NOVÝ ZPŮSOB MĚŘENÍ POMOCÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ S FREKVENČNÍ

2009/19 – 17. 4. 2009

NOVÝ ZPŮSOB MĚŘENÍ POMOCÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ S FREKVENČNÍ ZMĚNOU NA VÝSTUPU F. Hanáček, J. Látal, P. Koudelka VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra telekomunikační techniky 17. listopadu 15, 708 33, Ostrava-Poruba Email: [email protected] Článek se zabývá novým způsobem využití optických vláken jako senzorů. Vláknově optické senzory jsou již poměrně rozšířené a při různých měření jsou nezastupitelné. Nová metoda měření se zabývá využitím optických vláken jako senzorických prvků v zapojení v elektronickém obvodu. Snažíme se zde nastínit další možný způsob využití intenzitních vláknově optických senzorů.

1. TELEKOMUNIKAČNÍ VLÁKNA V telekomunikačních aplikacích se v součastné době nejčastěji používají křemenná optická jednomódová vlákna s pracovními vlnovými délkami λ = 1310 nm a 1550 nm pro přenos na páteřní komunikační síti. Pro použití v lokálních počítačových sítích se často využívají gradientní optická vlákna a plastová optická vlákna na pracovních vlnových délkách λ = 850 nm a λ = 650 nm [15].V metropolitních sítích se používají skleněná mnohomódová nebo jednomódová vlákna. Pro WDM systémy se využívá výhradně skleněných jednomódových vláken s pracovní vlnovou délkou λ = 1550 nm [2].

(4) Numerická apertura závisí u SI vláken ze vztahu (4) na indexu lomu jednotlivých sklovin optického vlákna. φa je aperturní (příjmový) úhel, určující kužel, ve kterém leží vnější dopadající paprsky, jež budou vláknem vedeny. Paprsky dopadající pod větším úhlem než φa se lámou do vlákna, ale jsou vedeny jenom na malou vzdálenost. Numerická apertura tedy vyjadřuje schopnost vlákna přijímat a vést světlo. Výpočet numerické apertury znázorňuje vzorec č. 4., výpočet příjmového úhlu je znázorněn ve vzorci č. 5 [2].

Optický signál se v jádře optického vlákna šíří pomocí módů. Každý mód šířící se podél osy optického vlákna má určitou hodnotu konstanty šíření a grupové rychlosti, zachovává si své příčné rozložení a polarizaci. Každý mód je dán superpozicí TEM rovinných vln šířících se prostřednictvím mnohonásobných odrazů pod jistým úhlem optickým vláknem. Je-li poloměr jádra dostatečně malý, může se jím šířit pouze jediný mód, hovoříme o jednomódovém vlákně. Vlákna s větším průměrem jsou mnohomódová [1,2].

(5)

Počet módů vyskytujících se v optickém telekomunikačním vlákně závisí na energii, které jednotlivé módy nesou. Počet módů ve vlákně je závislý na normalizované frekvenci V, pro kterou platí v případě optického vlákna se skokovým průběhem indexu lomu vztah č. 1 [1,2,3].

Obrázek 1. Numerická apertura. Optické signály které dopadají na rozhraní jádra a pláště pod úhlem větším, než je mezní úhel se totálně odrážejí a jsou jádrem optického vlákna vedeny, aniž by na rozhraní docházelo k jejich lomu. Optické signály svírající s osou vlákna větší úhly se na rozhraní částečně lámou, část přenášeného výkonu se při každém odraze ztrácí do pláště vlákna. Tyto paprsky nejsou jádrem vedeny [1].

(1) Relace pro výpočet počtu módů pro vlákna se skokovou změnou (SI)

2. VLÁKNOVĚ OPTICKÉ SENZORY

(2)

Moderní vláknově optické senzory vděčí za svůj vývoj dvěma velmi důležitým vědeckým objevům zhruba konce 60-tých let. Jejich nástup byl velmi razantní, nicméně od té doby do dneška došlo, jak k dílčímu poklesu zájmu, tak i k opětovné renesanci vláknově optických senzorů. Je možné konstatovat, že i když dnes neexistuje fyzikální veličina, kterou by nebylo možné jimi

Relace pro výpočet počtu módů pro gradientní vlákna (GI) (3) 19-1

2009/19 – 17. 4. 2009 je dělení dvě základní skupiny a to intenzitní VOS a interferometrické VOS. Pro můj měřící systém se budu více zajímat o intenzitní VOS, a to z důvodu konstrukce VOSsFV, což je popsáno níže v kapitole č. 3. Další způsoby dělení VOS je dělení podle působení snímané veličiny vzhledem k senzoru:

měřit, nedošlo u nich k tak velkému rozšíření, jak se z počátku předpokládalo. Jako hlavní důvod této skutečnosti lze považovat, jak ekonomickou stránku věci, tak i určitý konzervativní přístup uživatelů měřící a regulační techniky [3] a zejména skutečnost, že rozvoj VOS je podmíněn technologickým rozvojem výroby a použití vláknově optických komunikací.

• •

Použití vláknově optických senzorů je v některých aplikacích nenahraditelné (hydrofony a gyroskopy)[3,4], protože i nejlepší klasické senzory nedosahují tak vynikajících parametrů. Tato skutečnost vyplývá ze zcela odlišného fyzikálního charakteru nosiče informací [3,4,5]. Mezi základní výhody vláknově optických senzorů patří jejich nízká hmotnost, velmi malé rozměry, pasivita, vysoká citlivost, linearita, široké spektrum použití a hlavní výhodou je odolnost proti elektromagnetickému rušení. Mezi hlavní nevýhody patří vysoká cena [3].

Vnější (3a) Vnitřní (3b)

Obrázek 3. Způsoby snímání a) vnější, b) vnitřní. Snímaná fyzikální veličina působí na vláknově optický senzor prostřednictvím změn, proto další kritérium dělení může být podle:

Vláknově optické senzory můžeme využít jako senzory rotace, zrychlení, elektrického pole a magnetického pole, teploty, tlaku, vlhkosti, viskozity, chemických a biochemických vlastností.

• • •

indexu lomu optického vlákna absorpce emise, resp. fluorescence [3]

Podle požadavků na snímací systém, jak je znázorněno na obrázku 4. Obrázek 2. Základní blokové schéma.

a) Bodové snímání b) Vnitřní distribuované

Zdroj optického záření je podle požadavků nejčastěji tvořen buď luminiscenční diodou (nekoherentní zdroj záření), nebo laserovou diodou (koherentní zdroj záření) a je charakterizován zejména vlnovou délkou λ, šířkou pásma Δλ, optickým výkonem, stabilitou a druhem provozu (kontinuální nebo pulsní). Snímač optického záření, představuje obvykle fotodioda, PIN dioda, nebo lavinová dioda podle požadované citlivosti, odstupu signál – šum, zisku a podle způsobu dalšího zpracování snímaného signálu.

c) Rozprostřené snímání

Vláknově optický senzor se volí s ohledem na druh měřené veličiny x, způsob modulace, metodu měření a dále podle požadovaných parametrů (nároků na měření)[3,4,5,6]. Optické vlákno může být v závislosti na měřené veličině x a konkrétních požadavcích buď telekomunikačního typu (mnohomódové se skokovou změnou indexu lomu, mnohomódové gradientní, jednomódové, případně polarizační) nebo speciální [3]. Obrázek 4. a) Bodové snímání, b) Vnitřní distribuované c) Rozprostřené snímání.

2.1. DĚLENÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÝCH SENZORŮ Vláknově optické senzory můžeme rozdělit podle mnoha kriterií na několik skupin. Základní dělení senzorů 19-2

2009/19 – 17. 4. 2009 speciálním složením (Er3+ nebo Nd3+), využívají pro měření teploty v rozsahu od 0ºC do 300 ºC [11,37,38].

2.2. INTENZITNÍ VLÁKNOVĚ OPTICKÉ SENZORY Jeden z nejrozšířenějších typů optických senzorů jsou senzory využívající intenzitní (amplitudovou) modulaci nosného snímaného optického signálu. Princip intenzitních vláknových senzorů využívám u svého měřícího systému VOSsFV. U VOSsFV je senzorická část tvořena z intenzitních VOS. Amplitudová modulace optického signálu se může uskutečnit jedním z následujících způsobů:

2.2.2. S ENZORY SE ZMĚNOU PŘECHODU A ODRAZU SVĚTLA

Změny intenzity světelného signálu přenášeného optickým vláknem, lze dosáhnout nejenom změnou vlastností homogenního materiálu, ale i přerušením optického vlákna a ovlivňování vazby na jejím konci. Tohoto lze dosáhnout vzájemným pohybem konců vstupního a výstupního optického vlákna nebo pohybem clony, optických mřížek mezí konci. Takto se konstruují přenosové i odrazové senzory [5,6]. Nejčastěji využívaný princip (obrázek 5.) s jedním vysílaným se dvěma přijímacími vlákny.

a) změnou útlumu, to je přímé zeslabení světla průchodem optickým prostředím, b) změnou přechodu a odrazu světla, c) porušením okrajových podmínek šíření světelného signálu v optickém prostředí, d) změnou vzájemné vazby světlovodů, e) generací záření.

2.2.1. S ENZORY SE ZMĚNOU ÚTLUMU Pro konstrukci senzorů se změnou útlumu se uplatňují dva přístupy, jako citlivá část senzoru se využívá optické vlákno (obrázek 3 b.), snímaná veličina mění útlum optického vlákna, nebo optické prostředí mezi vstupním a výstupním optickým vláknem (obrázek 3.a), mění se útlum tohoto prostředí [3].

Obrázek 5. Senzor s jedním vysílacím se dvěma přijímacími vlákny.

Důležitou skupinu senzorů se změnou koeficientu útlumu optického vlákna tvoří senzory radiačního záření, které využívají radiační poškození optického vlákna. Radiačním poškozením skla se zvětší útlum, tzn., zvýší se absorpce optického vlákna. Tyto senzory lze použít na měření dávek záření v rozsahu od 10-3 Rad až do 106 Rad [3]. Velikost přídavného útlumu jádra závisí na parametrech radiačního záření (druh záření, energie částic, intenzita, dávka), konstrukce a složení optického vlákna, na vlnové délce použitého optického signálu[5,6,23]. Pro konkrétní použití (druh záření, rozsah měření) se vyvíjejí optické vlákna se speciálním složením.

Obrázek 6. Senzor pro měření vzdálenosti.

Při interakci radiačního záření s materiálem optického vlákna probíhá současně s procesem nárůstu útlumu i proces obnovení původní průhlednosti optického vlákna, který ovlivňuje zejména složení skla, teplota okolí a intenzita světla, které se šíří optickým vláknem.

Jednou z možných úprav konců vláken je jejich šikmé obroušení, využívá se kromě vzájemného pohybu konců vláken i úplný odraz na rozhraní vstupního vlákna – venkovního prostředí [3]. Nevýhodou uvedených senzorů jsou vysoké nároky na přesnost zhotovení mechanických prvků, tuto nevýhodu lze částečně odstranit použitím uspořádání, ve kterém je vstupní i výstupní vlákno pevně uchycené v tělese senzoru a modulace intenzity světla se uskutečňuje vzájemným pohybem dvou absorpčních mřížek [3.5,6].

Čas obnovení je maximální pro olovnatosilikátové vlákna (pro skla s příměsí fosforu to jsou řádově desetiny sekundy) a minimální pro polymerová optická vlákna (10-3 s). Dynamika obnovení původní průhlednosti (pokles přídavného útlumu) všeobecně nezávisí na vlnové délce a dávce záření, ale výrazně závisí na intenzitě světla, šířící se v optickém vlákně.

2.2.3. S ENZORY S PORUŠENÍM OKRAJOVÝCH PODMÍNEK ŠÍŘENÍ SVĚTLA

Významnou skupinu senzorů se změnou útlumu optického vlákna tvoří senzory teploty[37,38,39]. Teplotní změny senzoru útlumu optických vláken se

Významná skupina intenzitních optických vláknových senzorů pracuje na principu porušení 19-3

2009/19 – 17. 4. 2009 okrajových podmínek šíření (v optickém vlákně) vlivem snímané fyzikální veličiny.

Obrázek 9. ukazuje senzor s porušení okrajové podmínky ponořením do kapaliny, k porušení podmínky dochází ponořením konce vlákna nebo holého jádra do kapaliny. Na tomto principu jsou založeny senzory optické hustoty, koncentrace, úrovně kapaliny. Přesnost měření změn indexu lomu je velmi velká, což umožňuje použití senzorů například na měření koncentrace oleje ve vodě [3].

Nejčastěji se využívá porušení podmínky úplného vnitřního odrazu, např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm optického vlákna. Podmínku úplného odrazu lze porušit buď změnou zakřivení optického vlákna, nebo změnou poměru indexu lomů [3].

2.2.4. S ENZORY SE ZMĚNOU VZÁJEMNÉ VAZBY SVĚTLOVODŮ

Modulace světla se v těchto senzorech uskutečňuje pomocí porušením synchronizace módů šířících se ve vláknech nebo přenosem části energie do sousedního vlákna [3]. Modulace světla porušením synchronizace módů v páskových světlovodech se uskutečňuje pomocí prostřednictvím změny vlastností elektrooptického materiálu, ze kterého je vyroben světlovod nebo podložka. Přenos energie z jednoho módu do druhého lze dosáhnout vytvořením optického kontaktu s anizotropním materiálem.

Obrázek 7. Mikroohyby. Při ohybu optického vlákna pod kritický poloměr nastává průnik světla do pláště optického vlákna, to se může šířit podél optického vlákna jako plášťové módy, nebo mohou uniknout do okolního prostředí, tím se snižuje intenzita světelného signálu, šířícího se jádrem optického vlákna, nebo se intenzita zvýší, průnikem světla z okolního prostředí do jádra vlákna [3,5,6].

Na konstrukci tohoto senzoru se používá přenos části energie z jednoho optického vlákna do druhého pomocí optického tunelového jevu. Na úseku dlouhém několik centimetrů jsou k sobě přiložena holá jádra dvou optických vláken. Vazba mezi nimi, záleží na jejich vzájemné vzdálenosti (několik µm). Měří se intenzita světla, které přešlo ze vstupního do výstupního optického vlákna. Senzor využívající optický tunelový jev lze konstruovat na základě jednomódových i mnohomódových optických vláken [3,5,6,14].

Senzor na obrázku č. 7 slouží k měření mechanických veličin působících na tlakovou destičku. Mají velké výhody a ty jsou vysoká citlivost, velký dynamický rozsah a kompaktnost, vyplývající z toho, že není nutné optické vlákno přerušit. Na obrázku č.8 se pro modulaci optického signálu používá silikátová optomodulační destička. Při působení fyzikální veličiny na tuto destičku dochází vlivem elastooptického jevu k modulaci vstupního signálu. Tento senzor lze použít např. pro měření tlaku.

Hlavní výhodou uvedeného typu senzoru je vysoká citlivost. Pro optimalizaci jeho parametrů je nutno zvládnout mechanické i optické problémy. Praktické uplatnění těchto senzorů je však vázané na technologické zvládnutí výroby mechanických prvků s mikrometrovou přesností [3].

Obrázek 8. Vložená elastooptická destička.

Obrázek 10. Senzor se změnou vzájemné vazby světlovodů.

2.2.5. S ENZORY S GENERACÍ ZÁŘENÍ Tvoří zvláštní skupinu intenzitních optických vláknových senzorů, pro svou činnost využívají záření indukované v optickém materiálu působením optických, tepelných a radiačních vlivů [3,5,6,14].

Obrázek 9. Porušení okrajových podmínek vložením do kapaliny.

19-4

2009/19 – 17. 4. 2009 Senzory teploty s generací záření založeny na detekci tepelného záření, vznikající ohřevem úseku optického vlákna, resp. ve vhodném materiálu umístěném na konci vlákna. Velkou výhodou je, že nepotřebují zdroj světelného záření a teplotu lze určit nezávisle na místě ohřívaného bodu. Výkon vyzařovaný na všech vlnových délkách rychle narůstá se zvyšováním teploty. Konvenční optické vlákno lze použít pro měření teploty od 135 ºC do 300 ºC. Nižší teploty až do 100 K lze měřit s použitím optických vláken vyrobených z fluoridových a chalkogenních skel. Tyto materiály mají dostatečně malý útlum i v oblasti 3µm až 1µm což je infračervená oblast a mohou přenášet k detektoru tepelné záření těles s nižší teplotou [3,5,6,13].

3. REALIZACE VLÁKNOVĚ OPTICKÉHO SENZORU S FREKVENČNÍM VÝSTUPEM Měřící systém vláknově optického senzoru s frekvenčním výstupem VOSsFV, je založen na principu zesilovacího systému, který je zaveden do stavu, porušující podmínku stability. Ve zpětné vazbě zesilovacího systému je budící prvek optické vazby, senzorický prvek (optické vlákno) a detekční prvek optické vazby. Při porušení amplitudové a fázové podmínky stability zesilovače[7,8,9] v přímé větvi se obvod s optickým vláknem ve zpětné vazbě rozkmitá na vlastní kmitočet. Optické vlákno ve zpětné vazbě snímá okolní změny prostředí podle svého uspořádání. Výhodou použití VOSsFV je dynamický rozsah změn měřené veličiny, který dosahuje 50-60 dB. Výstupní signál VOSsFV je změna frekvence vlastních kmitů, samotný signál tak může být snadno přizpůsoben pro další zpracování.

2.2.6. I NTERFEROMETRICKÉ SENZORY Nejcitlivější optické vláknové senzory jsou založeny na fázové modulaci světelné vlny, která se síří optickým vláknem. Změny fáze světelné vlny se měří interferometrickými metodami. Těmito metodami je možno měřit změny fáze řádově o 10-8 (přičemž vlnová délka světla v optickém vlákně je kolem 1µm) proto můžeme měřit extrémně malé změny dráhy optického signálu [3,5,6,14].

Stabilita operačního obvodu je choulostivá věc. Nasazení autooscilací se rovná havarijnímu stavu u operačních zesilovačů a v tomto stavu rostou chyby na stovky procent a aplikace ztrácí smysl [7]. Nikde však není řečeno, že není možno tohoto stavu využít v nové myšlence měřícího zařízení, v kterém se využívají výhody optických vláken - senzorů.

Snímaná veličina x (obrázek č. 2) způsobuje změnu fáze světelné vlny prostřednictvím změny délky, indexu lomu a průřezu optického vlákna. Vliv změny průřezu optického vlákna na fázovou modulaci je ve většině případů zanedbatelný [3].

3.1. ŘEŠENÍ STABILITY A AUTOOSCILACÍ ZESILOVACÍHO SYSTÉMU

K řešení problému vláknově optického senzoru s frekvenčním výstupem VOSsFV je nutné si nadefinovat podmínky pro stabilitu operačních obvodů. Z těchto podmínek stability pak můžeme následně určit pracovní podmínky VOSsFV.

Jako základ konstrukce fázových optických senzorů se používají optické vláknové interferometry. Optické vláknové interferometry lze rozdělit do tří základních skupin:

Problém stability zesilovačů úzce souvisí s problematikou zpětné vazby. Zpětná vazba zavádí část energie z výstupu zesilovače na vstup zesilovače a to se stejnou fází – kladná zpětná vazba KZV nebo s opačnou fází – záporná zpětná vazba ZZV. Díky existenci parazitních členů RC i neideálních vlastností operačních obvodů, však není situace tak jednoznačná, fázový posuv ve smyčce zpětné vazby je frekvenčně závislý a ZZV se může pro určité frekvence změnit ve vazbu kladnou, čímž můžou vznikat oscilace – nestabilita operačního obvodu [7,8,20].

a) Dvouramenný jednomódový interferometr (Machův-Zehnderův nebo Michelsonův) využívající porovnání fáze světelné vlny, která se šíří senzorovým optickým vláknem a vlny, která se šíří referenčním optickým vláknem. Používá se homodynní nebo heterodynní způsob detekce vlny. b) Jednovláknový interferometr s obousměrnou optickou vazbou (Sagnacův interferometr) porovnávající fázi dvou světelných vln, které se šíří proti sobě v cívce optického vlákna.

Stabilitu systémů se zpětnou vazbou zajišťujeme pomocí korekcí (kompenzací) – to je takovou úpravou frekvenčních vlastností zesilovače (i vazeb), aby nevznikaly nežádoucí kmity (oscilace) v systému. Opačným požadavkem je zajištění kmitů na určité frekvenci, při konstrukci oscilátoru. Na obrázku č. 11 je formální model systému se zpětnou vazbou [7,8,9,20].

c) Mezimódový interferometr využívající interferenci dvou anebo více módů světelné vlny, které se šíří stejným optickým vláknem, jeho výhodou je možnost použití mnohomódových optických vláken, nevýhodou jsou problémy při vyhodnocování interferenčního obrazu [3,5,6,14].

19-5

2009/19 – 17. 4. 2009 Ze vztahu

β ⋅ Au ≠ 1

je zřejmé že pro β = 1 je

kritický bod (-1,j0) na pravé straně a systém je nestabilní. Pokud se kritický bod nachází na levé straně, systém je stabilní [7,8]. Nestabilní systém stabilizujeme pomocí korekce frekvenční závislosti zesílení A tak, aby podmínka stability byla splněna. Korekce se provádí pomocí zavedení vhodné časové konstanty τk, která od určité frekvence ωk = 1/ τk omezuje zesílení systému (zesilovače). Čím menší je zesílení se zpětnou vazbou (tedy čím větší je β), tím větší korekční kapacitu musíme použít pro daný zesilovač, aby byla zajištěna stabilita obvodu. Nevýhodou je ovšem zhoršení dynamických vlastností zesilovače, zmenšuje se doba přeběhu [7,8].

Obrázek 11. Formální model systému se zpětnou vazbou

Platí zde vztah:

u1 = k 1 ⋅ u i + β ⋅ u 0

,

u 0 = Au ⋅ u1

Potom struktura se zpětnou vazbou má zisk

Az =

u0 k1 ⋅ Au = ui 1 − (β ⋅ Au )

(6)

Az

3.2.

(7)

β

je činitel zpětné vazby, jež udává míru přenosu z výstupu na vstup. k1 je přenosová konstanta vstupního obvodu. Pro stabilní systém, musí platit, výraz :

1 − β ⋅ Au ≠ 0 ;

Z předešlých bodů je zřejmé, že zásadní funkci u tohoto měřícího systému tvoří nedílnou součástí zesilovací (oscilační) část, stejně jako část senzorická a budící. Vláknově optický senzor s frekvenčním výstupem VOSsFV se skládá ze tří důležitých částí, jak můžeme vidět na obrázku č.13 Jedná se o zesilovací systém, budící systém, senzorický systém [3].

(8)

Z toho plyne podmínka pro zisk zpětnovazební smyčky:

β ⋅ Au ≠ −1

KONSTRUKCE VOS SFV

(9)

Obecně se zde jedná o komplexní číslo, zobrazuje se závislost

β ⋅ Au

v komplexní rovině a pro stabilitu

struktury vyplývá ze vztahu

β ⋅ Au ≠ −1

Nyquistovo

kritérium stability.

Obrázek 13. Formální obrázek vláknově optického senzoru s frekvenčním výstupem

Systém se zpětnou vazbou je stabilní, jestliže bod (-1;j0) leží po levé straně orientované charakteristiky rozpojené smyčky že postupuje od obrázku č. 12 [7].

β (ω) ⋅ A(ω) ,orientací se myslí fakt, ω = 0 k ω → ∞ , jak je vidět na

Obrázek 12. Určení stability systému pomocí Nyquistova kritéria stability. Obrázek 14. Schéma zapojení zesilovacího systému 19-6

2009/19 – 17. 4. 2009 a) Zesilovací systém

prvního OZ v zesilovacím systému. Problém nastává ve stabilizaci teploty, protože jakýkoliv šumový signál je naveden do zesilovacího signálu a následně nám narušuje námi požadovanou hodnotu frekvence. Zesilovací systém v tomto stavu pracuje jako oscilátor řízený změnou proudu[8]. Dle nastavení zesilovacího systému můžeme mluvit o množině oscilačních frekvencí, kde každá lze použít ke měření jiné veličiny s jinou přesností.

Zesilovací systém je založen na jednoduchém oscilátoru viz blokové schéma na obrázku č. 14, který je vhodně složen z operačních zesilovačů , které oscilují na kmitočtu fout, ten je brán jako prahový, od této hodnoty se odvíjí závislost útlumu na senzorickém prvku, optické vlákno, na výstupní frekvenci. Pro zesilovací systém jsou zapojeny kaskádovitě tři operační zesilovače OP 37GP v neinvertujícím zapojení.

3.3. PRŮBĚŽNÉ VÝSLEDKY MĚŘENÍ VOSSFV

b) Budící systém

V tabulce jsou zhodnoceny výsledky z měření na VOSsFV, trasa na které se mění útlum je složena z optického vlákna s konektorem ST a útlumem 2,4 dB, změna útlumu je dosažena vložením útlumových členů. Výsledná změna útlumu je dána součtem velikosti Atrasy a Avložného útlumu.

U budícího systému se jedná o část obvodu, jehož hlavní funkcí je nastavení vstupních parametrů optického zdroje, protože na velikosti nastavení výstupních parametrů (napětí a svítivosti) laserové diody závisí prahová frekvence VOSsFV. Parametry budícího systému jsou závislé na optimálním nastavení použitého optického zdroje, na jeho mezních hodnotách a to tak, aby bylo možno použít v senzorické části různé druhy optických vláken.

Těmto hodnotám odpovídá příslušná frekvence snímaná na výstupu VOSsFV, fout, citlivost tohoto senzoru je definovaná jako rozdíl frekvencí. Charakteristiky definující VOSsFV jsou na obrázku 16 a 17.

c) Senzorický systém Atrasy [dB]

V této části systému závisí na předchozím rozdělení součástek, neboli zda je zahrnut do senzorické části i část emitující a detekující optické záření.

Avložného útlumu

Ac

U

[dB]

[V]

Upk-pk [V]

fout [kHz]

∆f [kHz]

[db]

Obrázek 15. Senzorický systém Na obrázku č.15 je znázorněno zapojení optického vlákna, což je hlavní část nejenom senzorického systému, ale i celkového měřícího systému. V měřícím systému VOSsFV je hlavní požadavek na stabilizaci teplotní závislosti, čím je větší teplotní stabilita, tím lze dosáhnout větší přesnosti měření. Do senzorické části lze poté zapojit optické vlákno, které bude mít přímo námi požadované měřící vlastnosti. Možnost změny a kalibrace senzorické části systému nám umožňuje široké spektrum použití VOSsFV

2,4

0

2,4

-0,632

0,176

3267

0

2,4

5

7,4

-0,576

0,328

2024

1243

2,4

10

12,4

-0,512

0,36

1672

352

2,4

15

17,4

-0,512

0,368

1578

94

2,4

20

22,4

-0,512

0,368

1409

169

2,4

25

27,4

-0,512

0,376

1388

21

Tabulka naměřených hodnot výstupu VOSsFV

VOSsFV má velkou možnost využití, je to perspektivní měřící systém. Použitím různých druhů optických, nebo speciálních vláken v senzorické části systému nám umožňuje nazývat FOSsFV, měřícím systémem. Ze zapojení zesilovací části systému vyplývá,viz obrázek č.14, že se zde nejedná o jednu oscilační frekvenci, která se bude měnit v závislosti na změně útlumu na senzorické části. Změnou útlumu dochází ke změně detekované energie na detektoru, tato energie se navádí na vstup

Obrázek 16. Graf závislosti fout na Ac.

19-7

2009/19 – 17. 4. 2009 [8] Dostál, J., Operační Zesilovače v elektronice, BENtechnická literatura 2005 ISBN 80-7300-049-0 [9] Brandštetter, P. Elektronika, VŠB – TU Ostrava c 1999, ISBN 80-7078-966-2 [10] A.Ghatak, K. Thyagarajan, Introduction to Fiber Optics, Cambridge university. ISBN 0-521-57120-0 [11] Buck, J. A., Fundamentals of optical fibers, John Wiley & Sons, New York, 2004 ISBN 0-471-22191-0 [12] Bass, M., Van Stryland, E. W., Williams, D. R.,Wolfe W.

Obrázek 17.Graf závislost fout na Ac.

L., Handbook of optics volume II devices , Na obrázku č. 17 je znázorněna důležitá vlastnost tohoto senzoru což je citlivost, jak je z grafu vidět největší citlivost je u VOSsFV při změně z 2,4 dB na 17,4 dB je v ní pokryt rozsah změny frekvence 1689 kHz což je 88 % rozsahu senzoru. V této části bude tento senzor nejcitlivější, což lze využít pro měření s velkou citlivostí, např. přesné měření teploty a tlaku v malém rozsahu.

measurements ,and properties, 1995 ISBN 0-07047974-7 [13] Laude, J. P. DWDM fundamentals, Components and applications, Artech house, inc. 2002 ISBN 1-58053177-6

4. ZÁVĚR

[14] Yin, S.,Ruffin, P. B. , Yu F.T. S., Fiber Optics sensors, Second edition, CRC press. 2008,

V článku je shrnutá myšlenka použití optických vláken jako vláknově optických senzorů, která volně navazuje na novou myšlenku Vláknově optických senzorů s frekvenčním výstupem. Jsou zde shrnuty závěry vývoje a první pokusné měření tohoto měřícího systému.

ISBN-13: 978-1-1-4200-5365-4 [15] Weiner, A., Plastic optical Fibers: Principles, component, instalation. MCD Verlag München 1999, ISBN 3-89578-135-5

LITERATURA

[16] Bailey, D., Wright E., Practical Fiber Optics, 2003,

[1] Saleh, B. E. A., Teich, M. C., Základy fotoniky 1., 2.,3.,4.

Elsevier Ltd. ISBN: 978-0-7506-5800-3

svazek MATFYZPRESS, 1994 ISBN 80-85863-02-2

[17] DeCusatis, C. M.,Sher DeCusatis, C. J., Fiber optic

[2] Vašinek, V., Přednášky Optoelektronika I.-III.

essentials, Elsevier Inc.2002, ISBN 0-12-208431-4

(neveřejný text)

[18] Yang, Ch., Zhao, Ch., Wold, L., Kaufman, K. R.,

[3] Bejček, L.,Vláknová optika v řídící a měřící technice,

Biocompability of physiological pressure sensor,

FEKT VUT Brno, 2002 (neveřejný text)

Biosensors and Bioelectronics, 2003 p. 51-58

[4] Grattan, K.T.V., Sun, T., Fiber optic sensor technology:

[19] Kaufmann, K.R., Wavering, T., Morrow, D., Davis, J.,

an overview, Sensors nd Actuators A: Physical; 2000 p.

Lieber, R.L., Performance characteristics of a pressure

40-61

microsensor, Journal of Biomechanics, 2002

[5] Udd, E., Fiber Optic Sensors An Introduction for

[20] Christiansen, D. Electronics Engineers Handbook,

Engineers and Scientists John Wiley & Sons, New York,

McGraw-Hill, 4th ed. 1996, p. 17.1- 17.4

1991 ISBN 0-471-83007-0

ISBN 0-07-02177-2

[6] Lopez-Higuera, J.M., Handbook of Fibre Optics sensing technology, JOHN WILEY and SONS 2002. ISBN 0-471-82053-9 [7] Punčochář J., Operační Zesilovače v elektronice, BENtechnická literatura 2002 ISBN 80-7300-059-8

19-8