Senzori cu fibre optice moduri de operareusers.utcluj.ro/~tarnovan/Senzori Integrati in...

1

28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 1

Senzori cu fibre optice – moduri de operare

Mecanisme de modulaţie optica:

Intensitate optica:

Modulaţie externa

Fibre multimod

Ieftin

Sensibilitate buna

Faza

Modulaţie interna

Fibre monomod

Polarizare

Modulaţie interna

Fibre monomod


NA – apertura numerica:

Unghiul critic:

Unghiul maxim de transmitere:

Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice

Transmiterea fasciculelor optice prin fibra optica

2 2

miez mantaNA n n

arcsinc NA

2c c

2



Principiu: transmiterea fasciculelor optice intre 2 fibre;

Con de radiaţie:

Secţiunea transversala depinde de distanta dintre fibre;

Fracţiunea din fasciculul optic preluata de a doua fibra este o funcţie de distanta

Aplicaţie: măsurarea distantelor

Transmiterea fasciculului optic intre 2 fibre optice


Senzori cu fibre optice - modulaţia intensităţii optice

Reflexia fasciculului optic pe o singura fibra optica

Sistem de reflexie a fasciculului optic pe doua fibre optice

3



Senzor digital de tip “bariera de lumina”

Senzor analogic cu fibra mobila


Senzori cu fibra optica cu sensibilitate maxima

Fibre monomod

Surse optice monomod coerente (laseri)

Frecventa sursei optice: 1014 Hz

Fotodetectori: nu se pot utiliza (răspuns in frecventa)

Interferometre optice:

Modulaţie de faza → modulaţie de intensitate

Detecţia semnalelor de măsurare

Interferenta fascicolelor optice

Principiu constructiv:

Generare fascicol optic incident

Divizare in 2 fascicole separate

Expunere a unui fascicol la mărimea de măsurat (modificare lungime, modificare indice de refracţie, …)

Recombinarea fascicolelor optice

Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza

4


Senzori cu fibre optice – modulaţia de faza

Interferenta: efect optic care apare la suprapunerea a 2 sau mai multe fasicole optice: Suprapunere spaţiala si temporala

Coerenta fascicolelor optice

Stări de polarizare ne-ortogonale

Franje de interferenta la suprapunerea a 2 unde eliptice, sub un unghi oarecare

Franje de interferenta la suprapunerea a 2 unde circulare


Condiţii de interferenta a radiaţiilor coerente:

Consideram 2 unde optice:

Unda rezultanta:

Senzori cu fibre optice – modulaţie de faza

1 1 1

2 2 2

sin

sin

A a t

A a t

2 2

1 2 1 2 1 2

1 1 2 2

1 1 2 2

sin

2 cos

sin sinarctg

cos cos

A a t

a a a a a

a a

a a

5


Senzori cu fibre optice – modulaţie de faza

Intensitatea rezultanta:

Vizibilitatea franjelor (contrast):

Vizibilitate maxima:

max 1 2

min 1 2

2 , 0,1,...

2 1

I n n

I n

max min

max min

I I

I I

1 2a a

Franje de interferenta



Sursa optica: laser monomod

Braţe: 2 fibre optice (referinţa, măsurare)

2 divizoare/cuploare ale fasicolului optic

Interferenta apare in al doilea cuplor

Fotodetector: Modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric

Interferometru aliniat → 1 fotodetector

Interferometru nealiniat → 2 fotodetectoare

Principiul unui interferometru Mach-Zender

6




Braţe: 2 fibre optice (referinţa, măsurare)

1 divizor/cuplor al fasciculului optic, atât pentru intrare, cit si pentru ieşire

Fotodetector: modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric

Principiul unui interferometru Michelson




Braţe: o singura fibra optica (referinţa, măsurare)

Oglinda cu reflexie parţiala: divizarea si recombinarea fasciculului optic


Principiul unui interferometru Fabry-Perot

7




Braţe: o singura fibra optica (referinţa, măsurare)

1 divizor/cuplor al fasciculului optic, atât pentru intrare, cit si pentru ieşire


Principiul unui interferometru Sagnac


Deformaţia specifica a fibrei, ε:

L – lungimea fibrei sensibile

ΔL – alungirea fibrei

Sensibilitatea relativa de măsurare, Sr:

ΔΦ – variaţia fazei optice in fibra sensibila

ε – deformaţia specifica a fibrei

Senzor de tensiune cu fibre optice

Fibra infasurata in jurul unui material piezoceramic

Tensiunea U modifica diametrul tubului (efect piezoelectric invers) → deformarea fibrei optice

Accelerometru: ataşarea unei mase seismice la capătul fibrei


L L

0

1lim 0,75r

dS

d

8


Sensibilitatea relativa la măsurarea tensiunii:

U – tensiunea electrica aplicata pe suport

k – coeficient piezoelectric (tipic ~ 3·10-6 m/V)

g – grosimea peretelui cilindrului

Sensibilitatea relativa la măsurarea acceleraţiei cu masa seismica:

m – masa seismica

a - acceleraţia

S – secţiunea transversala a fibrei

E – modulul lui Young (Si – 7.3·1010 N/m2)

g – acceleraţia gravitaţionala


Fibra infasurata in jurul unui material piezoceramic

Tensiunea U modifica diametrul tubului (efect piezoelectric invers) → deformarea fibrei optice

Accelerometru: ataşarea unei mase seismice la capătul fibrei


81 14,5 10 [1/V]r

d k dS

dU g d

61 11,3 10 [1/g]r

d m dS

da SE d


Senzori cu fibre optice - polarizare optica - efecte

Birefringenta prin deformare mecanica Fibra ideala monomod nesolicitata: fiecare stare de polarizare se

propaga cu aceeaşi viteza de faza → acelaşi indice de refracţie

Fibra solicitata mecanic: stările de polarizare se propaga cu viteze diferite → interferente optice in fibra (“batai”)

Fibre optice lungi

Efect Faraday: Fenomen magneto-optic

Rotirea planului de polarizare al unui fascicul optic de către un câmp magnetic

Efect Pockels: Materiale cristaline (nu apare la fibre optice)

Modificarea indicelui de refracţie a doua stări de polarizare de către un câmp electric

9


Senzori cu fibre optice – polarizare optica

Principiu: senzor de curent bazat pe efect magneto-optic Faraday

Fasciculul luminos este polarizat si transmis prin fibra optica

Fibra optica face una sau mai multe spire in jurul conductorului de putere

Câmpul magnetic (→curentul) roteşte planul de polarizare al fasciculului incident

Transformator de curent cu fibre optice


Efect Faraday (relaţia lui Verdet):

θ – unghiul de rotaţie al planului de polarizare al fascicolului optic

V – constanta lui Verdet (Si ~ 4,5·10-6 1/A)

H – intensitatea câmpului magnetic aplicat fibrei optice

L – lungimea activa a fibrei optice

Unghiul de rotaţie al planului de polarizare la măsurarea intensităţii unui curent

electric:

N – numărul de spire ale fibrei optice in jurul conductorului

I – intensitatea curentului electric prin conductor

Senzori cu fibre optice – polarizare optica

Avantaje: Absenta saturaţiei feromagnetice

Absenta efectelor magnetice reziduale

Linearitate: ± 1% pina la 100 kA

Răspuns la frecventa înalta;

Eliminarea cuplajelor capacitive dintre conductoare

Dezavantaje: Geometrie optica relativ complicata

Transformator de curent cu fibre optice

V H L

N V I

10


Unghiul critic, la interfaţa aer-miez:

Apertura numerica:

Unghiul critic:

Unghiul extern de incidenta:


Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica

2 2

miez manta 0.384NA n n

arcsin

arcsin(0,384) 22,6

c NA

1 45

1 2 2 1sin sin arcsin sin 28,1aerer miez

miez

nn n

n

Unghiul de incidenta in miez (legea lui Snell):


Unghiul de reflexie, in miez:

Unghiul de incidenta in teaca:


Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica

2 290 90 28,1 68,9

miez3 2

teaca

arcsin sin 65,8n

n

Unghiul de reflexie in teaca (reflexie totala):

3 290 90 65,8 24,2

11


Unghiul extern de incidenta:

Unghiul de incidenta in miez:

Unghiul de reflexie, in miez:


Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica (reflexie interna totala)

2 1arcsin sin 13,2aer

miez

n

n

1 20

2 290 90 13,2 85,8


Senzori de distanta interferometrici

Interferometrie incrementala:

Poziţie de referinţa

Deplasarea unui reflector: poziţie iniţiala → finala

Contor: număr de perioade ale franjelor de interferenta detectate pe

parcursul miscarii

Interferometrie absoluta:

Deformare suprafeţe

Monitorizare roboti

Control al vehiculelor independente

12



Principiu: măsurarea

diferenţei de drum optic

(OPD) intre cele doua braţe

Braţ de referinţa: lungime

constanta

Braţ de măsurare (semnal):

lungime variabila in funcţie

de deplasarea reflectorului

Periodicitate semnal:

funcţia de intensitate →

funcţie COSINUS

depinzând de diferenţa de

drum optic

Principiul unui interferometru pentru măsurarea distantelor:

FD – fotodetector; Lr – lungimea braţului de referinţa;

Lm – lungimea braţului de semnal (măsurare)



OPD – diferenţa de drum optic

λ – lungimea de unda a fasciculului optic

φ – faza semnalului detectat

n – numărul de perioade complete ale semnalului

pentru care interferometrul este echilibrat

2OPD n

Interferometru pentru măsurarea distantelor

Intensitatea semnalului fotodetectorului

Variaţia ΔOPD a diferenţei de drum optic OPD fata de punctul de referinţa:

Erori: Variaţii de intensitate ale fasciculului optic incident

Variaţii ale vizibilităţii franjelor datorita divergentei fasciculului

Alinierea interferometrului pe parcursul deplasării reflectorului

2OPD n

13


Interferometrie cu dubla lungime de unda

Principiu: 2 măsurări independente ale diferenţei de drum optic a interferometrului (OPD), utilizând 2 fascicule optice cu lungimi de unda diferite, si compararea rezultatelor

Diferenţa de drum optic OPD fata de punctul de referinţa:

Principiul unui interferometru cu dubla lungime de unda

1 21 1 2 2

2 2OPD n n



Daca φ1=φ2=0:

Δn – diferenţa dintre ordinele franjelor de interferenta ale celor doua lungimi de unda

Interferometru cu dubla lungime de unda

1 1 2 2 2 1OPD n n n n n

Daca sursele laser pot fi reglate, pentru fiecare măsurare se reglează fasciculul emitent astfel incit φ1=φ2=0

14



Daca φ1=φ2=0:

λsynt – lungimea de unda echivalenta (sintetica) a interferometrului

Franje de interferenta in funcţie de diferenţa de drum optic OPD intr-un interferometru dual (Δn=1). λ1 si λ2 sunt reglate pentru diferenţa de faza zero in

poziţia ţinta

1 21 1

1 2 1 2

synt

cOPD n n n n

Senzori cu fibre optice moduri de operareusers.utcluj.ro/~tarnovan/Senzori Integrati in...

Documents

Transcript of Senzori cu fibre optice moduri de operareusers.utcluj.ro/~tarnovan/Senzori Integrati in...