Senzori Şi Traductoare Cu Fibre Optice

Senzori si traductoare cu fibre optice

SENZORI ŞI TRADUCTOARE CU FIBRE OPTICE

1 Noţiuni teoretice11 Structura generală a sistemelor de măsurare asociate cu

senzori cu fibre opticeSistemele de măsurare cu senzori cu fibre optice au două secţiuni

bull secţiunea opticăbull secţiunea electronică

Fig 1 Structura unui sistem de măsurare cu fibre optice

Icircn secţiunea optică suportul energetic al informaţiei manipulate este radiaţia optică(radiaţie electromagnetică din spectrul vizibil infraroşu şi uneori ultraviolet)1 Fibrele optice constituie canalul de transmisie a informaţiei sau a energiei luminoase icircn

- 1 -


sistem iar icircn cazul senzorilor intrinseci ele pot constitui şi elementul sensibil prin intermediul căruiamărimea necunoscută poate fi măsurată (aceasta modulează unul dintre parametrii luminii ghidateprin fibra activă)2 Conectorii optici asigură cuplarea eficientă şi stabilă a radiaţiei de la sursa optică la fibrăde la fibră la fotodetector şi icircntre fibre (sau icircntre fibre şi alte componente optice)3 Elementele de prelucrare a radiaţiei optice sunt dispozitive necesare pentrumodificarea caracteristicilor fasciculelor luminoase din diferite zone ale secţiunii optice Celemai uzuale prelucrări sunt

bull focalizarea colimarea expandarea sau reflexia fasciculului opticbull divizarea sau compunerea unor fasciculebull polarizarea sau analiza luminii polarizatebull filtrarea radiaţiei optice

4 Optrodul Icircn cazul sistemelor de măsurare elementul specific este senzorul (optrodul)la nivelul căruia fasciculul optic incident este modulat de semnalul de măsurare (Xm)

B Secţiunea electronică asigură integrarea sistemelor cu fibre optice icircn sistemele electrice şi electronice convenţionale Elementele funcţionale ale acestei secţiuni1 Blocul electronic de comandă (BEC) a sursei optice conţine

bull sursa optică (SO) icircn marea majoritate a aplicaţiilor sursele optice sunt diodesuperluminescente sau diode laser

- 2 -


bull circuitele de alimentare electrică protecţie şi modulare a sursei optice Icircn cazul sistemelor de comunicaţie acest bloc conţine - icircn principal - un circuit de intrare (CI) cu rol de adaptare a semnalului electric de intrare Xin şi un generator de curent comandat (GCC) care furnizează curentul de excitaţie a sursei optice (majoritatea surselor optice utilizate icircn sistemele cu fibre optice sunt comandate icircn curent)2 Blocul electronic de recepţie (BER) are o structură asemănătoare atacirct pentru sistemelede măsurare cacirct şi pentru cele de comunicaţie şi este compus din

bull fotodetectorul FD (icircn afara unor aplicaţii speciale de senzori cu fibre optice acesta este o fotodiodă P-N sau o fotodiodă cu avalanşă iar icircn cazul sistemelor de comunicaţie poate fi şi unfototranzistor)

bull circuitele electronice de adaptare şi amplificare primară a semnalului electric generat defotodetector (CA)

bull circuitele de prelucrare electrică a informaţiei (CP) acestea avacircnd funcţii specifice icircn funcţie de aplicaţie (filtrări prelucrări analogice sau digitale)

Diversele elemente funcţionale ale unui sistem cu fibre optice pot fi realizate folosindproduse cu proprietăţi diverse fibre optice surse optoelectronice fotodetectori conectori etc Icircnvederea realizării unor sisteme cu fibre optice cu un raport performanţă-preţ bun pornind de laspecificaţiile sistemului este necesar să se analizeze

bull compatibilitatea spectrală a elementelor funcţionalebull bilanţul de putere şi rezerva de putere ale sistemului opticbull compatibilitatea capacităţii dinamice (banda de frecvenţă) a

elementelor funcţionale

- 3 -


2 Senzor de deplasare cu fibre optice

Senzorul prezentat icircn figura 2 constă dintr-o fibră de emisie E cuplată la o sursă optică(diodă electroluminiscentă - de putere constantă) şi două fibre optice de recepţie R1 şi R2cuplate la două detectoare optoelectronice (diode p-i-n) Cele trei fibre sunt plasate icircn faţa unuiecran reflectorizant paralel cu capetele fibrelor care se poate apropia sau depărta de fibreFibrele de recepţie colectează un procent din lumina emisă de fibra de emisie şi reflectatăde ecran proporţional cu gradul de suprapunere a conurilor de acceptare ale fibrelor şi caredepinde de distanţa ecranului faţă de fibre d şi de distanţa dintre fibrele de recepţie şi cea deemisie a respectiv a+m Prin urmare puterea optică colectată de fiecare fibră este o măsură apoziţiei (deplasării) ecranului reflector faţă de o poziţie iniţială de referinţăCele două fibre de recepţie nu sunt plasate simetric faţă de fibra de emisie Prin urmarepentru aceeaşi poziţie a ecranului se obţin două valori diferite ale puterii optice Aceste valorisunt transformate icircn tensiuni electrice icircn fotodetectoarele det1 şi det2 Prin raportareatensiunilor icircntr-un circuit electronic analogic de icircmpărţire se realizează compensarea efectuluimărimilor de influenţă (icircndoirea fibrelor optice fluctuaţiile intensităţii LED-lui etc)

- 4 -


Fig 2 Structura unui senzor de deplasare cu fibre optice

Fibrele optice de recepţie trebuie să fie din acelaşi lot de fabricaţie (structură identică) săaibă lungime egală şi acelaşi traseu de la mărimea de măsurat la detector iar fotodetectoarele săfie plasate icircn aceeaşi incintă icircn condiţii de mediu identice şi să aibă caracteristici de conversieidentice Dacă detectorul are o schemă mai complexă de tip modul pn-FET (detector cu diodăpin şi amplificator operaţional cu tranzistoare FET pe intrare) trebuie asigurată o amplificareidentică pentru ambele detectoare

3 Senzor cu fibre optice fluorescent pentru măsurarea temperaturii

Principiul de functionare a senzorului de temperatură cu fibre optice utilizează dependenţa de temperatură a constantei de timp a fluorescenţei cristalului de rubin (Al2O3 Cr3+)

Fluorescenţă este un fenomen de emisie spontană de lumină la trecerea unui sistem activat

la o stare cu o energie mai mică Numele de fluorescenţă provine de la mineralul fluorină ( Ca F2)

- 5 -


Fluorescenţa apare la o iluminare cu raze ultraviolete acest fenomen apare la nivelul sistemelor

atomice sau moleculare

Senzorul de temperatură cu fibre optice este alcătuit dintr-o sursă optică o sondă de

temperatură cu fibre optice şi blocul de detecţie şi prelucrare electronică a semnalului (Fig 3)

Fig 3 Structura senzorului de temperature cu fibra optica

Sursa optică produce radiaţia optică care excită cristalul de rubin Aceasta este preluatăprintr-o fibră optică a sondei şi lansată asupra cristalului de rubin Radiaţia generată prinfluorescentă este colectată de cea de-a doua fibră optică a sondei şi este ghidată la detectoruloptic din blocul de detecţie şi prelucrare unde este transformată icircntr-un semnal electric analogicprelucrat icircn continuare pentru extragerea informaţiei metrologice

Din punctul de vedere al fenomenului de fluorescenţă rubinul are comportarea unuiconvertor de ordinul 1 un salt treaptă al radiaţiei luminoase incidente icircn banda albastră sau

- 6 -


verde i(t)

determină o variaţie exponentială a radiaţiei roşii emisă prin fluorescenţă icircn liniile R f(t)

Senzorul de temperatură realizat foloseşte pentru determinarea constantei de timp afluorescenţei metoda studiului icircn timp descrisă de relatiile Sursa optică emite unflux luminos modulat dreptunghiular care excită cristalul de rubin Blocul de prelucrareelectronică extrage din semnalul detectat componenta exponenţială şi o prelucrează rezultacircnd uninterval de timp proporţional cu constanta de timp a fluorescenţei

Sursa optică este o diodă electroluminiscentă (LED) care emite icircn banda verde culungimea de unda centrală de 565 nm şi o lărgime de bandă de emisie de 80 nm centrată pelungimea de unda centrală Dioda este alimentată de un generator de curent comandat careinjectează un curent de 80 mA icircn palierul superior al undei dreptunghiulare Comandageneratorului de curent este realizată de un oscilator dreptunghiular cu factor de umplere 50 şicu nivel de ieşire TTL a cărui frecvenţă a fost fixată la 35 Hz Valoarea frecvenţei de oscilaţie afost aleasă astfel icircncacirct să se permită obţinerea regimului stabilizat pentru semnalul defluorescenţă

- 7 -


Sonda de temperatură (Fig 4) este alcătuită din două fibre optice de aproximativ 15m fiecare echipate la cacircte un capăt cu conectoare din plastic şi lipite cu capetele celelalte deaceeaşi parte a unui cristal de rubin Icircnainte de lipire pe o porţiune de aproximativ 5 mm s-aicircndepărtat cămaşa de protecţie a fibrei şi capetele astfel pregătite au fost fixate icircmpreună cu untub termocontractil Pentru lipirea fibrelor de cristal s-a folosit adeziv optic Ansamblul astfelrealizat a fost icircnvelit icircntr-o folie reflectorizantă icircn scopul măririi semnalului receptat de fibracolectoare şi apoi icircnglobat icircn raşină epoxidică (ARALDITE) pentru rigidizarea ansamblului

Fig 4 Sonda de temperatură cu fibre optice

Fibra optică folosită este fibra polimer indicată pentru aplicaţii icircn spectrul vizibil cudiametrul miezului de 1 mm apertura numerică AN = 047 atenuarea tipică 200 dBkm şitemperatura de utilizare icircntre -30 şi +85degC Diametrul miezului şi apertura numerică mari sunt

- 8 -


ideale pentru aplicaţia de faţă permiţacircnd cuplarea eficientă la fibră a luminii emise de LED ca şicolectarea icircn masură mare a semnalului de fluorescenţă emis de cristal Valoarea mare aatenuării caracteristică fibrelor din polimer nu este relevantă pentru lungimile mici de fibrăutilizate icircn schimb intervalul de temperatură redus limitează aplicabilitatea senzoruluiCristalul folosit este rubin roz cu forma de prismă triunghiulară şi este tăiat dintr-o barăde rubin pentru laser

Blocul de detecţie şi prelucrare electronică asigură conversia semnalului optic icircnsemnal electric extragerea semnalului util şi prelucrarea acestuia pentru obţinerea informaţiei detemperatură Schema bloc se prezintă icircn fig 5

Fig 5 Blocul de prelucrare electronică

Detectorul optic conţine un filtru optic şi un ansamblu fotodiodă pin - amplificator FETcu zgomot redus Filtrul optic este de tip trece-sus (RG 695) şi are rolul de a opri trecerea sprefotodetector a radiaţiei emisă de LED şi cuplată icircn fibra colectoare prin reflexii interne icircn cristal

- 9 -


ca şi o mare parte din lumina ambiantă colectată accidental Icircn acest mod se evită saturareaamplificatorului cu o componentă continuă care nu conţine informaţie metrologicăSemnalul de la ieşirea detectorului (s2) este filtrat şi amplificat (s3) şi apoi prelucrat icircncontinuare obţinacircndu-se un impuls de durata proportională cu constanta de timp a fluorescenţei(s4) Prin urmare mărimea de ieşire este un interval de timp proporţional cu temperatura

4 Senzor cu fibre optice de pH bazat pe fenomenul de fluorescenţă

Sistemul optoelectronic pentru masurarea pH-ului are schema bloc prezentată icircn figura 6 care conţine

1048707 optrodul interfaţat cu două fibre optice PMMA (polimetilmetacrilat)1048707 sursă de lumină LED albastru ultrabright1048707 fotodiodă p-i-n1048707 filtru optic (lasă să treacă numai radiaţia fluorescentă absoarbe radiaţia

de excitaţie)1048707 sursă electro-optică (electronică) multifuncţională pentru comanda LED-

lui1048707 bloc electronic de recepţieOptrodul este introdus icircn recipientul cu proba de analizat (analitul) iar

cei doi conectoricorespunzători fibrelor optice de excitaţie şi de recepţie sunt conectaţi la sursa electro-opticărespectiv la detectorul electro-optic Realizarea unei măsurări a presupus parcurgereaurmătoareleor etape

1048707 spălarea şi clătirea recipientului şi optrodului cu apă bidistilată1048707 uscarea cu ajutorul unui jet de aer cald

- 10 -


1048707 icircncărcarea recipientului cu un volum dozat (V = 800 μl) cu substanţa de analizat

1048707 măsurarea tensiunii utile Uout1048707 eliminarea substanţei analizate şi revenirea la prima etapă

Valoarea teoretica a tensiunii se determina cu relatia

Fig 5 Schema bloc a senzorului de pH

Senzorul utilizat icircn lucrare este un optrod cu măsurare directă a proprietăţilor intrinsecichimico-optice ale analitului Indicatorii chimici cei mai utilizaţi icircn tehnica senzorilor cu fibreoptice sunt cei care utilizează fenomenele de absorbţie şi de fluorescenţă ultima variantă fiindpreferată datorită faptului că prezintă o sensibilitate mai mare Se foloseşte sarea de sodiu a fluoresceinei (C20H10O5Na2) care se prezintă ca o pulbere de culoare cărămizie şi are masa moleculară Mf = 37628 Pentru a putea fi utilizată ca indicator ea se amestecă cu apă bidistilată Soluţia are o culoare galben-verzuie şi ea va fi folosită pentru determinarea spectrelor de fluorescenţă Icircn vederea obţinerii spectrelor de fluorescenţă soluţia obţinută va fi amestecată cu o soluţie tampon fosfatică la diverse valori ale pH-lui Soluţia de fluoresceină este neutră din punct de vedere chimic

- 11 -


Valorile volumelor care trebuie amestecate icircn vederea obţinerii unei soluţii tampon la diferite valori ale pH-lui se găsesc tabelate icircn literatura de specialitate pentru fiecare soluţie tampon icircn parte (valorile de pH obţinute sunt icircnsă aproximative icircn final fiind necesară măsurarea pH-luicu un pH-metru) Icircn final s-a făcut diluţia fluoresceinei cu M icircn soluţiile tampon pacircnă laconcentraţia de M

Icircn figura 7 este prezentat spectrul de absorbţie al fluoresceinei icircn două variante graficeSe observă că fluoresceina are un maxim de absorbţie la aproximativ 490 nm Icircn acest domeniuvariaţia absorbanţei cu pH-ul este de tip proporţional La aproximativ 460 nm se află aşa zisulpunct izozbestic icircn care absorbanţa are aceeaşi valoare indiferent de valoarea pH-lui Cunoscacircndfaptul că icircn general intensitatea fluorescenţei este cu atacirct mai mare cu cacirct absorbţia este maimare rezultă că este preferabil ca excitarea să se facă la o lungime de undă de aproximativ490nm

Fig 7 Spectrul de absorbţie Fig 8 Spectrul de fluorescenţă al al fluoresceinei fluoresceinei obţinut pentru

λex = 490 nm

- 12 -


Cu ajutorul unui spectrofluorimetru s-au obţinut spectrele de fluorescenţă pentru primeleşase probe la 490 nm (fig 8) Se observă că modificarea lungimii de undă de excitaţie şi a pH-uluinu modifică sensibil forma spectrelor ci numai intensitatea acestora

- 13 -


sistem iar icircn cazul senzorilor intrinseci ele pot constitui şi elementul sensibil prin intermediul căruiamărimea necunoscută poate fi măsurată (aceasta modulează unul dintre parametrii luminii ghidateprin fibra activă)2 Conectorii optici asigură cuplarea eficientă şi stabilă a radiaţiei de la sursa optică la fibrăde la fibră la fotodetector şi icircntre fibre (sau icircntre fibre şi alte componente optice)3 Elementele de prelucrare a radiaţiei optice sunt dispozitive necesare pentrumodificarea caracteristicilor fasciculelor luminoase din diferite zone ale secţiunii optice Celemai uzuale prelucrări sunt

bull focalizarea colimarea expandarea sau reflexia fasciculului opticbull divizarea sau compunerea unor fasciculebull polarizarea sau analiza luminii polarizatebull filtrarea radiaţiei optice

4 Optrodul Icircn cazul sistemelor de măsurare elementul specific este senzorul (optrodul)la nivelul căruia fasciculul optic incident este modulat de semnalul de măsurare (Xm)

B Secţiunea electronică asigură integrarea sistemelor cu fibre optice icircn sistemele electrice şi electronice convenţionale Elementele funcţionale ale acestei secţiuni1 Blocul electronic de comandă (BEC) a sursei optice conţine

bull sursa optică (SO) icircn marea majoritate a aplicaţiilor sursele optice sunt diodesuperluminescente sau diode laser

- 2 -









- 3 -




- 4 -








- 5 -









- 6 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -









- 3 -




- 4 -








- 5 -









- 6 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -




- 4 -








- 5 -









- 6 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -








- 5 -









- 6 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -









- 6 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -


verde i(t)




- 7 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -





- 8 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -






- 9 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -










- 10 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -







- 11 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -





λex = 490 nm

- 12 -



- 13 -



- 13 -

Senzori Şi Traductoare Cu Fibre Optice

Documents

Transcript of Senzori Şi Traductoare Cu Fibre Optice