti fazių skirtum¹. Trukdžiai veikia kaip temperatūros ar įtempimų pokytis, keičia fazių skirtum¹ bei mažina fotodiodo intensyvum¹.

Sagnako interferometras(Gyroskopas)

Skirtingai nuo mechaninių giroskopų, čia svarbiausi¹ vaidmenį vaidina fotonai bei interferometrijoje – Sagnako efektas: du, vienas prieš laikrodžio rodyklź, kitas pagal, priešingi srautai iš to pačio šaltiniosklinda interferometro viduje pagal t¹ patį keli¹. Šių srautų išėjime nėra fazinio postūmio, jei sistema rami. Tačiau kai sistema sukasi kampiniu greičiu w inercinėje erdvėje tarp šviesos bangų atsiranda fazių skirtumas.

Šviesolaidinis polarimetras.

Principas atsirado iš optinės anizotropijos ir naudojamas fotoelastikai nagrinėti.

Anizotropija gali paveikti natūraliai susiklosčiusios kristalo gardelės struktūr¹ ar priverstinai įtempti kristalo kraštus.Tai ir naudojama fotoelastiniuose šviesolaidiniuos įtempimų matuokliuose.Paprastai sujungti du pluoštai ir jie yra naudojami apšviesti ir surinkti šviesai, einančiai per fotoelastinį mėginį.

Paskirstitieji sensoriai

Kai kuriose sistemose reikalinga naudoti multisistemas iš daugelio sensorių. Tai galima padaryti įvairiai. Vienas iš būdų būtų įrengti kompleks¹ sensorių tinklo ar masyvo pavidalu su individualiais išėjimais multipleksuotais laike (TDM ) ar naudojant dažnio dalybos multipleksavim¹(FDM).

Telktiniai optiniai grandynai.

Optimizuoti optiniai miniatiūriniai komponentai integruoti į kristalus smarkiai keli¹ savo pasiekimus ir šioje srityje. Taip galima viename kristale ir labai mažame plote sutalpinti:generatorių, moduliatorių, multiplekserį t.y. vis¹ tai k¹ lyg šiolei gamino tik elektronika ir elektronai, bet dabar jau perėjo fotonų pusėn. Pagrindinis dalykas čia yra bangolaidis, o visa kita gali būti padaryta ant plokštuminio pagrindo. Epitaksijai gali būti naudojami tie patys metodai tik su kitomis medžiagomis.

Išvados

Šiuolaikinėms technologijoms tobulėjant greičiau už laik¹, šviesolaidinės technologijos vis platesnį rat¹, aplenkdama net elektronik¹. Šviesolaidiniai sensoriai suteikia dideles galimybes ateičiai. Jie greiti, patogūs, kompaktiški, ypatingai didelio tikslumo, signalams pernešti šviesos impulsų pavidalu iki 100 kilometrų distancijose be poreikio naudoti signalų kartotuvus, pritaikomi įvairiausiose srityse. Nors šviesolaidinių sensorių pluoštas- stiklas gaminamas iš kvarco, kurio atsargos dar labai didelės ir jis yra pigus, vis dėl to šviesolaidiniai sensoriai yra gana brangūs.

Šviesolaidinių sensorių jungimas į multimodalines sensorių sistemas įgalina sukurti daugiafunkcinź sistem¹ atliekanči¹ įvairiausius matavimus.

Jau kuriami ir telktiniai optiniai grandynai, kuriuose naudojami šviesolaidžiai, o kiti komponentai paprasčiausiai įprastai įvedami. Šie telktiniai grandynai turi panašias technologijas, bei atsižvelgiant į jų dydį bei galimybes, jiems pranašaujama puiki ateitis

Literatūra

1. www.keyence.com

2. www. rtn.lt

3. FIBER OPTIC SENSORS AND THEIR APPLICATIONS . A.Selvarajan Chairman Department of Electrical Communication Engineering Indian Institute of Science, Bangalore - 560 012.

4. www.qinetiq.com