Šviesolaidiniai sensoriai

Šviesolaidiniai sensoriai

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.

Domėjimasis šviesą naudoti kaip nešėją atsirado dar 1960 metais kartu su lazerio kaip koherentinės šviesos šaltinio atradimu. Pradtioje perdavimo atstumai buvo labai mati, bet kai 1970 atsirado galimybė gaminti labai švarų stiklą, tapo įmanoma šviesolaidtius naudoti kaip perdavimo priemones. Tuo pačiu metu puslaidininkinių šviesos šaltinių ir detektorių plėtojimasis reiškė, kad 1980 pasiektas pasaulinio masto šviesolaidinių komunikacijų sistemų diegimas.

Fotoniniai sensoriai, signalų procesoriai, komunikacijų technologijos paaiškėjo kaip perspektyvios alternatyvos elektronikai.Šviesolaidiniai sensoriai persikėlė į tokį aukštą lygį, kad tuoj pat įmanomi pritaikyti beveik visose srityse. Skirtingi šviesolaidinių sensorių tipai, komponentai, naudojami sensoriuose, sensorių projektavimas ir analizė, paskirstytosmultipleksuotos (iki 500 vietų) sensorių schemos ir integruotos optikos vaidmuo yra ryškiausioje vytoje.

Kaip jau minėjome su lazerio bei puslaidininkinės optoelektronikos atėjimu modernioji optika sparčiai pradėjo vystytis. Holografija ir Fourier optika leido gimti fotonikai. Fotonikoje svarbiausią vaidmenį vaidiną fotonai, kai elektronikoje – elektronai. Rezultate, daugelis sričių, kur karaliavo elektronika yra perkeliama į fotoniką ir gana sparčiai. Didtiausi pranašumai yra greitis bei apsauga. Taip pat puikiai tinome apie visą eilę kompaktinių diskų, foto kopijavimo aparatų, lazerinių printerių. Gigabaitinis siuntimas tinkluose ir informacijos greitkeliai tiesiog spaudtia tmoniją prie svaigesnių aukštumų. Informacijos apdorojimas kompiuteriu naudojant masyvias lygiagrečias struktūras – ant sėkmės ribos.Plataus profilio švieoslaidiniai sensoriai greitai pasiekia rinką. Laisvė nuo elektromagnetinių laukų, bei beprotiško greičio ir perdavimo juostos yra pirminės prietastys optikos sėkmei. Loginėse struktūrose, kontrolinėse schemose, telemetrijoje, pjezoeletriniuose aktuatoriuose ir mikroprocesorinėse sistemose siūlomi pranašumai nustelbia dabartį.

Šviesolaidtiai perneša signalus su tymiai matesniais energijos nuostoliais nei variniai bei su daug platesne kanalų juosta. Taip pat jie yra lengvesni ir plonesni. Daug lengviau pritaikomi. Taip pat yra daug sunkiau sekti ar kopijuoti informaciją nepastebėtam. Tai puikus pasiūlymas bankams ir apsaugos sistemoms. Jų neveikia Elektromagnetinis radijo signalų laukas, mašinų utdegimo sistemos, šviesa ir t.t. Jie gali būti kuo puikiausiai naudojami sprogiose bei pavojingose vietovėse, kur bet kokia kibirkštis gali padaryti daug nuostolių. Naminėse TV sistemose tai galėtų sutaupyti elektros energijos lyginant su varinais laidais.

Bet nieko nėra idealaus. Nors ir smėlis, iš kurio gaminami šviesolaidtiai yra labai pigus, tačiau jie vis dar brangesni nei variniai. Neįmanoma lengvai sujungti šviesolaidtių taip kaip varinių laidų be atitinkamų personalo treniruočių bei apmokymų.

Bet vis didėjantis pritaikomumas Telekominukacijose, LAN tinkluose,kabelinėje TV, CCTV, sensoriuose: kariuomenės hidrolokatoriuose,seisminėse kuro ir dujų tyrimo sistemose, automobiliuose,įsilautėlių sekimo sistemose, temperatūros, slėgio, įtempimų elektromagnetinio lauko matavimas teikia daug vilties.

Paveikslėlyje matomas stiklo pluoštas:

1. Šviesolaidtiai

Šerdys turi didesnį atspindtio koeficientą nei apvalkalas. Taip pat apvalkalas neneša šviesos. Bet jis yra svarbi pluošto dalis.Jis ne tik apsaugo, bet ir palaiko kritinio kampo konstantos reikšmę per visą ilgį.

1 pav. Šviesolaidtio struktūra 2 pav. Pluošto struktūra

3 pav. Θ_A kampas vadinamas patvirtinamuoju,

kadangi reikalingas visiško atspindtio kampas,

kad šviesa zigzagais bei atsispindėdama galėtų

sklisti tolyn.

Visiško atspindtio pagalba šviesa visada pasiekia tikslą. Šviesolaidiniai paprastai būna dviejų tipų: tingsninio rodiklio bei laipsninio. Jei paimsime 20 MHz pločio 1 kilometrui pluoštą, 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.

2. Šviesolaidiniai sensoriai

Šviesolaidtių technologija ir pritaikomumas pastaruoju metu smarkiai išaugo. Šviesolaidis, buvęs 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, kintamą bei elektrinę srovę į atitinkamą spinduliavimą. Ir apskritai, šviesolaidiniai sensoriai yra charakterizuojami kaip tymiai jautresni, specialiai paruošti – gali atlaikyti ir aukštas temperatūras, ir kitokią specifinę aplinką.Telemetrijoje ir nuotoliniame valdyme yra galimybė panaudoti pluošto segmentą kaip matavimo prietaisą, kuris nuneštų reikiamą signalą į nuotolinio valdymo stotį. Daugelis signalų apdorojimo prietaisų(dalytuvas, maišiklis, multiplekseris, filtrai, delsimo linijos) gali būti pagaminti iš pluošto elementų, o tai įgalina pritaikomumą visose matavimų srityse.

Yra trys šviesolaidinių sensorių variantai:

Pagrįsti moduliacija ir demoduliacija sensoriai gali būti pavadinti

kaip intensyvumo(amplitudės), fazės, datnio ar poliarizacijos. Fazės ar datnio 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 sąlygas.

Šviesolaidiniai sensoriai taip pat gali būti klasifikuojami pagal

pritaikomumą: 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

šabloną, jutimas išorėje pluošto ir datniausiai kaip efektyvi bei reikiama į ir išsiuntimo forma į jutimo objektą. Kitu atveju, vidiniuose sensoriuose keletas pluošto fizikinių savybių tyria pokyčius kaip tai apibrėtta viršuje(1).

2.1 Esminiai komponentai

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

Šviesolaidtiai. Ploni, ilgi, cilindriniai, kurie realizuoja visiška atspindi ir leidtia skliasti šviesai. Optinis laidas sudarytas iš vidinės šerdies bei apvalkalo, datniausiai pagaminto iš kvarco ar retkarčiais plastmasės. MM (Multi mode) tipo susideda ir šerdies(50 m) bei galintis pernešti daug optinių bangų ilgių. Šerdies profilis būna arba tingsninis arba laipsninis(parabolinis). Įtempimų ir greiti bei intensyvūs sensoriai naudoja MM tipo šviesolaidtius. Kadangi šis tipas turi didelę šerdį, tai turi pranašumą, kad gali nešti didelį šviesos kiekį ir lengvai apdoroti. SM(single mode) tipo pluoštas padarytas taip, kad visi aukštesnės eilės bangolaidtio rėtimai būtų reguliuojami pagal formulę:

,kur l -bangos ilgis, a-šerdies spindulys, n₁ ir n₂ – šerdies bei apvalkalo lūtio rodikliai.

Kai V > 2.405, tai garantuojamas SM rėtimas.

Šaltiniai. Puslaidininkiniai šaltiniai uttikrina geriausias dydtio, kainos, galios, energijos sunaudojimo bei pritaikomumo galimybes. Šviesą emituojantys diodai bei lazeriniai diodai – labiausiai paplitę. LED:matas koherentiškumas, plati spektrinė juosta, matas jautrumas grįttančiai šviesai bei didelis patikimumas. LD:didelis koherentiškumas, siaura juosta, didelė optinė išėjimo galia, kas yra datniausiai interferometriniuose sensoriuose. SM tipo diodiniai lazeriai yra padaryti naudojant gamyklinį grįttamąjį ryšį ar išorines kavernines schemas. Aukšto patikimumo Makso – Zenderio ir Fabry – Peroto tipų sensoriai reiklauja SM tipo lazerių. LD išlaiko temperatūros svyravimus bei atsispindėjusią šviesą, bet matiau 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 silpną šviesą, bet reikalauja apie 100 V maitinimo. Įvairūs schemų mechanizmai bei schemos kelia triukšmą bei matina jautrumą. Šiluminiai ir traškesių triukšmai yra pagrindiniai. Norint sensorių su geru patikimumu, reikia matinti šiuos triukšmus. Silicio PD gerai tinka IR bangų ilgiams.

Šviesolaidinių sensorių projektavimas ir analizė

3.1.1 Intensyvumo(amplitudės) sensoriai

Šiuo atveju, matuojant signalą, intensyvumas(amplitudė) moduliuoja nešamą šviesolaidyje šviesą. Šios klasės sensorių moduliacijos indeksas gali būti aprašytas taip:

 Kur ΔI – šviesos galios poytis, I₀ – detektorių pasiekianti galia, kai ten nėra moduliacijos, P – trukdtiai.

Ribotas patikimumas pasiekiamas, kai trukdtių amplitudė pasiekia signalo amplitudę.

3.1.2 Mikroįtempimų sensoriai

Moduliacijos laipsnis gali būti paimtas vibracijų moduliacijos, perkeliant pluošto moduliaciją ar absorbuojant apvalkalo sluoksnio moduliaciją.

4 Pav. Mikroįtempimų sensorius

Šie sensoriai naudoja MM tipo šviesolaidtius.

3.1.4 Interferometriniai sensoriai

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

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

3.1.4.1 Makso – Zenderio interferometras

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

jautrumo elementas, kitas kaip nurodymų.

Nurodymų atšakoje kartais dedamas pjezomoduliatorius norint palaikyti fazių skirtumą. Trukdtiai veikia kaip temperatūros ar įtempimų pokytis, keičia fazių skirtumą bei matina fotodiodo intensyvumą.

3.1.4.2 Sagnako interferometras(Gyroskopas)

Skirtingai nuo mechaninių giroskopų, čia svarbiausią vaidmenį vaidina fotonai bei interferometrijoje – Sagnako efektas:

Du, vienas prieš laikrodtio rodyklę, kitas pagal, priešingi srautai iš to pačio šaltinio sklinda interferometro viduje pagal tą patį kelią. Šių srautų išėjime nėra fazinio postūmio, jei sistema rami. Tačiau kai sistema sukasi kampiniu greičiu w inercinėje erdvėje tarp šviesos bangų atsiranda fazių skirtumas.

 

Sagnalo interferometro principas. Minimali optinio giroskopo struktūra.(Source – šaltinis, Detector – detektorius, Polarizer – poliarizuotojas, Coupler – maišiklis, Fiber coil – šviesolaidinis tiedas).

3.1.5 Šviesolaidinis polarimetras.

Principas atsirado iš optinės anizotropijos ir naudojamas fotoelastikai nagrinėti.

Anizotropija gali paveikti natūraliai susiklosčiusios kristalo gardelės struktūrą 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.

3.1.6 Paskirstitieji sensoriai

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

3.1.7 Telktiniai optiniai grandynai.

Optimizuoti optiniai miniatiūriniai komponentai integruoti į kristalus smarkiai kelią savo pasiekimus ir šioje srityje. Taip galima viename kristale ir labai matame plote sutalpinti:generatorių, moduliatorių, multiplekserį t.y. visą tai ką 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 medtiagomis.

4. Kompanija „Keyence“

Kompanija Keyence gamina didelio tikslumo hibridinius šviesolaidinius sensorius bei yra pirmaujanti kompanija šioje srityje.

Savybės

• Pirmoji pramonėje dvigubo monitoringo sistema
• Automatinis bei rankinis kalibravimas
• 20 bitų sinchroninio apdorojimo procesorius
• Didelis tikslumas ir galingumas
• Belaidė ar vienlaidė prijungimo sistema

Aprašymas:

• Dvigubo monitoringo sistema. FS – V10 serijos šviesolaidiniai sensoriai turi skaitmeninį LED indikatorių, kuris skaičiais rodo šviesos intensyvumą ir LED barą, kuris rodo detekcijos stabilumo lygį. Montuojant sensorių LED indikatorius rodo optinės ašies nustatymą bei sąlygas, o LED baras rodo detekcijos stabilumą operacijos metu.
• Auto ir rankinis kalibravimas. Be automatinio nustatymo dar yra rankinio nustatymo mygtukas, kuris suteikia tikslumo didinimo galimybes.
• Trys detekcijos lygiai leidtia naudoti 0.01 mm laidą bei dirbti tepalų bei dulkių aplinkos sąlygomis.

Pavyzdtiai:

FS-V serijos stiprintuvo duomenys

FU-86Z

FU-86Z struktūra( atstumų detekcija)

FU-92

FU-92 struktūra( atstumų detekcija).

Teflon®-sheath apsauginis sluoksnis nepraleidtia

vandens, kas įgalina matuoti skysčių lygį.

5. Naujienos: Šviesolaidiniai mechaninių įtempimų sensoriai

   Specialistai iš kompanijos Daimler-Crysler sukūrė naujoviškus šviesolaidinius sensorius, leisiančius tiksliau registruoti automobiliuose ir lėktuvuose atsirandančias vibracijas bei mechanines įtampas. Juose yra panaudotos plauko storio stiklo skaidulos, kurių šerdyje yra vadinamoji Brego gardelė. Viskas yra apgaubta anglies pluošto apvalkalu.

   Nuo stiklo skaidulos mechaninio įtempimo, o tuo pačiu ir nuo stebimojo konstrukcijos elemento deformacijos, priklauso tai, kaip Brego gardelė atspindės tam tikro ilgio šviesos bangas. Parenkant skirtingus bangos ilgius tame pačiame šviesolaidyje vienu metu galima įrengti kelis šimtus sensorių.

   Naujuosiuose sensoriuose nėra jokių elektrinių prievadų ir jie be abejonės turėtų išstumti šiandieninius įtempimų matavimo įrenginius. Greta viso kito juos yra numatoma naudoti oro pagalvių automobiliuose įjungimui.

6. Išvados

Šiuolaikinėms technologijoms tobulėjant greičiau ut laiką, šviesolaidinės technologijos vis platesnį ratą, aplenkdama net elektroniką. 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 daugiafunkcinę sistemą atliekančią įvairiausius matavimus.

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

7. Literatūra

www.Keyence.com

3. www. rtn.lt

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

5. www.QinetiQ.com