Optički senzori
-
Upload
filip-dormar -
Category
Documents
-
view
210 -
download
2
description
Transcript of Optički senzori
SVEUČILIŠTE U RIJECIPOMORSKI FAKULTET U RIJECI
OPTIČKI SENZORI ZA DETEKCIJU VIBRACIJA
ZAVRŠNI RAD
RIJEKA
Sadržaj:
1. UVOD.....................................................................................................................................1
2. SUSTAVI SVJETLOVODNOG PRIJENOSA......................................................................2
2.1 Prijenos energije pomoću svjetlovoda..............................................................................22.2 Određivanje mjesta prekida ili oštećenja svjetlovodne niti..............................................5
2.2.1 Impulsno-lokacijske metode......................................................................................62.3 Zaštita svjetlovodne niti....................................................................................................9
3. MJERENJA NA SVJETLOVODNOG NITI..........................................................................9
3.1 Mjerenje prigušenja signala u svjetlovodne niti.............................................................113.2 Mjerenje disperzije signala u svjetlovodne niti..............................................................11
3.2.1 Mjerenje disperzije signala u vremenskom području..............................................123.2.2 Mjerenje disperzije signala u frekvencijskom području..........................................13
4. PRIMJENA OPTIČKIH SENZORA NA BRODU..............................................................14
5. SVJETLOVODNI SENZORI ZA MJERENJE VIBRACIJA..............................................15
6. RADNI PRINCIPI SVJETLOVODNIH SENZORA ZA MJERENJE VIBRACIJA..........16
6.1 Senzori bazirani na mjerenju inteziteta signala..............................................................176.1.1 Mikrosavijajuća struktura........................................................................................196.1.2 Bezkontaktna nadopuna senzorima baziranim na intezitetu...................................21
6.2 Fabry-Perot interferometri..............................................................................................236.2.1 Ekstrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija..............256.2.2 Intrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija.................27
6.3 Svjetlovodni senzori s Braggovom rešetkom.................................................................316.3.1 Princip rada svjetlovodnih Braggovih rešetki..........................................................326.3.2 FBG Vibracijski programski osjetnici.....................................................................36
7. Zaključak...............................................................................................................................40
8. Popis tablica..........................................................................................................................42
9. Popis slika.............................................................................................................................42
10. Skraćenice...........................................................................................................................44
Literatura...................................................................................................................................46
1. UVOD
Svjetlovodna tehnologija je zbog svojih prednosti u prijenosu podataka i
jednostavnosti izvedbe nad klasičnim tehnologijama prijenosa informacija u proteklih dva
desetljeća potpuno prevladala na području telekomunikacijskih i računalnih mreža.
Svjetlovodna tehnologija temelji se na emitiranju, prijenosu i prijemu signala, odnosno na
generiranju svjetlosnog signala električnom pobudom. Osim u komunikacijskim sustavima
svjetlovodi su se počeli primjenjivati i kao senzori za razne neelektrične i električne veličine.
U oba slučaja njihove vrlo male dimenzije, jednostavno instaliranje, neosjetljivost na vanjske
elektromagnetske utjecaje, veliki prijenosni kapacitet te dobra pouzdanost opravdavaju
ugradnju svjetlovodnih mreža i senzora u zahtjevnim sustavima kao što su brodovi. U ovom
radu detaljnije ćemo se pozabaviti senzorima baziranim na optičkoj svjetlovodnoj tehnologiji.
Senzori sa optičkom svjetlovodnom tehnologijom kao i primjena svjetlovoda
doživijeli su prednost nad klasičnim tehnologijama za mjerenja telekomunikacijskih i
prijenosnih informacija. Potencijal zamjene većinu prirodno osvještenih senzora u egzistenciji
danas, kao i otvaranjem jednog cijelog novog tržišta, gdje senzori sa usporednim
sposobnostima ne postoje, dovode do novih područja mogućnosti. Takve nove tehnologije,
kombinirane sa unaprijeđenim mjernim pretvaračima, omogućuju pored ostalog prijenosno
praćenje vibracija korištenjem kompaktnih prijenosnih instrumenata u visoko lokaliziranom
dijelu električne mehanizacije sa unutarnjom izolacijom, superiornim dielektričkim
svojstvima i otporan na elektromagnetske smetnje. Povrh toga, optički svjetlovodni senzori
mogu ponuditi bezkontaktno praćenje bez ikakvih smetnji što dovodi do novog pristupa
praćenja vibracija u elektromehaničkoj opremi.
U radu će se detaljnije pojasniti vrste i princip rada senzora baziranih na svjetlovodnoj
tehnologiji za mjerenje vibracija koja je sve zastupljenija na brodovima, ali i u drugim
modernim postrojenjima.
1
2. SUSTAVI SVJETLOVODNOG PRIJENOSA
Svjetlovodni sustavi prijenosa sastoje se od izvora signala (predajnik), prijenosnog
medija (svjetlovodna nit) te detektora (prijemnik), prikazan slikom 1. Izvori signala su
svjetleće diode (LED - Light Emmitting Diode) ili poluvodički laseri (LASER - Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation), a služe za pretvorbu električnog u
optički signal. [4]
Slika 1: Princip rada svjetlovodnog sustavaIzvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.
2.1 Prijenos energije pomoću svjetlovoda
Svjetlovodna nit predstavlja transparentni dielektrični cilindar (jezgra) obavijen
sekundarnim dielektričnim cilindrom (plašt) prikazanim na slici 2.
2
Slika 2: Konstrukcija svjetlovodne niti s primarnom zaštitomIzvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.
Prijenos energije odvija se na svjetlovodnim valnim duljinama od infracrvenog do
ultraljubičastog spektra. Prijenosni medij je svjetlovodna nit najčešće izrađena od silicijevog
dioksida SiO2 (tzv. Kvarcno staklo). U novije vrijeme niti se izrađuju i od plastike (POF -
Polymer Optical Fiber) te u specijalnim izvedbama kao niti sa šupljinama (PCF-Photonic
Crystal Fiber, u obliku Holey vlakna). Kao detektori svjetlosnog signala koriste se lavinske
fotodiode (ADP-Avalanche Photo Diode) i PIN fotodiode. Apsorpcija fotona u fotodiodi s
pogodnim energetskim procjepom uzrokuje prijelaz elektrona iz valentnog u vodljivi pojas, te
tako generirani elektroni čine izlaznu struju fotodiode.
Svjetlost se zbog niza refleksija prenosi od ruba do ruba između jezgre (unutrašnji
cilindar) i omotača (vanjski cilindar). Refleksije su moguće iz razloga što jezgra posjeduje
veći indeks loma svjetlosti n1 u odnosu na indeks loma omotača n2.
Indeks loma u nekom materijalu je omjer brzine svjetla u vakumu (c=299.792.458
m/s) i brzine svjetla u tom materijalu (vm);
(1)
Razliku u indeksima loma jezgre i plašta postiže se dodavanjem različitih elemenata
primjesa u materijal prilikom izrade niti. Jezgra uvijek ima neznatno viši indeks loma od
plašta (za jezgru staklene niti n=1,487).
3
Zbog indeksa loma potrebno je zadovoljiti zahtjev da upadni kut svjetlovodne niti
bude dovoljno malen. Po jednom se svjetlovodu istodobno može prostirati samo određeni broj
diskretnih snopova elektromagnestskih valova, od kojih svaki predstavlja vlastiti val ili mod.
Valovi u jezgri koji odgovaraju zrakama kojih trajektorije stvaraju velike kutove s osi niti,
nazivaju se modovi višeg reda, a trajektorije koje stvaraju manje kutove s osi niti modovi
niskog reda. Broj usmjerenih modova N u svjetlovodu je uvijek konačan i može se odrediti
ako su poznati: valna duljina prijamne svjetlosti, polumjer r jezgre niti, razlika indeksa
lomova jezgre i omotača ovisno o tipu niti. Niti se djele na jednomodne (monomodne) i
višemodne (multimodne) što je prikazano na slici 3. Višemodne niti koriste se za prijenos
signala manjih prijenosnih brzina na kraćim udaljenostima (do 3 km), dok se jednomodne niti
koriste za velike prijenosne kapacitete na udaljenostima i do 150 km bez upotrebe pojačala.
[4]
Tablica 1: Karakteristike svjetlovodnih niti
Tip niti
(materijal)
Dimenzije
Jezgra /plašt
(μm)
Prigušenje na
850 nm
(dB/km)
Prigušenje na
1300 nm
(dB/km)
Optički izvor
MM (POF) 980/1000 8 - LED
MM (Si02) 50/125 3 1 LED
SM (SiO2) 9/125 - 0,3 laser
Izvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.
4
Slika 3: Vrste svjetlovodnih niti
Svjetlovodne niti su predviđene za primjenu u prijenosnim mrežama i zato moraju
zadovoljiti određene zahtjeve (prigušenje, zasićenost itd.), kao i električni vodovi. Osobitost
prenošenja elektromagnetske energije po dielektričkim vodovima u blizini infracrvenog
područja zahtijeva primjenu specifičnih metoda i uređaja za mjerenje njihovih osobina.
Navest ćemo neka od bitnijih mjerenja te ukratko njihove postupke.
2.2 Određivanje mjesta prekida ili oštećenja svjetlovodne niti
Karakteristično za oštećenje svjetlovoda je narušavanje cjelovitosti svjetlovoda i
zaštitnog omotača. Metoda određivanja mjesta i vrsta oštećenja omotača analogne su
metodama koje se koriste kod električkih vodova (impulsni reflektometar-TDR). Međutim,
oštećenja svjetlovoda su specifična. Pod oštećenjem svjetlovoda podrazumijeva se svaka
nehomogenost koja dovodi do pogoršanja prijenosnih karakteristika svjetlovodnog signala
koji se širi kroz svjetlovod. Jedno od najčešćih oštećenja svjetlovoda je njegov prekid.
5
U osnovi postoje tri metode određivanja mjesta prekida svjetlovoda:
mjerenje svjetlosne energije izračene u okoliš
mjerenje jakosti povratnog Rayleighovog raspršenja
impulsno-lokacijske metode
Metoda mjerenja svjetlosne energije ispuštene u okoliš nije doživjela razvoj jer
zahtijeva prijamni uređaj širokog dinamičkog raspona (110-140dB). Nedostatak mjerenja
jakosti povratnog Rayleighovog raspršenja je niska razina tijeka povratnog raspršenja, koja ne
omogućava uporabu za mjesta prekida svjetlovoda jako velikih valnih duljina.
2.2.1 Impulsno-lokacijske metode
Impulsno-lokacijska metoda ima visoku razlučivost i omogućuje indetifikaciju kako
mjesta nehomogenosti svjetlovoda tako i mjesta njegovog potpunog prekida. Shema uređaja
impulsno-lokacijskog mjerenja prikazana je na slici 4. U nit se šalje skup sondirajućih
impulsa i na osnovi vremena potrebnog za povratak reflektiranih impulsa od mjesta prekida,
određuje se mjesto prekida. Kada prođe kroz element za fokusiranje, svjetlosni snop lasera
pada na poluprozirnu pločicu.
Poluprozirna pločica razdijeli svjetlosni snop na dva dijela. Prvi koji putem elemenata
za fokusiranje dolazi u svjetlovod, a nakon toga u uređaj koji prigušuje sporedne modove i
drugi koji se reflektira od zrcala i poluprozirne pločice, te pada na prijamnik koji se sastoji od
uređaja za fokusiranje, fotodiode, pojačala i osciloskopa. Reflektirana svjetlost od mjesta
povrede vraća se po niti i preko poluprozirne pločice, također dolazi u prijamnik. Na osnovi
razlike vremena dolaska obaju impulsa određuje se udaljenost mjesta povrede niti (L)
izražena formulom:
(2)
Gdje su:
t ... razlika u vremenima dolaska obaju impulsaΔt ....proširenje drugog snopa zbog disperzije c ... brzina svjetlosti n ... indeks loma materijala svjetlovoda
6
Slika 4: Blok shema impulsno-lokacijeske metode
Na slici 5. prikazan je oscilogram mjerenja u kojem prvi impuls, doveden na ulaz 1
osciloskopa, odgovara impulsu reflektiranom od ulaznog poprečnog presjeka niti spram
površine fokusirajuće leće. Drugi impuls odgovara impulsu reflektiranom od zrcala na kraj
niti.
Slika 5: Oscilogram impulsnog mjerenja
Ova metoda omogućuje određivanje mjesta povrede niti s točnošću od nekoliko
metara. Za razliku od mjerenja izračene snage pomoću izvora i prijamnika, koji mjere
prigušenje na svjetlovod niti direktno, optički reflektometar radi indirektno. Izvor i prijamnik
kopiraju stvarni predajnik i prijamnik na svjetlosnom prijenosnom sustavu, te se na taj način
može vidjeti korelacija između stvarnog i mjernog sustava. Kod OTDR-a (engl. Optical time
domain reflectometer) uporabom povratnog impulsa svjetlosti možemo otkriti prigušenja u
svjetlovodnoj niti. Kao i klasični reflektometri, na ulazu u svjetlovodnu nit se pošalje uski
impuls svjetlosti i promatra povratni impuls koji nastaje zbog nesavršenstva svjetlovodne
linije ili refleksije zbog spojeva odnosno kraja linije.
7
U svakoj točci vremena, svjetlo poslano iz OTDR-a prolazi kroz cijelu mjerenu duljinu
svjetlovodne niti. Samo mali dio izračene svjetlosti vraća se natrag, ali uporabom osjetljivih
prijamnika i normiranjem signala, moguća su mjerenja i na relativno dugim dionicama
svjetlovodnih niti. Uz poznatu brzinu širenja impulsa svjetlosti duž svjetlovodne niti,
reflektometrom se može izmjeriti vrijeme, a time je moguće izračunati vremensku poziciju
impulsa u svjetlovodnoj niti, koja odgovara stvarnom položaju u njoj. Kako se svjetlosni
impuls prigušuje tijekom prolaska kroz svjetlovodnu nit i dodatno prigušuje spojevima,
ukupna snaga poslanog impulsa će se smanjivati u ovisnosti o prolazu kroz cijelu nit. Tako je
pomoću odgovarajućeg programa moguće prikazivati prigušenje svjetlovodne niti u odnosu
na njenu duljinu. Karakteristična slika na ekranu optičkog reflektometra prikazana je slikom
6.
Slika 6: Karakterističan reflektogram spojeva na svjetlovodnoj niti
Može se pokazati kako je impulsna metoda provjere stanja svjetlosnih niti analogna
impulsnoj metodi ispitivanja koaksijalnih kablova. Razlika je, ipak u specifičnosti
svjetlovodnih niti u kojima odbijena snaga ovisi o kutu presjeka niti. U slučaju djelovanja na
nit samo sile istezanja, nastaje plosnata površina prijeloma. Ako je nit prekinuta udarcem,
povšina nije plosnata. Budući da većina eho impulsa može ovisiti o karakteru prijeloma niti, u
nizu slučajeva impulsna metoda nije dovoljno točna za određivanje mjesta povreda
svjetlovodnog kabela.
8
2.3 Zaštita svjetlovodne niti
Svjetlovodne niti štite se plastičnim omotačem te se upredaju u kabele različitih
kapaciteta, vrsta zaštite i primjena. Prema namjeni i načinima polaganja razlikujemo:
podzemne kabele (za uvlačenje u polietilenske cijevi ili za polaganje neposredno u zemlju),
instalacijske kabele (za polaganje unutar objekata), podmorske kabele, samonosive kabele,
kabele za instalaciju po visokonaponskim dalekovodima te za specijalne namjene kao što su
brodovi, zrakoplovi, elektrane i sl. Standardne dužine u kojima se proizvode kabeli su 2, 4, 6
km te je za izgradnju dužih veza potrebno spojit pojedinačne dionice kabela. Ponovna
spajanja niti izvode se kod oštećenja i prekida kabela, te kod priključenja transmisijskih
uređaja i izvođenja mjerenja optičkih i transmisijskih karakteristika niti. Svjetlovodne niti
spajaju se trajnim spojevima varenjem niti električnim lukom (tzv. Fuzijski spojevi) ili
rastavljivim spojevima u što spadaju razne vrste optičkih konektora i mehaničkih spojnica.
Fuzijski spojevi su najpouzdaniji i unose najmanje gušenje sustava (prosječno 0,05 dB), dok
konektori imaju prosječno gušenje od 0,3 dB, a mehanički spojevi 0,2 dB.
Svjetlovodni sustavi imaju dvojaku primjenu. Najpoznatija i najrasprostranjenija je
njihova upotreba u telekomunikacijskim mrežama te lokalnim računalnim i podatkovnim
mrežama, gdje služe za prijenos informacija. Kao ilustraciju prijenosnog kapaciteta
svjetlovodne niti navedimo primjer sustava s valnim multipleksiranjem 32 valne duljine gdje
jedna valna duljina prenosi informacije brzinom od 10 Gbit/s. U tom slučaju po jednoj niti
dobijemo mogućnost prenošenja 3,9 milijuna govornih kanala istovremeno. Sadašnji
komercijalni sustavi rade na brzinama i od 40 Gbit/s.
3. MJERENJA NA SVJETLOVODNOG NITI
Nakon što je svjetlovodni kabel spojen i završen, potrebno ga je provjeriti. Na
svjetlovodnim prijenosnim sustavima prvo je potrebno ispitati njegovu neprekinutost, od kraja
do kraja, a tek nakon toga treba ispitati pogreške i probleme na njima. Ukoliko se radi o
dugačkom svjetlovodnom sustavu s puno međuspojeva svjetlovodne niti, treba provjeriti svaki
spoj. Za provjeru svjetlovodnih spojeva najjednostavniji i najpouzdaniji način je mjerenje
svjetlovodnim reflektorom OTDR.
Na svjetlovodnim se nitima obavljaju mjerenja sljedećih značajki: prigušenja,
disperzije, numeričke aparature te mjesta prekida ili njihove povrede.
9
Jednomodna nit:
Ako je mjerna valna duljina veća od kritične valne duljine jedne niti širit će se samo
jedan mod. Uz uvjet mjerenja prigušenja jednomodne niti su manje komplicirane od onih na
višemodnoj niti. Da bi se održala stalna pobuda niti, mjerenja treba obaviti u dva koraka: prvo
treba izmjeriti izlaznu snagu na daljem kraju, zatim se prereže nit na ulaznom kraju i ponovo
se izmjeri snaga. Razlika u razinama snaga u dB je prigušenje. To je metoda skraćivanja niti
(cutback). Druga metoda je analiza OTDR-om, koja zahtijeva pristup sa samo jedne strane što
je jako praktično. Širina pojasa jednomodne niti ovisi o kromatskoj disperziji, koja je kod
višemodnih niti zanemariva. Osnovna ideja mjerenja kromatske disperzije je slanje uskih
impulsa kratkih valnih duljina kroz nit i mjerenje njihovih različitih vremena dolaska. Kritična
valna duljina jednomodne niti definira najmanju valnu duljinu koja bi se trebala koristiti ako
je važan širok propusni pojas. Ispod te duljine širi se više modova. Kritična valna duljina se
mjeri tako da se pošalje široki spektar u kratku nit, te se mjeri gušenje svake spektralne
komponente. Kritična valna duljina je vidljiva kao diskontinuitet krivulje prigušenja.
Višemodna nit:
Najvažniji parametar niti je prigušenje svjetlosti. Ispitivanje prigušenja višemodnih
niti je otežano zbog širenja mnogo modova, od kojih svaki ima svoje karakteristike širenja.
Osnova za mjerenje prigušenja su izvori svjetlosti i mjerač snage, pri čemu se izdvajaju dva
načina mjerenja: metoda skraćivanja niti i metoda povratnog raspršenja.
Višemodna disperzija predstavlja proširenje impulsa uslijed različitih brzina širenja
kod različitih modova. Osnovni koncept mjerenja je da se nit pobudi kratkim impulsom, u
kojem su modovi ravnotežno raspoređeni, te se izmjeri širina impulsa na kraju niti.
Kromatska disperzija je proširenje impulsa različitih frekvencijskih svjetla sadržanih u
spektru izvora, prema tome, proširenje impulsa direktno ovisi o spetralnoj širini izvora.
Kromatska disperzija je u osnovi svojstvo materijala te doprinosi smanjenju širine opsega
višemodnih niti. Kromatska disperzija se ne može mjeriti neposredno.
Numerički otvor (engl. Numerical Aperture - NA) i promjer jezgre određuju kolika se
snaga može unijeti u višemodnu nit. NA definira maksimalni kut pod kojim zrake mogu ući u
nit, uvijek se mjeri na izlazu iz niti (na udaljenom kraju) jer je maksimalni kut promatran na
izlazu približno jednak istom na ulazu.
10
Za mjerenja na svjtlovodnim kabelima potrebno je imati slijedeće:
Svjetlosni izvor i prijamnik za mjerenje izračene snage, mjerač gubitaka na svjetlosnoj
niti s pripadajućom opremom
Dovoljan broj kvalitetnih sprežnika s pripadajućim spojnicama – konektorima,
prilagođenih prema ispitivanoj niti
OTDR s pripadajućom opremom svjetlovodnih niti i spojeva
Materijal i pribor za čišćenje svjetlovodnih niti i spojeva
3.1 Mjerenje prigušenja signala u svjetlovodne niti
Kod mjerenja prigušenja svjetlovodne niti potrebno je najprije izmjeriti izračenu
snagu. Za sva mjerenja na svjetlovodnoj niti potrebno je osigurati svjetlosni izvor koji će
izračiti energiju u obliku elektromagnetskog vala. Izračena snaga iz svjetlosnog predajnika je
zapravo ulazna snaga u svjetlovodni prijenosni sustav. Apsolutna razina snage za mjerenja u
svjetlovodnim sustavima iznosi 1mW, a valne duljine elektromagnetskih valova su 850, 1310
i 1550 nm. Iz praktičnih razloga u mjernoj tehnici se primjenjuje relativna izračena snaga
izražena u dBm. Prigušenje (gubici) svjetlosne snage u svjetlovodnim nitima ovisno je o
valnoj duljini λ zračenja koje prolazi kroz svjetlovod.
Sigurnost:
Snaga svjetlosti se može usporediti s izvorom s malom snagom, koristan signal bi na
većoj udaljenosti uz veće vrijednosti prigušenja bio na razini snage šuma. Iako svjetlosni
izvori u svjetlovodne sustave izračuju relativno malu snagu, potrebno je poštivati mjere zaštite
očiju od laserskog zračenja. To znači da se ne smije gledati u svjetlovodnu nit kada je
uključen izvor svjetlosti.Isto tako je potrebno sva rastavljiva spojna mjesta označiti zaštitnom
oznakom za lasersko zračenje.
3.2 Mjerenje disperzije signala u svjetlovodne niti
Disperzija je promjena amplitude impulsa u svjetlovodu i dovodi do izobličenja
signala. Obično je procjenjeno statističkim metodama prema razlici vremena prostiranja
komponenata signala ili prenošenja impulsa, kako je to prikazano na slici 7.
11
Slika 7: Dijagram ovisnosti relativne amplitude impulsa o vremenima kojem su prikazani njegovi parametri
3.2.1 Mjerenje disperzije signala u vremenskom području
To je najjednostavniji način mjerenja disperzije, prema kome se mjerenje obavlja tako
što se na jedan kraj svjetlovoda uvede optički impuls, a na drugom kraju svjetlovoda
detektiraju i mjere prošireni impulsi. Mjerenje se izvodi prema blok shemi prikazanoj na slici
8.
Kao izvor svjetlosti koristi se impulsni laser valne duljine λ = 0.9μm. Karakteristika
ove metode je u tome da se na početku i na kraju svjetlovoda nalaze djelomično prozračna
zrcala. Svjetlosni impulsi prolaze preko ulaznog zrcala u svjetlovod i cirkuliraju između
njegovih krajeva. Disperzija se obrađuje na osnovu uspoređivanja na ekranu osciloskopa
širine impulsa koji se vraćaju nakon uzastopnih cirkulacija u svjetlovodu sa širinom ulaznoga
impulsa. Usklađivanje impulsa usklađuje se pomoću linije kašnjenja. Ova mjerna metoda
omogućava da se pomoću relativno kratkog odsječka emitiraju uvjeti prelaska signala po liniji
veće duljine.
12
Slika 8: Blok shema za određivanje disperzije u vremenskom području
3.2.2 Mjerenje disperzije signala u frekvencijskom području
Podatak o disperziji u frekvencijskom području daje uspoređivanjem signala na ulazu i
izlazu svjetlovoda, informaciju o amplitudno-frekvencijskoj i fazno-frekvencijskoj
karakteristici svjtlovoda, koji su vrlo značajni podaci naročito kod projektiranja svjtlovodnih
prijenosnih sustava. Kod mjerenja ukupne disperzije u frekvencijskom području, u svjetlovod
se unosi svjetlosni signal promjenjive frekvencije, a stalne amplitude i faze. Aparatura za
mjerenje fazno-frekvencijeske karakteristike je vrlo precizna i skupa, pa se obično mjeri samo
amplitudni odziv, iz kojeg se izračunava fazni odziv. Procedura za mjerenje amplitudnog
odziva je vrlo jednostavna, sastoji se u mjerenju i usporedbi amplituda signala na ulazu i
izlazu svjetlovoda, a za što se može koristiti spektralni analizator.
Kao izvor svjetlosti mogu se koristiti LED ili laserske diode, čija se svjetlost direktno
modulira strujnim signalima. Kao foto detektori se primjenjuju PiN ili lavinske fotodiode.
Predajnik i prijamnik moraju imati približno isti frekvencijski opseg kao i svjetlovod, jer
inače može doći do pogreške pri mjerenju.
Praćenje tehničkog stanja veće elektromehaničke opreme je uobičajeno izveden u
industriji koristeći analize vibracija. Nekoliko tehnika pretežno bazirane na kapacitivnim i
piezoelektičnim akcelerometrima, pretežno se upotrebljava za održavanje.
13
Međutim, negativni utjecaj elektromagnetskih smetnji (engl. Electromagnetic
Interference - EMI) može predstavljati ozbiljan problem kada se elektični signali koriste za
otkrivanje i lociranje fizičkih parametara u bučnom okruženju kao što su električki pogoni
generatora snage sa visokim udjelom elektromagnetskih smetnji.
Senzore sa optičkim vlaknima se sve više koristi zbog prirodnih neelektričkih svojstva
signala. U ovom radu, najkorišteniji senzori sa optičkim vlaknima biti će prikazani, razvrstani
prema tehnikama senzora i principima mjerenja.
Glavne tehnike, intezitet modulacije, Svjetlovodne Braggove rešetke i Fabry-Perot
interferometrija će biti objašnjene.
4. PRIMJENA OPTIČKIH SENZORA NA BRODU
U novije vrijeme svjetlovodi se sve više koriste kao senzori raznih neelektričnih i
električnih veličina kao što su temperatura, naprezanje, tlak, pomak, vibracije, brzina,
ubrzanje, magnetska i električna polja, električna struja, radijacija, kemijske komponente te
protok fluida.
Najvažnije prednosti svjetlovoda, koje opravdavaju njihovu upotrebu na brodovima i
drugim zahtjevnim objektima kao što su zrakoplovi, naftne bušotine i elektrane su:
malo prigušenje i veliki kapacitet prijenosa podataka,
male dimenzije i težina,
mali trošak materijala te lakše i jeftinije polaganje kabela po brodu,
smanjenje zapremine i težine kabela,
nemetalne izvedbe tako da nisu podložni utjecajima vanjskih elektromagnetskih
polja,
nemogućnost pojave prenapona, iskrenja, kratkog spoja i požara na nitima,
proširivanje na veće prijenosne brzine samo zamjenom prijenosnih uređaja,
mjesto i vrstu oštećenja i kvarova moguće je utvrditi mjerenjem reflektometrom
pristupom samo s jednog kraja,
mogućnost integracije brodskih sustava i podsustava u jedinstvenu lokalnu
brodsku mrežu,
vijek trajanja svjetlovodne mreže podudara se s vijekom trajanja broda,
dobra pouzdanost svjetlovoda smanjuje i troškove odražavanja.
14
Svjetlovodi se na brodovima koriste za povezivanje sustava satelitskih i terestričkih
komunikacija, radara, dubinomjera, navigacijskih uređaja, sustava za nadzor stroja i tereta u
integriranu brodsku mrežu podataka.
Udaljenosti na kojima se mogu izvoditi mjerenja mogu biti vrlo velike i do nekoliko
kilometara. Veći broj senzora može se integrirati u cjelovit mjerni sustav. Izrađeni su od
dielektričnih materijala i imuni na bilo kakve elektromagnetske utjecaje, a mogu podnijeti i
relativno visoke temperature. Za sada je njihova cijena i cijena pripadnih mjernih uređaja još
uvijek viša od senzora temeljenih na tradicionalnim tehnologijama te stoga njihova primjena
na brodovima još nije zaživjela u većoj mjeri.
Optički senzori rade na principu moduliranja svjetlosti unutar niti kao odgovor na
vanjsku električnu ili neelektričnu pobudu.[4]
Tablica 2: Karakteristike svjetlovoda za instalaciju na brodove
Broj/tip niti 2, 4 , 6 / MM i SM
Težina kabela 98 kg/km
Radna temperatura -40 0C do 85 0C
Prigušenje MM niti na 850 nm 3,5 dB/km
Prigušenje MM niti na 1300 nm 1,5 dB/km
Prigušenje SM niti na 1300 nm 0,5 dB/km
Izvor: Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br 2., 2008.
5. SVJETLOVODNI SENZORI ZA MJERENJE VIBRACIJA
Svjetlovodni senzori se mogu generalno smjestiti u dvije grupe:
Ekstrinzični (Svjetlovodni senzori sa istaknutim karakteristikama kojima se očitavanje
događa u području izvan optičkog vlakna)
Intrinzični (Svjetlovodni senzori karakterizirani činjenicom da se očitavanje događa
samo po sebi unutar optičkog vlakna).
Kod ekstrinzičnih senzora svjetlovodna nit služi za prijenos signala do osjetilnog
elementa gdje signal modulira pod nekim vanjskim utjecajem kojeg želimo mjeriti. Signal se
dalje vodi svjetlovodnom niti do detektora koji izdvaja željenu informaciju iz moduliranog
15
signala. Informacija u osjetilnom elementu može biti modulirana intezitetom, fazom,
frekvencijom, polarizacijom, spektralnim vrijednostima, ili nekim drugim karakteristikama
vanjske pobude. Takve senzore koristimo za mjerenje temperature, tlaka, ubrzanja, vibracija,
kutnih i rotacijskih položaja, oštećenja i deformacija materijala, protoka, viskoziteta i nivoa
tekućina te kod kemijskih mjerenja. Pri instalaciji ovakvih diskretnih senzora njihova pozicija
mora biti prethodno točno definirana a moguće je povezati i više senzora u nizu u jedan
cjelovit mjerni sustav.
Kod intrinzičnih senzora za mjerenje vanjskog utjecaja koriste se fizikalna svojstva
same svjetlovodne niti. Svjetlovodni signal, koji prolazi kroz nit, modulira se neposredno
nekim vanjskim utjecajem ili deformacijom same niti i tako izazvane promjene njenih
transmisijskih parametara. Posebna podgrupa intrinsičnih senzora su tzv. Distribuirani
senzori. Njihovo važno svojstvo je to što se pomoću njih može snimiti prostorna raspodjela
mjerne veličine koju želimo pratiti. Dva najraširenija područja primjene tih senzora su
distribuirano mjerenje temperature i deformacija materijala. [4]
6. RADNI PRINCIPI SVJETLOVODNIH SENZORA ZA MJERENJE
VIBRACIJA
Svjetlovodni senzori također mogu mogu biti podijeljeni prema radnim principima. Na
slici 9. je prikazana je opća klasifikacija senzora za vibraciju: Senzori bazirani na intezitetu
vibracija (engl. Intensity based-senzors - IBSs) su senzori u kojima se intezitet modulira
pomoću vanjskih parametara; Fabry-Perot interferometri (engl. Fabry-Perot interferometer -
FPI) su pasivne optičke strukture koji koriste međudjelovanje višestrukih snopova zraka
unutar šupljine između polu-odbijajućih površina. Svjetlovodne braggove rešetke (engl. Fiber
Bragg Gratings - FBG) su proizvedene koristeći uzdužne periodične pertubacije
reflektirajućeg indexa jezgre svjetlovodnog vlakna. U ovom radu prethodna tri principa će biti
detaljnije objašnjena. [3]
16
Slika 9: Klasifikacija svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.1 Senzori bazirani na mjerenju inteziteta signala
Senzori bazirani na intezitetu signala se proučavaju i primjenjuju u zadnjih 25 godina,
što je prikazano na Slici 10. Može se primjenjivati u širokom opsegu konfiguracija, kao što su
mikrosavijanje, spajanje vlakna, pomicanje maski odnosno rešetki te modificiranje jezgre
optičkog vlakna.
Takvi senzori se mogu podjeliti u dvije široke kategorije ovisno o tome, da li fizički
kontakt sa vibracijskim objektom postoji ili ne postoji. Uobičajeno strukture bez kontakta
koriste reflektirajuće signale za detektiranje smetnji ili vibracije dok ostale strukture koriste
prijenosne konfiguracije.
17
Slika 10: Napredak senzora baziranim na intezitetuIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Kao glavno pravilo, u senzorima baziranim na intezitetu vibracija, intezitet svjetlosti iz
izvora je moduliran pomoću mjernog pretvarača; potom dolazi do detektora, te se prevodi u
električne signale i zatim se adekvatno prerađuju kao što je to prikazano na slici 11.
U puno slučajeva je potrebno imati referentni mehanizam da bi se zadržao senzor
kalibriran. Bez takvog referentnog mehanizma, optička jačina fluktuacije od izvora,
sprežnika, spojnica ili bilo kojih ostalih komponenti u sustavu može dovesti do značajniji
grešaka.
U nekim slučajevima, digitalna tehnika komunikacije kao što su kodirane divizije sa
višestrukim pristupom (engl. Code division multiple access - CDMA) mogu smanjiti utjecaj
šuma. [3]
18
Slika 11: Konfiguracija za sustav modulacije intezitetaIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.1.1 Mikrosavijajuća struktura
Mikrosavijajući senzor bio je jedan od prvih senzora baziranih na mjerenju malih
promjena u intezitetu svjetla. Princip detektiranja je baziran na promjeni emitirane energije
kao što su funkcije pritiska ili napona naprezanja. Uglavnom se svjetlosni intezitet u ovoj
stukturi smanjuje gubitcima prouzročenim induciranim mikro krivinama vodiča svjetla (Slika
12.).
Deformacija prouzrokuje međudjelovanje optičke energije sa navođenom jezgrom te je
dovodi na višu razinu radijacije; intezitet te radiacije se smanjuje utjecanjem okruženeog
materijala.
Multimodna i jednomodna optička vlakna se koriste za konstrukciju takvih senzora.
Dok multimodni mikro savijajući senzori pokazuju maksimalnu osjetljivost kada je savijanje
frekvencija jednaka razlici u konstanti širenja vezana za širenja i radijacije, u jednomodnom
mikro savijajućim senzorima, maksimum se postiže kada je frekvencija prostornog pojasa
19
jednaka razlici između konstante širenja osnovnog načina rada i diskretnom načinu rada
omotača.
Primjer ove tehnike rada prikazali su Pandey i Yadav. Koristili su mikro savijajuće
senzore smještene u konstrukcijsku ploču da uoče pritisak i deformacije. Kalibracija takvih
senzora je napravljena u laboratorijskim uvjetima, stoga je izlazna optička energija direktno
povezana sa pritiskom primjenjenim na senzor, što se vidi na slici 13. [3]
Slika 12: Struktura mikrosavijajućeg senzora Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Slika 13: Prikaz svjetlovodnog mikrosavijajućeg senzora za mjerenje visokog tlaka i detektiranje pucanja
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
20
6.1.2 Bezkontaktna nadopuna senzorima baziranim na intezitetu
Bezkontaktne dinamičke nadopune senzora se uobičajeno koriste za detektiranje
vibracija. Reflektirajuća shema se koristi za otkrivanje vibracija gdje se jedan svjetlovod
koristi kao izvor emiter, a jedan ili više svjetlovoda se koriste kao kolektor (Slika 14.).
Odbijanje sa površine koje je okružuju u blizini mete može se umanjiti koristeći tehnologiju
obrade podataka. [1]
Slika 14: Konfiguracija dinamičke zamjene senzora baziranima na intezitetuIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Kao primjer takve konfiguracije prikazano je na slici 15. Proizveden je jednostavan,
surov i jeftini bezkontaktni IBS koristeći dva svjetlovoda vezana za PMMA (engl. Poly
methyl methacrylate). Glavna prednost takve konfiguracije je niska cijena za proizvodnju
senzora i mjernih pretvarača.
Međutim, iako je proizvodnja svjetlovodnih senzora baziranih na intezitetu lagana, za
proizvest, značajna greška može se dogoditi primjenom izvora svjetlosti. Gubitci uslijed
fizičke konfiguracije i reflektirajuće površine izvan mjernog sustava često utječu na završnu
mjernu točnost. Na sreću, referentnu jačinu izvora fluktuacije je relativno jednostavno izvesti.
21
Nedavno su Perrone i Vallan prikazali visoko rezolutni i jeftin optički senzor (koristi
plastična svjetlovodna vlakna) za mjerenje vibracija čak do nekoliko desetaka KHz koristeći
shemu detekcije inteziteta praćenu sa nezahtjevnom obradom podataka koji kompenziraju
vibrirajuće površine reflektiranost i niz izmjerenih dobivenih vrijednosti. U ovakvim
senzorima, jedno svjetlovodno vlakno se koristi za prijenos svjetlosti, dok druga svjetlovodna
vlakna skupljaju odbojnu svjetlost od mete čije vibracije s(t) će biti izmjerene. Primljeni
signal se prerađuje nakon pretvorbe detektora slike. Eksperimentni pristup je prikazan na slici
16.
Senzori bazirani na intezitetu su uobičajeno niske cijene i promjenjive strukture. Čak i
određen reflektirajući eksperimentalni pristup takvih senzora dopušta da se koriste
bezkontaktni programi. [3]
Slika 15: Shematski prikaz eksperimentalnog pristupa svjetlovodnog senzora za mjerenje frekvencije vibracija
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
22
Slika 16: Plastični svjetlovodni sustavIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.2 Fabry-Perot interferometri
Fabry-Perot interferometri su optički aparati koje koriste višestruku refleksiju svjetla
između dvije djelomično posrebrenih površina (ploča).
U zadnja tri desetljeća, puno razvijeno je mnogo programa takve strukture, pomognuti
k nevjerovatnom eksplozijom optičke komunikacije i korištenja optičkih svjetlovodnih
vlakana kao prijenosni vodič i mjerni materijal. Evolucija takve optičke strukture kao senzora
za mjerenje vibracija je prikazano na slici 17.
Slika 17: Napredak Fabry-Perot senzora za mjerenje vibracija Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
23
Osnovna struktura Fabry-Perot optičkih senzora bazirana je na dvije ploče paralelnih
površina sa djelomičnim reflektiranjem tako da su višestruke zrake svjetlosti odgovorne za
stvaranje promatranih struktura interferencije.
Da bi se mogao realizirati jedan Fabry-Perot interferometr u svjetlosnom vlaknu(engl.
In-fiber Fabry-Perot interferometer - IFFPI) moraju se djelomično zrcalne površine proizvesti
unutar svjetlovodnog vlakna, kako je prikazano na slici 18. Takvi senzori se mogu proizvesti
koristeći kemijske procese ili zavarivanje strujom.
Slika 18: Opća struktura intrinzičnih Fabry-Perot interferometra Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Opća teorija iza ostalih interferometara se i dalje veže za Fabry-Perot modele;
međutim, takve višestruke reflekcije pojačavaju područje gdje se pojavljuju konstuktivni i
destruktivni utjecaji.[2]
Omjer refleksije od reflektirajućeg zračenja Ir do ulaznog zračenja Ii je periodičan
zajedno sa kružnom fazom φ, razlika između zraka prikazano je formulom:
(3)
Dok je površina reflektiranja R šupljih površina određuje finesa šupljine F. Finesa je
određena formulom:
(4)
24
Mnogi od ovakvih interferometara pate od uobičajenog problema nejasnosti
usmejaravanja u granicama gibanja kada meta koja se mjeri promijeni smjer dok izlazni
interferentni signali ostaju po svojoj prirodi kosinusoidalni. Opće rješenje uključuje dodatne
ili brojne ispitivačke šupljine, brojne valne dužine te kvadraturne tehnike pomaknuća faze.
Granice interferencije se detektiraju kao električni signal i povratna informacija u krug
komparatora za stvaranje željenih uvjeta kvadrature.
U ekstrinzičnoj verziji Fabry-Perot interferometru (engl. Extrinsic version of the
Fabry-Perot interferometer - EFFPI), optičke šupljine su smještene izvan vlakna. Poravnanje
krajeva svjetlovodnih vlakana se podržava povezanom kapilarnom cijevi ili se mogu postaviti
jedna nasuprot druge. U tom slučaju, koherentni izvor je neophodan da se izbjegnu
prekomjerni gubitci snage. Kada su substrat i pridodana cijev poravnati, reflektirani
interferentni signal varira odzivom promjenama u prostorima šupljina. (slika 19.) [3]
Slika 19: Struktura ekzintričnog Fabry-Perot interferometraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.2.1 Ekstrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija
Iako se izvještavalo o izvedbamavišestrukih senzora koji direktno koriste signale FPI-
detektora, kao što je prethodno opisano, neke druge izvedbe mogu se značajno unaprijediti
koristeći tehnike prerade signala u domeni elektronike. Jedan takav primjer prikazan je na
slici 20. U ovakvoj strukturi, konfiguracija višesrukih granica i nesinusoidalnih signala
dobivenih iz svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija koristi se kao ekstrinzičan Fabry-
Perot interferometar.
U ovakvoj konfiguraciji, uporabljena je metodologija prerade signala valne dužine
(engl. Wavelenght transform - WT) da mjeri optičke šupljine. Programi bazirani na WT
25
tehnologiji su razvijeni od autora za nedvosmislenu frekvencijsku indetifikaciju komponenta
iz situacija nesinusoidalnih vibracija. Takve nesinusoidalne vibracije dobivene su od
višebrojnih šupljina i kompleksnih mjerenja frekvencija.[1]
Slika 20: Shematski prikaz reflektirajućeg EFPI senzora spojenim sa svjetlovodnom niti i mjernim sustavom
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
Neki od Fabry-Perot senzora se trebaju kalibrirati prije nego se koriste. Prikazana je
moguća metoda da se kalibrira PVDF (engl. Polyvinylidene fluoride) senzor za naprezanja
koristeći četiri točke iz Besselovih hramonika. prikazano kao modificirana tehnika brojača
granica primjenjen na Fabry-Perot vibracijskom senzoru sa duplom šupljinom. Shematska
struktura je prikazana na slici 21. Kontinuirane serije interferentnih signala se mogu iskoristiti
za brojanje granica. Glavna prednost ovakve tehnologije je povećan razlučivanje, koja može
bit dobivena bez daljnjih procesnih shema kompliciranih signala, zbog toga što dopušta
kalkuliranje točki križanja i integrira interferencijske vrhunce u algoritme usljed stabilnog
optičkog generiranja kvadraturnih uvjeta koji su proizvedeni.[3]
26
Slika 21: Shematski prikaz Fabry-Perot interferometra za analizu vibracija sa dvije šupljineIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.2.2 Intrinzični Fabry-Perot interferometarski senzori za mjerenje vibracija
Jedan od prvih primjena od IFFPI je predstavio Yoshino. U takvoj izvedbi, detekcija
učinka vibracija je izvršeno korištenjem jednomodnih IFFPI (engl. Fiber Fabry-Perot
Interferometer) sa 70 postotnom refleksijom na kraju. Shematski dijagram razvojnog sistema
prikazan je na slici 22.
Daljnja primjena IFFPI je izvještena 1983 od Kerseya. Eksperimentalni uređaj koji je
prikazan na slici 23. je oblikovan jednomodnim IFFPI sa neprevučenim krajevima
svjetlovodnih vlakana.
Christmas je predstavio implementaciju mjerača vibracije sa visokom rezolucijom
koristeći pritom valne dužine Fabry-Perot senzora sa demultipleksnih svjetlovodnim
vlaknima. Sistem nadziranja je baziran na nisko koherentnoj interferometriji prikazano na
slici 24. Sastoji se od Mach-Zehnder ispitni interferometra (engl. Mach-Zehnder
interferometer - MZI) i Fabry-Perot senzora sa svjetlovodnim vlaknima. Fabry-Perot šupljina
je formirana parom svjetlovodnih Braggovih rešetaka (FBG) koje rade kao zrcala sa različitim
reflektiranjem prema funkciji valne dužine. Heterodinski signali su prilagođeni, da bi se
omogućila konstantna osjetljivost detekcije te korištenje konvencionalne tehnologije
obnavljanja signala.
27
Neki drugi IFFPI senzor se sastoji od dva dijela jednostavnih svjetlovodnih vlakna
(engl. Single Mode Fibers - SMF) zavarena tako, da stvaraju šupljinu u jezgri svjetlovodnog
vlakna (engl. Hole-core Fiber - HCF). Fabry-Perot šupljine čine krajeve od svakog
jednostvanog svjetlovodnog vlakna stvarajući zrcala interferometra. Takvu strukturu možemo
vidjeti na slici 25. Naziva se intrinzični etalon svjetlovodno vlakno (engl. In-line Etalon Fiber
- ILFE).
Nekoliko programa su se proizveli koristeći principe Fabry-Perot dodijeljene In-line
Fiber Etalon konstrukciji. Jednadžba ovakve strukture prikazuje vezu između optičke
reflektirajuće snage i deformacije šupljina:
(5)
U ovoj su jednadžbi A i V konstante predstavljajući amplitudu i vidljivost senzora, λ
predstavlja valnu dužinu optičkog izvora, L predstavlja duljinu šupljine, te ε je jedinstvena
deformacija šupljine.
Koristeći ovu shemu demonstrirano je da se može detekcija mirnog stanje izvedbe
trofaznih motora primjeniti u nebalansiranim uvjetima, što je prikazano na slici 26. Ovakva
izvedba je prikazuje da ILFE radi tako da se širi i njegova deformacija se registrira koristeći
interferometriju svjetlosti koja se reflektira pomoću zrcala Fabry-Perot etalona. Izlaz foto
detektora je povezan sa osciloskopom sa FFT modulom da prikazuje spektar vibracija.
Fabry-Perot interferometar omogućuje visoku preciznost kada se mjeri u stvarnom
vremenu vibracije na površinama. Neke tehnike kao što su dioba valne duljine, poslani i
primljeni optički signali mogu se koristiti da se omogući odlična relacija, mjerenja
deformacija i vibracija. Fabry-Perot interferometri mogu se svrstati kao jedni od
najosjetljivijih sastava u području svjetlovodnih senzora.
U ovom dijelu, pokušano je prikazati široko polje eksperimentalnih uređaja i primjena
koji mogu koristiti optičku strukturu. Glavni problemi koji mogu imati utjecaja na tu strukturu
su povezani sa proizvodnjom zrcala, čiji nedostaci i povezane pogreške mogu smanjiti točnost
senzora. [3]
28
Slika 22: Fabry-Perot interferometar za detekciju vibracijaIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Slika 23: Sustav IFFPI zajedno sa svjetlovodnom niti kao akcelerator Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
29
Slika 24: Shematski prikaz visoko rezolutnog demultipleksiranog svjetlovodnog Fabry-Perot senzora
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
Slika 25: Fabry-Perot interferometar formiran pomoću dva SMF i HCF, poznat kao intrinzični etalon svjetlovod ( ILFE)
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
30
Slika 26: Shematski prikaz kalibriranog sustava mjernog pretvarača koristeči inzintrične etalon vlakna
Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
6.3 Svjetlovodni senzori s Braggovom rešetkom
Svjetlovodni bragg grattings (FBG) su optički uređaji sa svjelovodnim vlaknima koji
se sadrže u longituidalnoj periodičkoj perturbaciji indexa loma jezgre svjetlovodnog vlakna.
Takve periodičke varijacije optičkih svojstava svjetlovodnog vlakna odnosi se na njihova
jedinstvena optička svojstva koja čine taj uređaj idealan za optičke mjerne programe. U stvari,
od osnutka prve permanentne ugrađene rešetke, sve veći broj znanstvenih grupa razvile su
svoja istraživanja sa takvim uređajima. Ustvari broj objavljenih radova vezanih sa vibracijama
sa FBG su značajno u porastu od 1994, iako su se prvi senzori za očitavanje naprezanja i
temperature pojavili 1988. Dijagram porasta niz godine prikazano je na slici 27.
31
Slika 27: Napredak FBG vibracijskih senzoraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Jedna od najvrijednijih svojstava FBG senzora je njihova jaka ovisnost rezonantnog
špica vrha kada su jako male varijacije Bragg periode što ih čini idealnim za očitavanje
naprezanja. Naravno oni imaju i dodatne prednosti, što su npr, njihova mala veličina što ih
čini jako pogodnim za ugradnju u miješanim materijalima ili betonu, tu je i multipleksiranje
gustoće valne dužine čine uređaj sposobnim da pravi više točki odjednom unatoč
kompliciranim civilnim strukturama kao što su autoputevi i mostovi. Njihova struktura se
može koristiti za konstantno mjerenje nekoliko parametara kao što su temperatura ili vlažnost
i vibracije koristeći tehnike multipleksiranja valnih duljina. [1]
6.3.1 Princip rada svjetlovodnih Braggovih rešetki
Optička svojstva FBG uređaja proizlazi iz serije razmještenih djelomičnih reflektora sa
određenim prostornim periodom. U svjetlovodnim vlaknima FBG, ti reflektora su proizvedeni
sa mjenjanim indexom loma jezgre svjetlovodnog vlakna u svrhu periodičnosti, čineći
dielektrična djelomična zrcala, te se serije interferencija pojavljuju kao da svjetlost putuje
32
kroz uređaj. Konzekventno, određene valne duljine, koje imaju konstantnu relaciju sa
periodom indexa loma perturbacije javlja jaka prijenosna blokada. Određene valne duljine se
odbijaju od FBG strukture, uređaj zadržava ostale valne duljine. FBG se ponaša kao reflektor
za izmjenu valnih duljina.
Svjetlovodne braggove rešetke su izrađene pomoću „pisanja“ periodičke varijacije
indexom loma unutar jezgre specijalnog tipa svjetlovodnog vlakna koristeći ultraljubičasti
izvor kao što je UV laser. Specijalno svjetlovodno vlakno sa dopiranim germanijum i
silicijem koristi se u proizvodnji FBG zbog toga što je fotoosjetljivo, te je moguće inducirati
da se index loma promijeni u području gdje je jako UV zračenje. Zbog toga se FBG proizvode
izloženi sa značajno uobičajenim UV uzorkom. Takvi uzorci se uglavnom dobivaju pomoću
dva različita procesa: međudjelovanje i maskiranje. Zbroj promjena u indexu loma unutar
jezgre svjetlovodnog vlakna je funkcija intenziteta i vijeka izlaganju UV zrakama.
Interferencija i maskiranje su najuobičajnije tehnike za izradu FBG, moguće je ispisati
ih dio po dio. U tom slučaju laser koristi nisku zraku koja je isto velika kao perioda rešetke.
Ovakva metoda je specijalno primjenjena u proizvodnji svjetlovodnih rešetki i nagnutim
rešetkama proizvedenih za duži vijek trajanja.
Osnovni princip rada FBG je Fresnel reflekcija. Svjetlost putuje između medija
različitih indeksa reflektivnosti tako da se može prelamati i odbijati od površine. Rešetke će
uobičajeno imate varijabilan sinusoidalan index loma kada je određena dužina.
Prostor valne duljine između prvog minimalca (ništice) ili širina pojasa (delta λ) je
prikazan formulom:
(6)
U ovoj formuli δn0 je varijacija indexa loma (n' - ncore )(Slika 28.) i η je prelamanje
snage u jezgri. Tipični odziv refleksije FBG prikazano je na slici 29.
Svjetlovodne braggove rešetke se mogu koristiti kao direktan element za očitavanje
naprezanja, ali također se može koristiti za programsku instrumentaciju seizmologije, senzori
pritiska za ekstremno teške uvjete, te za senzore u bušotinama ulja ili goriva za mjerenje
utjecaja izlaznog pritiska, temperature, seizmičkih vibracija i unutarnjih mjerenja protoka. [3]
33
Jedna od glavnih prednosti FBG uređaja je njihova prikladnost za senzore povezanih
mrežom. Nije nevažno da se može i urediti multi senzorski uređaji, te da ostali optički uređaji
imaju strogu limitaciju s obzirom na maksimalni broj senzora koji mugu bit integrirani u
optički sistem ( jako intezivni gubitci). U tom slučaju, FBG se može lako integrirati u
višestuku podjelu senzora, pa sistem može ispitivati koristeći multipleksnu razdiobu vremena
(engl. Time-division Multiplexing - TDM), multipleksnu razdiobu frekvencija (engl.
Frequency-division Multiplexing - FDM) ili tehnike multipleksiranja razdiobe valne duljine
(engl. Wavelength-division multiplexing - WDM), koristeći samo one svjetlosne izvore i
jedan sustav detektiranja. Sve to pridonosi značajno nižoj cijeni mjernog sustava, što je
prikazano na slici 30.
Slika 28: Shematska struktura svjetlovodnih braggovih rešetkiIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
34
Slika 29: FBG reflektirajuća snaga kao funkcija valne duljine Izvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
Slika 30: Eksperimentalni grupirani pristup za ispitivajući FBG sustav koristeći WDMIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
6.3.2 FBG Vibracijski programski osjetnici
35
Kao što je bilo prije napomenuto, jedinstvena svojstva FBG uređaja čine ih idealnim
za mjerenje veličina kao na primjer naprezanje. Ustvari, najraniji mjerni programi su bili
programi za mjerenje naprezanja i temperature. Vibracije induciraju dinamičke varijacije
naprezanja visokih brzina, i konstantno praćenje pozicije rezonantne valne duljine FBGa
dozvoljava mjerenje tih vibracija. U programima za mjerenje vibracija, valna duljina sustava
za ispitivanje je ključni parametar koji čvrsto određuje programski domet sustava. U slučaju
postizanja visoke brzine ispitivanja FBG senzora za mjerenje vibracija drukčije pristupa, ali
svi izbjegavaju optičku spektralnu karakterizaciju reflektirajućeg svjetla, budući da traje neko
vrijeme te usporava brzinu očitavanja.
Najčešće korišteni optički uređaj za visoke brzine očitavanja baziran je na podjeli dva
ili više različitih komponenata valnih duljina iz reflektirajućeg svjetla FBG, kombiniranih sa
konvencijalnim optičko-elektroničkim detektorom baziranim za mjerenje inteziteta. Takva
pasivna mjerenja podjele diferencijalnog inteziteta svijetlosti mogu dospijeti do brzine
ispitivanja od 50 kHz. Kao što je već bili prikazano, kada se FBG izloži naprezanju, valna
duljina svjetlovodnog bragga podložna je varijacijama. Mogući eksperimentalni pristup za
mjerenje naprezanja je standardno postavljanje reflekcije, te je prikazano na slici 31. U tom
slučaju koristi se široki opseg izvora svjetla. Reflektirajući Bragg signal koji se vraća preko
sprežnika (3 dB) prenaša se drugom sprežniku ovisnom o valnoj duljini. Budući da se
refleksija FBG spektralno mijenja sa naprezanjem, signali koji dolaze iz sprežnika ovisnom o
valnoj duljini će varirati intezitetom prema tome kako se FBG rasteže. Da bi se mjerili takvi
signali, moguće je koristiti jednostavnu elektronsku obradu i pomoću nje prikazati napon
direktno proporcionalnom naprezanju FBGa. Ove elektroničke mjerne razine omogućavaju
visoku brzinu ispitivanja. Ostali uređaji su bili izvješteni sa drukčijim konceptima gdje je
valna duljina određenog uređaja zamjenjena sa neuravnoteženim Marh-Zender
interferometrom. Jedan od načina je fazno modulirani uređaj sa rastezljivim piezoelektrični
uređajem i detektorom povratne informacije protoka kompenzirane faze. [1]
Sličan pristup je objavio Cusano i njegovi suradnici. Reflektirajuća svjetlost iz FBG
senzora je selektivno podijeljena pomoću optičkog filtera podešen sa bragg valnom duljinom
FBGa, kao što je to prikazano na slici 32. Reflektirajući signal iz FBG senzora je podijeljen u
dvije komponente pomoću optičkog filtera, prema tome kad je vruhanac bragg istisnut uslijed
naprezanja dvije mjerne komponente variraju svoje ralcije ovisno jedna o drugoj.
Takvo pasivno grupiranje demoduliranog sistema dopušta potpuno elektroničko
ispitivanje, stoga se dinamičko naprezanje (vibracije) može mjeriti na visokim frekvencijama
(do 400 kHz). Ustvari, brzina ispitivanja ovakvih sustava je ograničena samo stanjem
36
elektroničkih mjerenja. Takav specifični uređaj je uspješno primjenjen za mjerenje seizmičkih
aktivnosti kao što je prikazano na slici 33. U tom slučaju, tri različita FBG senzora konstantno
očitavaju i uspoređuju sa konvencijalnim ubrzivačem koristeći uređaj prikazan na slici 24. [3]
Slika 31: Mjerenje vibracija i naprezanja koristeći FBG senzoreIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
37
Slika 32: Eksperimentalni prikaz sustava za dinamička naprezanja sa jednim FBGIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
38
Slika 33: Prikaz odziva FBG sizmičkog senzoraIzvor: Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical Fiber Sensors“,
Journal of Sensors, 2010.
39
7. Zaključak
U prvom dijelu rada prikazane su osnove prijenosa energije pomoću svjetlovodnih
niti. Prijenos energije odvija se na svjetlovodnim valnim duljinama od infracrvenog do
ultraljubičastog spektra. Prijenosni mediji su najčešće izrađeni od silicijevog dioksida, u
novije vrijeme izrađuje se i od plastike. U tehnici svjetlovodne niti koriste se kao jednomodne
i višemodne niti. Višemodne niti se koriste za prijenos signala manjih prijenosnih brzina na
kraćim udaljenostima, dok se jednomodne niti koriste za velike prijenosne kapacitete i
udaljenosti. Svjetlovodne niti su predviđene za primjenu u prijenosnim mrežama i zato moraju
zadovoljiti pojedine zahtjeve kao i električni vodovi.
U nastavku rada su prikazane mogućnosti mjerenja prigušenja i disperzije prenošene
energije u svjetlovodnim nitima. Disperziju možemo objasniti kao promjenu amplitude
impulsa u svjetlovodu koja dovodi do izobličenja signala. Određuje se na osnovu
uspoređivanja širine impulsa na ekranu osciloskopa koji se vraćaju nakon uzastopnih
cirkulacija u svjetlovodu sa širinom ulaznog impulsa.
Iako svjetlosni izvori u svjetlovodne sustave izručuju relativno malu snagu, potrebno je
poštivati mjere zaštite očiju od laserskog zračenja, tj ne smije se gledati u svjetlovodnu nit
kada je uključen izvor svjetlosti.
U drugom dijelu rada prikazuju se glavne tehnike svjetlovodnih senzora za mjerenje
vibracija. Predstavljen je osvrt različitih tehnika senzora za mjerenje vibracija. Prvo su
predstavljeni senzori bazirani za mjerenje inteziteta, prikazivajući postavu koja se koristi za
mjerenje vibracija. Takav tip senzora može se koristiti u dvije svrhe: kao reflektirajući i
prijenosni način rada. Međutim visoka ovisnost mjerne preciznosti prema izvoru razine snage
je slaba točka senzora baziranih na intezitetu vibracija u odnosu s ostalim tehnikama
predstavljene u radu. Fabry-Perot mjerači vibracija su karakterizirani sa boljom rezolucijom i
brzinom rada. Nekoliko uređaja može se realizirati koristeći tu strukturu senzora. Zbog tih
karakteristika i prednosti, Fabry-Perot senzori se smatraju najraširenijom tehnikaom koja se
koristi za detektiranje vibracija u svjtlovodnom području. Naposlijetku, tehnike svjetlovoda sa
Braggovom rešetkom za mjerenje vibracija imaju jedinstvenu brzinu i kapacitet
multipleksiranja valne duljine. Visoka brzina tehnike ispitivanja su potrebne da bi se
detektirale visoko frekventne oscilacije. Moglo bi se reći da svjetlovodni senzori mogu
doprinijeti točnosti, izdržljivosti i ekonomskoj konfiguraciji za mjerenje vibracija, uz to još
povećavajući opseg programa i otvaranja novih polja istraživanja.
40
Optički senzori za mjerenje vibracija na brodu posjeduju značajne prednosti koje
opravdavaju njihovu uporabu ponajviše na brodovima ali i drugim objektima kao što su
zrakoplovi, naftne bušotine, elektrane itd. Neke od najvažnijih prednosti su male dimenzije i
težina, veliki kapacitet podataka, jeftinije polaganje kabela na brodu, smanjenje težine kabela,
nisu podložni utjecajima vanjskih elektromagnetskih smetnji, nemogućnost pojave iskrenja,
kratkog spoja ili požara, smanjeni troškovi održavanja te se vijek trajanja svjetlovodnog
sustava podudara sa vijekom trajanja broda.
Iako cijena takvih sustava koji su uvelike pouzdaniji i sigurniji je još uvijek znatno viša
u usporedbi sa klasičnim sustavima, kroz razvoj novih sistema sve je pristupačnija za
ugradnju na brodove te pruža efikasniji prijenos podataka i mjerenja električnih i
neelektričnih veličina.
41
8. Popis tablica
Tablica 1: Karakteristike svjetlovodnih niti................................................................................4
Tablica 2: Karakteristike svjetlovoda za instalaciju na brodove..............................................15
9. Popis slika
Slika 1: Princip rada svjetlovodnog sustava...............................................................................2
Slika 2: Konstrukcija svjetlovodne niti s primarnom zaštitom...................................................3
Slika 3: Vrste svjetlovodnih niti.................................................................................................5
Slika 4: Blok shema impulsno-lokacijeske metode....................................................................7
Slika 5: Oscilogram impulsnog mjerenja....................................................................................7
Slika 6: Karakterističan reflektogram spojeva na svjetlovodnoj niti..........................................8
Slika 7: Dijagram ovisnosti relativne amplitude impulsa o vremenima kojem su prikazani
njegovi parametri.......................................................................................................12
Slika 8: Blok shema za određivanje disperzije u vremenskom području.................................13
Slika 9: Klasifikacija svjetlovodnih senzora za mjerenje vibracija..........................................17
Slika 10: Napredak senzora baziranim na intezitetu.................................................................18
Slika 11: Konfiguracija za sustav modulacije inteziteta...........................................................19
Slika 12: Struktura mikrosavijajućeg senzora...........................................................................20
Slika 13: Prikaz svjetlovodnog mikrosavijajućeg senzora za mjerenje visokog tlaka i
detektiranje pucanja...................................................................................................20
Slika 14: Konfiguracija dinamičke zamjene senzora baziranima na intezitetu........................21
Slika 15: Shematski prikaz eksperimentalnog pristupa svjetlovodnog senzora za mjerenje
frekvencije vibracija...................................................................................................22
Slika 16: Plastični svjetlovodni sustav......................................................................................23
Slika 17: Napredak Fabry-Perot senzora za mjerenje vibracija................................................23
Slika 18: Opća struktura intrinzičnih Fabry-Perot interferometra............................................24
Slika 19: Struktura ekzintričnog Fabry-Perot interferometra...................................................25
Slika 20: Shematski prikaz reflektirajućeg EFPI senzora spojenim sa svjetlovodnom niti i
mjernim sustavom......................................................................................................26
42
Slika 21: Shematski prikaz Fabry-Perot interferometra za analizu vibracija sa dvije šupljine 27
Slika 22: Fabry-Perot interferometar za detekciju vibracija.....................................................29
Slika 23: Sustav IFFPI zajedno sa svjetlovodnom niti kao akcelerator....................................29
Slika 24: Shematski prikaz visoko rezolutnog demultipleksiranog svjetlovodnog Fabry-Perot
senzora.......................................................................................................................30
Slika 25: Fabry-Perot interferometar formiran pomoću dva SMF i HCF, poznat kao intrinzični
etalon svjetlovod ( ILFE)...........................................................................................30
Slika 26: Shematski prikaz kalibriranog sustava mjernog pretvarača koristeči inzintrične
etalon vlakna..............................................................................................................31
Slika 27: Napredak FBG vibracijskih senzora..........................................................................32
Slika 28: Shematska struktura svjetlovodnih braggovih rešetki...............................................34
Slika 29: FBG reflektirajuća snaga kao funkcija valne duljine................................................35
Slika 30: Eksperimentalni grupirani pristup za ispitivajući FBG sustav koristeći WDM........35
Slika 31: Mjerenje vibracija i naprezanja koristeći FBG senzore.............................................37
Slika 32: Eksperimentalni prikaz sustava za dinamička naprezanja sa jednim FBG...............38
Slika 33: Prikaz odziva FBG sizmičkog senzora......................................................................39
43
10. Skraćenice
Skraćenica Engleski naziv Hrvatski naziv
ADP Avalanche Photo Diode Lavinska foto dioda
CMDA Code Division Multiple Acess Kodirane divizije sa višesturkim pristupom
EFFPI Extrinsic version of the Fabry-Perot Interferometer
Ekstrinzična verzija Fabry-Perot interferometra
EMI Electromagnetic Interference Elektromagnetske smetnje
FBG Fiber Bragg Gratings Svjetlovodne Braggove rešetke
FDM Frequency-division Multiplexing Multipleksna razdioba frekvencija
FFPI Fiber Fabry-Perot Interferometer Vlakno Fabry-Perot interferometra
FPI Fabry-Perot Interferometer Fabry-Perot interferometar
HCF Hole-Core Fiber Jezgra šupljine vlakna
IBS Intensity Based Senzors Senzori bazirani na intezitetu vibracija
IFFPI In-fiber Fabry-Perot Interferometer Intrinzični Fabry-perot interferometar
ILFE In-line Etalon Fiber Intrinzično etalon svjetlovodno vlakno
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Pojačanje svjetla poticanjem emisije zračenja
LED Light Emmiting Diode Svjetleća dioda
MZI Mach-Zehnder Interferometer Mach-Zehnder interferometar
NA Numerical Aperture Numerički otvor
OTDR Optical Time Domain Reflectometer Svjetlovodni impulsni reflektometar
PCF Photonic Crystal Fiber Fotonično kristalno vlakno
PMMA Poly methyl methacrylate Polimetil metakrilat
POF Polymer Optical Fiber Multimodno plastično optičko vlakno
44
PVDF Polyvinylidene fluoride Polyvinylidene florid
SMF Single Mode Fiber Jednostavno svjetlovodno vlakna
TDM Time-division Multiplexing Multipleksna razdioba vremena
TDR Time domain reflectometer Impulsni reflektometar
WDM Wavelength-division multiplexing Multipleksna razdioba valne duljine
WT Wavlenght transform Pretvorba valne duljine
45
Literatura
[1] Lopez-Higuera, J. M.: Handbook of Optical Fibre Sensing Technology, John Wiley &
Sons Ltd, Chichester England, 2002.
[2] Dakin, J. P., Brown, R. G. W.: Handbook of Optoelectronics Volume I&II, Taylor &
Francis Group, New York, 2006.
[3] Rodriguez Garcia Y., Corres, J., C., Goicoechea J.: „Vibration Detection Using Optical
Fiber Sensors“, Journal of Sensors, 2010.
[4] Jurdana, I.: „Primjena Svjetlovodne tehnologije na brodovima“, Pomorstvo, god. 22, br
2., 2008., str. 271-282.
[5] Svalina, M.: „Vlaknasto-optički senzori za vibraciju i mjerenje naprezanja – pregled“,
Naše more, 2009., str. 33-41.
46