Optické senzory
Autor: Milan Dvořák
1
Obsah 1. 2.
Úvod ................................................................................................................................... 3 Přehled vláknových optických senzorů.............................................................................. 4 2.1 Vnější a vnitřní vláknové senzory.............................................................................. 4 2.2 Senzory založené na modulaci intenzity světla.......................................................... 5 2.2.1 Multiplexingování optických senzorů ................................................................ 6 2.2.2 Senzory s totálním vnitřním odrazem ................................................................ 8 2.2.3 Senzory založené na prchání světla.................................................................... 9 2.2.4 Senzory založené na mikroohybu .................................................................... 10 2.2.5 Mřížkové senzory............................................................................................. 11 2.3 Spektrální optické senzory ....................................................................................... 13 2.3.1 Senzory využívající záření černého tělesa ....................................................... 13 2.3.2 Fluorescenční senzory ...................................................................................... 15 3. Technologie optických senzorů........................................................................................ 17 3.1 Optická vlákna a Braggovy mřížky.......................................................................... 17 3.2 Výroba FBG ............................................................................................................. 18 3.3 Deformační vláknové optické senzory..................................................................... 20 3.4 Braggova mřížka, demodulace a multiplexní přenos ............................................... 21 3.5 Měření teploty a deformací ...................................................................................... 23 3.6 Teplotní diskriminace............................................................................................... 24 4. Kompozity se zabudovanými senzory.............................................................................. 27 4.1 Účinky mikrostruktury ............................................................................................. 27 4.2 Strukturální integrita ................................................................................................ 27 4.3 Výkon senzorů.......................................................................................................... 28 4.4 Deformační limity EFPI a FBG senzorů .................................................................. 30 5. Seznam použité literatury:................................................................................................ 31
2
1.
Úvod
Současný dynamický rozvoj technologie optických vláken má úzkou souvislost s využitím optických součástí a zvláště optických vláken v oblasti telekomunikací. Podíváme-li se do historie první náznaky o vývoji a použití nízkoútlumových optických vláken sahají do šedesátých let 20. stol. S postupným vývojem technologie v následujících letech bylo možné použít získané znalosti pro výrobu senzorů z optických vláken. S jejich výrobou došlo k rychlému rozšíření a následnému vývoji různých typů pro různé aplikace. Cílem této práce je podat přehled o využívaných typech optických senzorů, jejich modifikacích a možnostech uplatnění při měření různých fyzikálních veličin. Zpráva se především zabývá Braggovými (FBG) a Fabry-Pérotovými optickými senzory, jejich konstrukcí, měřicími principy a snaží se shrnout doposud publikované vědomosti, které se týkají jejich využíváním v technické praxi. Jedná se především o poznatky v oblastech měření deformace od silového a teplotního působení v kompozitech za využití FBG senzorů, vztahu optického vlákna a ochranného obalu, časového a vlnového multiplexingu.
3
2.
Přehled vláknových optických senzorů
2.1
Vnější a vnitřní vláknové senzory
Optické senzory jsou často volně seskupeny do dvou základních skupin. První skupina představuje vnější nebo hybridní vláknové optické senzory a druhá skupina zahrnuje vnitřní a ostatní vláknové senzory. Obr. 1 ukazuje případ vnějšího nebo hybridního optického senzoru.
Obr.1 Vnější vláknový optický senzor se skládá z vlákna, které vede z a do „černé skříňky“, která moduluje světelný paprsek procházející skrz ni jako odezvu na vnější vlivy prostředí. V tomto případě vede optické vlákno do „černé skříňky“, která přenáší informace do optického paprsku jako odpověď na vlivy okolního prostředí. Informace mohou být předány na základě měřené intenzity, fáze, frekvence, polarizace apod. Optické vlákno potom nese světlo s informací získanou díky vlivem vnějšího působení do optického nebo elektronického procesoru. V některých případech může být vstupní vlákno také výstupním vláknem. Vnitřní nebo ostatní optické vláknové senzory jsou ukázány na Obr. 2. Každá z těchto zmíněných tříd má ještě spoustu podtříd s velkým množstvím senzorů a jejich modifikacemi.
4
Obr. 2 Vnitřní vláknové optické senzory spoléhají na šíření paprsku světla optickým vláknem. Toto světlo je modulováno vlivem vnějšího prostředí buď přímo nebo vlivem působení prostředí na samotné vlákno.
2.2
Senzory založené na modulaci intenzity světla
S ohledem na jednoduchost typů optických senzorů je hybridní typ založen na intenzitě modulace světla. Obr. 3 ukazuje jednoduchý uzávěrový nebo vibrační senzor, který se skládá ze dvou optických vláken, které jsou drženy ve velké blízkosti. Světlo je vpuštěno do jednoho z nich, kde existující světlo začne expandovat do světelného kuželu, úhel kuželu závisí na rozdílu indexu lámání světla jádra a krycí vrstvy optického vlákna. Množství světla zachyceného druhým vláknem závisí na úhlu přijmutí a na vzdálenosti d mezi optickými vlákny. Modulování vzdálenosti d způsobuje modulaci intenzity zachycovaného světla.
Obr. 3 Uzávěrový a vibrační senzor založený na štěrbině může být využit jako indikátor uzavírání dveří nebo pro měření vibrací.
5
Variace na tento typ senzoru je ukázána na Obr. 4. Zde je použito ohebné zrcadlo, které reaguje na vnější podněty jako např. tlak. Jak se pozice zrcadla posouvá, tak se posouvá efektivní vzdálenost mezi ním a optickými vlákny, což způsobuje výslednou modulaci intenzity světla. Tyto typy senzorů jsou vhodné pro využití jako zavírače dveří, kde bývá využit odrazný pásek a optické vláno jako prostředek pro přenos světla.
Obr.4 Štěrbinový senzor s ohebným zrcadlem pro měření vibrací a malých deformací Úpravou dvou optických vláken do přímky, lze získat přenosový senzor Obr. 5. Výstup ze dvou detektorů je poměrově měřen za účelem lokalizace pozice vstupního vlákna.
Obr. 5 Přenosový senzor založený na štěrbině využívá poměru výstupů na detektorech pro určení pozice vstupního vlákna.
2.2.1 Multiplexingování optických senzorů Několik společností vyvinulo rotační a lineární pozicové optické senzory jako podporu pro aplikace
typu
fly-by-light.
Tyto
senzory
se
pokouší
eliminovat
náchylnost
na 6
elektromagnetické rušení a snaží se redukovat nároky na hmotnost způsobenou vlivem nutného stínění. Obr. 6 ukazuje pozicový rotační senzor, který se skládá z kódového kotouče s různými odrazovými dírami, kde pozice každé díry má unikátní kód. Série optických vláken je pak použita pro určení pozice dané díry.
Obr. 6 Rotační senzor s kódovým kotoučem umožňující měření signálu z více zdrojů Příklad lineárního pozicového senzoru užívajícího multiplexingu dělením vlnových délek (Wavelength Division Multiplexing – WDM) je ukázán na Obr. 7. Širokopásmý světelný zdroj, může se jednat o světlo emitující diodu, je zapojen do systému. Jedno optické vlákno je použito pro přenos světla do WDM jednotky, ta je využita pro rozdělení světla do dalších vláken. Krabice na desce Obr. 7 představují vysoce odrazové vrstvy. Odražený signál je rekombinován a rozdělen pomocí druhé WDM jednotky. Tímto lze roztřídit a vyšetřit signál z jednotlivých vláken.
7
Obr. 7 Multiplexing rozdělených vlnových délek měřící přítomnost nebo absenci odrazové vrstvy Další používaná metoda pro vyšetřování více senzorů na jednom optickém vláknu je časovědělená multiplexingová metoda (Time Divison Multiplexing – TDM). Na Obr. 8 je zdrojem světla světelný puls. Světelný puls se šíří centrálním vláknem a rozděluje se do vyšetřovacích vláken. Každé vyšetřovací vlákno má však jinou délku a díky tomu se odražené pulsy z jednotlivých vláken vracejí s jistým časovým zpožděním. Pak pomocí detektoru lze určit hodnoty získané z jednotlivých senzorů.
Obr. 8 Multiplexing časového dělení optického signálu
2.2.2 Senzory s totálním vnitřním odrazem Další skupina optických senzorů je založena na principu totálního vnitřního odrazu. Na Obr. 9 je znázorněn senzor, kde se skrz jádro optického vlákna šíří světelný paprsek, toto vlákno je zakončeno zešikmením. Jestliže prostředí, do kterého je zešikmené vlákno uloženo má dostatečně malý index odrazu, pak se všechny paprsky odrazí od zrcadlového povrchu zpět do vlákna. Jestliže index odrazu prostředí se blíží indexu odrazu skla, pak část světla šířícího se vláknem přejde do vedlejšího prostředí a způsobí tím změnu modulace intenzity světla.
8
Obr. 9 Optický senzor se zešikmeným zakončením Tento typ senzorů lze využít pro měření tlaku nebo změny indexu lomu v gelech či tekutinách při 1-10% procentní přesnosti měření. Variace na tuto metodu lze využít také v případě měření hladiny tekutiny, jak ukazuje Obr. 10. Pokud tekutina dosáhne odrazového hranolu, proniká světlo do tekutiny a tím slábne signál.
Obr. 10 Senzor výšky hladiny tekutiny založený na přítomnosti nebo absenci odraženého signálu z odrazového hranolu
2.2.3 Senzory založené na prchání světla Hranice šířeného paprsku světla do oblasti jádra vlákna a síla přenosu ze dvou blízce umístěných optických jader lze využít pro senzory založené na prchání světla. Obr. 11
9
představuje dvě optická jádra, která jsou položena velmi blízko u sebe. Pro jedno modové optické vlákno se vzdálenost pohybuje v rozmezí 10-20 mikronů.
Obr. 11 Optický senzor založený na prchání světla. Variací vzdálenosti d vlivem teploty, tlaku, deformace, lze snímat vlivy vnějšího prostředí působící na senzor Použijeme-li jedno modové optické vlákno, pak značné množství šířeného světla zmizí z oblasti jádra do obalu vlákna nebo okolního média. Pokud umístíme druhé vlákno velmi blízko k prvnímu, bude mít prchající záření tendenci shromažďovat se v jádru přilehlého vlákna. Množství přestoupeného světla závisí na mnoha parametrech jako vlnové délce světla, relativního indexu odrazu média, ve kterém jsou vlákna vloženy, vzdáleností jader a interakčních délek použitých optických vláken. Tento typ senzorů lze využít pro měření vlnových délek, spektrálního filtrování, indexu odrazu, vlivu okolního prostředí na médium obklopující optická vlákna (teplota, tlak, deformace).
2.2.4 Senzory založené na mikroohybu Další způsob jakým se světlo ztrácí z optického vlákna, je když rádius ohybu vlákna přesahuje kritický úhel pro návrat světla do jádra vlákna a světlo tak začne přecházet do okolí. Lokální mikroohyby vláken mohou mít za následek změnu modulace intensity světla. Senzory na tomto principu jsou zpravidla využívány pro měření vibrací, tlaku a dalších vlivu okolí. Obr. 12 ukazuje typický příklad měřícího systému s tímto typem senzorů.
10
Obr. 12 Mikroohybové vláknové senzory jsou konfigurovány tak, aby vlivy okolního prostředí zvyšovali nebo snižovali ztrátu světla v převodníku
2.2.5 Mřížkové senzory Jeden z posledních příkladů na intenzitě světla založených senzorech je mřížkové zařízení, Obr. 13. Vstupní optický světelný paprsek je soustředěn čočkami a prochází skrz dvojitý mřížkový systém. Jedna z mřížek je trvale uchycena a druhé je umožněn pohyb. Akcelerací relativní polohy mřížky se mění výsledná intenzita modulovaného signálu na výstupním optickém vláknu.
Obr. 13 Senzor intesity založený na mřížce pro měření vibrací, zrychlení
11
Jedno z omezení tohoto typu zařízení je, že mřížka se pohybuje z pozic úplné průhlednosti až po totální neprůhlednost a mění se tím relativní citlivost senzoru, Obr.14. Pro optimální citlivost by měla být mřížka v poloze napůl otevřené a napůl uzavřené. Zvýšením citlivosti znamená drobnější rozteč mřížky, ale tím snižujeme dynamický rozsah.
Obr. 14 Omezení dynamického rozsahu mřížkově založeného senzoru z Obr. 13. Pro zvýšení citlivosti bez omezení dynamického rozsahu lze využít násobné mřížky, které jsou kompenzovány 90 stupni, Obr. 15.
Obr. 15 Dvojitá mřížka s oblastmi 90 stupňů mimo fázi pro podporu kvadraturní detekci, která umožňuje mřížkově založeným senzorům sledovat vícenásobné čáry. Když má jeden výstup optimální citlivost, pak je druhý výstup na své nejnižší citlivosti, Obr.16. Využitím obou výstupů pro sledování lze jedním pozorovat skrz vícenásobné čáry 12
mřížky zvětšující se dynamický rozsah a zamezit signálu úpadek od pozice s minimální citlivostí.
Obr.16 Obrázek představuje kvadraturní detekční metodu Optické senzory založené na intenzitě mají množství omezení díky ztrátám v samotném systému, které nesouvisí s vlivem okolí na měření. Potenciální chyba zahrnuje ztráty od konektorů, spojek, ztrát z mikro a makroohybů, mechanického tečení a z vychýlení světelného zdroje a detektorů. K obejití takového množství problémů se používá optických senzorů s duální vlnovou délkou, kde je první vlnová délka využita pro kalibraci. Nebo alternativně se používají senzory odolnější na chyby vzniklé změnou intenzity světla.
2.3
Spektrální optické senzory
Spektrálně založené optické senzory závisí na modulaci paprsku světla vlivem okolního prostředí. Příkladem těchto typů senzorů jsou založeny senzory na principu záření černého tělesa, absorpce, fluorescence, etalonu, rozptylu mřížky.
2.3.1 Senzory využívající záření černého tělesa Jeden z nejjednodušších typů z těchto senzorů je senzor na principu záření černého tělesa, Obr. 17. Dutina černého tělesa je umístěna na konci optického vlákna. Pokud se dutina zvětší svou teplotu, začne se chovat jako zdroj světla.
13
Obr. 17 Optický senzor na principu černého tělesa umožňuje měřit teplotu v přehřátém místě, největší efektivitu projevuje při teplotách 300°C a vyšších Detektor v kombinaci s přímým pásmovým filtrem je použit pro určení profilu křivky černého tělesa v závislosti na teplotě. Výkon a přesnost tohoto senzoru je lepší při vyšších teplotách a padá dolů, pokud je teplota nižší než 200°C z důvodu slabého signálu. Velký důraz je kladen na polohu přehřátého místa, to musí být vždy dutina černého tělesa ne samotné optické vlákno, to by mohlo vést k porušení integrity signálu.
Obr. 18 Křivka záření černého tělesa poskytuje unikátní popis pro každou teplotu Další typ spektrálního senzoru založeném na teplotě je znázorněn na Obr. 19. Jedná se o senzor založený na absorpci. V tomto případě Galium-Arsenidový (GaAs) senzor je použit v kombinaci s širokopásmým zdrojem světla a vstupními/výstupními optickými vlákny. Profil vstřebávání sondy je teplotně závislý a může být využit pro určení teploty.
14
Obr. 19 Optický senzor založený na různé absorpci materiálu
2.3.2 Fluorescenční senzory Fluorescenčně založené senzory jsou široce využívané pro medicínské aplikace, chemické měření, nebo také pro měření fyzikálních parametrů jako teplota, viskozita a vlhkost. Na Obr. 20 jsou zachyceny dva nejpoužívanější. V tomto případě koncový hrot senzoru, světlo se šíří vláknem až k sondě z fluorescenčního materiálu. Výsledný fluorescenční signál je zachycen stejným vláknem a nasměrován zpět na výstup demodulátoru.
Obr. 20 Konfigurace fluorescenční vláknové optické sondy může být využita pro meření fyzikálních parametrů, stejně tak jako pro měření přítomnosti chemických prvků.
15
Alternativa ve využití vlastností prchání světla z vlákna je vyleptat část obalu vlákna a nahradit je fluorescenčním materiálem. Následným vysláním světelného pulzu do vlákna s využitím TDM lze pozorovat fluorescenci. V mnoha případech vzniká u optických senzorů požadavek, aby jejich využití mělo analogii s používanými elektronickými senzory. Příklad je v elektrických deformačních měřidlech využívaných k pozemním stavitelství. Zde nachází významné uplatnění senzory s optickou mřížkou (Braggovy senzory), díky velké rozmanitosti měřicích délek (1mm - 1cm) a díky citlivosti srovnatelné s konvenčními deformačními měřidly.
16
3.
Technologie optických senzorů
Současný dynamický rozvoj technologie optických vláken má úzkou souvislost s využitím optických součástí a zvláště optických vláken v oblasti telekomunikací. Podíváme-li se do historie první náznaky o vývoji a použití nízkoútlumových optických vláken sahají do šedesátých let 20. stol. S postupným vývojem technologie v následujících letech bylo možné použít získané znalosti pro výrobu senzorů z optických vláken. S jejich výrobou došlo k rychlému rozšíření a následnému vývoji různých typů pro různé aplikace.
3.1
Optická vlákna a Braggovy mřížky
Optická jsou malá, lehká a ohebná. Jejich průměr se pohybuje okolo 125 μm . Jedná-li se o jedno módové vlákno, pak se jeho průměr pohybuje v rozmezí 9 μm a méně. Samotné vlákno je chráněno před vlhkostí a mechanickým kontaktem s okolím polymerovým obalem nebo hermeticky uzavřeným obalem z kovu či keramiky. Nejpoužívanější materiál pro obalení optických vláken a senzorů je polyamid. Má totiž vynikající tepelné vlastnosti a dobře se váže s různými lepidly. Významná součást dnešního výzkumu je zaměřena právě na zlepšení spojení optického vlákna s jeho ochranným obalem. Mezi hlavní problémy v aplikacích se zapuštěnými optickými senzory je pevnost a životnost těchto optických vláken. Jakmile je vlákno zapuštěno do kompozitu, je nemožném ho opravit nebo vyměnit. Proto nabývá otázka délky života optického vlákna v použité konstrukci velké důležitosti. Aby bylo dosáhnuto uvažované životnosti je nutné chránit samotné optické vlákno před vlivy vnějšího prostředí, jako chránit před vlhkostí a mechanickým kontaktem. Jako výrazný akcelerátor poruchových mechanismů v křemíkovém skle se ukázala vlhkost. Věří se, že nese velkou odpovědnost za stárnutí optických vláken i když existují důkazy o několikaleté funkčnosti nekrytých optických vláken při zatěžování kompozitů v leteckých aplikacích. Deformační selhání nekrytého vlákna je často menší než 1%. Nicméně pevnost a proces stárnutí optického vlákna je těžce postižen metodou výroby Braggovy mřížky. Aby bylo možné získat přístup k samotnému vláknu a vytvořit v něm Braggovu mřížku Obr. 21, musí dojít k odstranění krycí vrstvy. Většina mřížek je vyrobena mechanickým nebo chemickým stažením krycí vrstvy. Vlákna, která jsou svlékána mechanickým způsobem, projevují
17
následně velmi malou pevnost, z tohoto důvodu se upřednostňuje chemické svlékání obvykle pomocí horké kyseliny sírové. V současné době se však preferuje přímé vytvoření Braggovy mřížky již v průběhu výroby vlákna tavením nebo rytím skrze speciální krycí obal. Vlákno je totiž vystaveno minimálním mechanickým vlivům a jeho pevnost je ovlivněna minimálně nebo vůbec.
Obr. 21 Průřez optickým vláknem s Braggovou mřížkou
3.2
Výroba FBG
Jeden z velmi šetrných postupů pro zachování pevnosti je tzv. Studené psaní „Cold-writing“. Tento proces nepotřebuje obnažené optické vlákno pro účel zapsání FBG. To umožňuje vláknu ponechat si pevnost psaním nedotčeného vlákna a významně tím snižuje možnost poškození vlivem lomu. Při výrobě se využívá blízko-UV laseru pro zápis mřížky do vlákna, Obr.22. Jedna z výhod spočívá v tom, že mřížka může být exponována přímo skrz plastový obal, protože standardně užívané obaly jsou pro tyto vlnové délky průhledné. Není tedy nutné vlákno svlékat či přebalovat. Většina firem vyrábí mřížky ve vláknech pomocí UV laseru, který je nastaven střed UV vlnových délek, tedy 240 nm a 193 nm. Pro možnost psaní mřížek na těchto vlnových délkách
18
musí být vlákno obnaženo od plastového ochranného obalu, jinak by obal absorboval UV záření, zahřál se a následně vzplanul. Obnažené vlákno ztrácí okolo 80% své tahové pevnosti a proto je nutné dbát zvýšené opatrnosti při jejich výrobě, manipulaci a skladování. V roce 1995 byla objeveno, že je možné změnit index lomu vlákna vystavením světlu s relativně velkou vlnovou délkou, okolo 330 nm. Tato vlnová délka je často uváděna jako blízko-UV záření, protože se nachází blízko viditelné části spektra světla. Výsledek byl neočekávaný, protože sklo obohacené germaniem v jádru vlákna absorbuje špatně blízko-UV záření. (Absorpce středu-UV záření je téměř 1000 větší než absorpce blízko-UV záření u germaniem dotovaného skla.)
Obr .22 Výroba Braggovy mřížky pomocí krátkovlnných laserových paprsků. Senzory založené na Braggově mřížce se dostávají do popředí zájmu převážně v posledních letech. Je to důsledek relativně jednoduché výroby a jejich schopnosti multiplexovat. Pokud je germániem dotované křemíkové jádro vlákna vystaveno ultrafialovému záření, dojde k permanentní změně indexu lomu v oblasti dotované germániem. Fotosenzitivitu je možné často zvýšit zcitlivěním u germániem dotovaných vláken vodíkem, který se projeví větší odrazivostí mřížky. Pro běžně dostupné výrobní techniky bylo dokázáno, že degradace optických vláken je malá pro teploty 300 °C a nižší.
19
3.3
Deformační vláknové optické senzory
Pro lokalizování deformací a snímání teploty jsou nejčastěji používány dva typy snímačů, které pracují na rozdílných principech. Jedná se o vnitrovláknové Braggovy mřížky a interferometrické Fabry-Perót snímače. Jejich multiplexní přenos a všestrannost vede k využití jejich vlastností pro mnohé aplikace. Senzory s Braggovou mřížkou uvnitř vlákna jsou založeny na principu odrazu centrální vlnové délky světla Braggovou mřížkou, Obr. 23. Je použita rovnoměrně rozložená mřížka, jejíž délka se shoduje s délkou senzoru. Obvykle je délka senzoru jen pár milimetrů kvůli dosažení větší schopnosti odrazu. Pokud je senzor vystaven teplotnímu či deformačnímu působení projeví se to v posunu rozloženého spektra.
Obr. 23 Princip optického senzoru s Braggovou mřížkou Interferometrické Fabry-Pérot senzory, Obr.24, se používají v mnoha konfiguracích i když se ve využití se spíše preferují vnější Fabry-Pérot interferometry (EFPI) a interferometrické senzory s Braggovými mřížkami. Společným znakem pro tyto senzory je jejich složení ze dvou odrážecích zrcadel, které vytváří Fabry-Pérot dutinu. Princip interferometrických
20
senzorů je založen na skládání dvou odrazů a následné změny intenzity v detektoru, kde měnící se funkce sinus představuje vzdálenost těchto dvou zrcadel. Délka je přímo ovlivněna deformací a teplotou. Zrcadla mohou být realizována povlakem odrazivého materiálu uvnitř vlákna, přímým rozštěpením konců vláken nebo vytvořením semireflektivních Braggových mřížek uvnitř optického vlákna.
Obr. 24 Průřez Fabry-Pérotovým senzorem Dutina v EFPI senzorech přímo způsobuje mechanické oslabení. Tyto senzory mají tu nevýhodu, že se zde projevuje koncentrace napětí vlivem velikosti nespojitosti mezi vedoucím vláknem vodicí trubicí či částečným odrazovým spojem. Tyto geometrické vlastnosti způsobují statické deformační selhání okolo 1% a méně. Senzory s Braggovými mřížkami mají tedy daleko větší pevnost a jsou více podobné samotným optickým vláknům.
3.4
Braggova mřížka, demodulace a multiplexní přenos
Multiplexní přenos je metoda, která umožňuje využití stejného zdroje světla pro dva a více senzorů, detektor a signální procesor. Multiplexní přenos je nutný k redukci počtu vedených vláken a konektorů. Existuje celá řada návrhů multiplexních přenosů pro optická vlákna. Teorie uvádí mnoho způsobů jak dosáhnout multiplexingu v oblastech času, vlnové délky, prostoru, fáze nebo frekvence. Mezi dvě nejdůležitější multiplexingové techniky se řadí metody, které využívají času a vlnové délky. Koncept využití v oblasti multiplexingu vlnové délky, Obr. 25, je založen na změně vlnových délek senzorů Braggových buněk při změně teplotního nebo deformačního působení. Každý 21
mřížka senzoru je vytvořena se svou specifickou Braggovou vlnovou délkou, která je jedinečná a umožňuje bezpečnou identifikaci každého senzoru. Rozdíly ve vlnové délce mezi senzory jsou spojeny se šířkou spektra světelného zdroje a deformačním rozsahem. To limituje počet senzorů, které mohou být připojeny k jednomu vláknu. Běžně se uvádí, že maximální počet senzorů na jeden optický zdroj světla je menší než deset. Přesto existují techniky, jak zvýšit počet senzorů, ale tyto techniky jsou složité a zpravidla se jedná o řešení, které vyhovuje pouze jednomu specifickému problému.
Obr. 25 Schéma systému pracujícím s multiplexingem vlnové délky Pro interferometrické senzory je oblast časového multiplexingu standardní mulitplexingovou technikou, Obr. 26. Princip je založen na adresování každého senzoru ve vlákně různým zpožděním od zdroje a detektoru. Pro takový systém každý generovaný světelný impuls vytváří dvakrát více pulsů představujících dva odražené pulsy od každého senzoru. Počet senzorů na jednom vlákně je pak ovlivněn kvůli tomu, že každý senzor odráží část výsledného světla v redukované světelné intenzitě při sériovém zapojení senzorů.
22
Obr. 26 Schéma systému pracujícím s časovým multiplexingem
3.5
Měření teploty a deformací
Jakmile je optické vlákno zapuštěno, stává se interpretace odezvy senzoru více komplexní a to díky vztahu mezi senzorem a materiálem, který ho obklopuje. Deformační stav v jádře senzoru nemusí být nutně stejný se stavem okolního materiálu. Bylo provedeno několik studií zabývajících se tímto problémem, protože dřívější výzkumy rozdílu mezi zapuštěnými a volnými senzory doposud nepodaly dostatečnou odpověď. S osvětlením ze širokopásmého světelného zdroje se odrazí podél vlákna jen úzká vlnová délka, která představuje Braggovu vlnovou délku λb , tedy délku s maximálním odrazem. Světlo odražené ze senzoru je nezávislé na intenzitě kolísání světla. Braggova vlnová délka je závislá jenom na periodě mřížky Λ a indexu lomu vlákna ne
λb = 2ne Λ
(1)
Periodu mřížky je možné změnit složkami mechanické deformace nebo teplotou. Z toho důvodu je Braggova vlnová délka citlivá především na tyto parametry. Deformace a teplota jsou při posunu Braggovy vlnové délky lineárně proporcionální, Δλ
⎞ ⎛ 1 n2 ⎛ ⎞ = ⎜⎜ ε 11 − ⎜ P12 ε 11 + (P11 + P12 )(ε 22 + ε 33 )⎟ + ξΔT ⎟⎟ . 2 ⎝ 2 λb ⎝ ⎠ ⎠
(2)
23
Členy ε 11 , ε 22 , ε 33 představují deformaci, ΔT rozdíl teplot a ξ termo-optickou konstantu. P11 a P12 značí foto-elastické konstanty, někdy uváděné jako Pockelovy konstanty. Celá rovnice je založena na předpokladu, že defomace je přibližně konstantní po celé délce měřidla a senzor se nachází v nedvojlomém vlákně. Tato rovnice může být rozšířena o nehomogenní podmínky jako mřížka s nehomogenní periodou či velké napěťové gradienty. Podobně Fabry-Pérot interferometrické senzory poskytují interfenci mezi oběma odraženými signály a projeví stejný vztah mezi fázovým posunem, změnou od teploty a deformace jako v předcházejícím vztahu ⎛ n2 Δφ = L ⋅ k ⋅ n⎜⎜ ε 11 − 2 ⎝
⎞ 1 ⎛ ⎞ ⎜ P12 ε 11 + (P11 + P12 )(ε 22 + ε 33 )⎟ + ξΔT ⎟⎟ . 2 ⎝ ⎠ ⎠
(3)
L udává délku a konstanta k představuje volnou vzdálenost. Pro vnější Fabry-Pérot senzory lze rovnici (3) zjednodušit za předpokladu, že senzor má dutinu tvořenou vzduchem místo skleněného vlnovodu.. Tímto zjednodušením příčná citlivost mizí a termo-optická konstanta ξ se mění na termální expanzní konstantu ξ a
⎞ ⎛ n2 P12 ε 11 + ξ a ΔT ⎟⎟ Δφ = L ⋅ k ⋅ n⎜⎜ ε 11 − 2 ⎠ ⎝
(4)
Velkou nevýhodou senzorů založených na Braggových mřížkách je vlastnost, že senzory jsou daleko více citlivé na teplotu, díky jejich celoskleněné konstrukci než senzory s dutinou tvořenou vzduchem. Dále pak u EFPI senzorů je příčná citlivost zanedbatelná, kdežto u senzorů s Braggovými mřížkami má významný vliv na výstup senzoru. Přesto snadná výroba a multiplexnost Braggových mřížek dělá EFPI senzory zastaralé.
3.6
Teplotní diskriminace
Mezi výzvy při měření deformací patří vždy rozdělení deformací od teplotního a mechanického působení. S jednou měřenou Braggovou vlnovou délkou není možné rozlišit
24
změny od teploty a deformace. Proto se provádí vždy dvě měření za účelem separovat deformaci od teploty a mechanického namáhání. Pro správné určení je důležitá poloha senzoru. Tepelné kompenzace při měření deformací lze dosáhnout různým detekčním schématem. Separace mechanických deformací od teplotních deformací
byla úspěšně
vyzkoušena za použití optických senzorů s rozdílným dotováním jádra, což se projeví ve změně termo-optické konstanty. Další možností je použití senzorů s různou termální citlivostí. Pak se dá změna vrcholů Braggovy vlnové délky vyjádřit vztahem, Δλ (ε , T ) = K ε Δε + K T ΔT
(5)
za předpokladu, že posun vlnové délky od deformační nebo teplotní odezvy je nezávislý. Jestliže je tento předpoklad správný, můžeme vyřešit následný systém rovnic, kde 1 a 2 bereme za vlnové délky, ⎛ Δλ1 ⎞ ⎡ K ε 1 ⎟⎟ = ⎢ ⎜⎜ ⎝ Δλ 2 ⎠ ⎣ K ε 2
K T 1 ⎤⎛ Δε ⎞ ⎜ ⎟ K T 2 ⎥⎦⎜⎝ ΔT ⎟⎠
(6)
současným měřením odezvy Braggových mřížek za podmínek posunu vlnových délek pro dvě vlnové délky. Jak jsou foto-elastické a termo-optické koeficienty závislé na vlnové délce, pak změny vlnových délek každé ze dvou mřížek budou rozdílné ačkoliv každá mřížka vykazuje stejnou úroveň deformace. Tato technika může být rozšířena pro interferometrické senzory záměnou posuvu vlnové dálky za fázi v rovnici 5.
Obr. 26 Průřez samokompenzujícím Fabry-Pérotovým senzorem
25
Obr. 27 Průřez samokompenzujícím Fabry-Pérotovým senzorem, kde kovové vlákno vyvažuje teplotní expanzi materiálu konstrukce Další metody používané na rozlišení deformace od teploty a mechanické namáhání jsou založeny např. na dvoufázovém měření vlnových délek odezvy při dvou vlnových délkách, dlouhé periodě mřížky, dvou různých optických způsobů nebo senzoru neměřícího deformaci (referenčního senzoru). Tyto metody pracují na stejném principu jako výše zmíněné metody a jsou tedy založeny na měření deformací a teploty odděleně pomocí dvouparametrového schématu. Citlivost dvou Braggových vlnových délek je různá s deformací a
teplotou,
následně může být určena současně probíhajícím měřením. Omezení těchto technik spočívá v tom, že ukazují určitý stupeň nelineární teplotní citlivosti a jsou omezeny deformačním rozlišením. Např. rozlišení v řádu 20 microstrainů, teplotní rozlišení více než 1°C může způsobit rozsah deformace až 800 microstrainů. Několik dalších postupů bylo založeno na dvou vláknech zapuštěných prostorově blízko sebe tak, aby senzory byly vystavené stejným podmínkám. Existuje zde však minimální vzdálenost mezi vlákny z důvodu interakce, ta vytváří deformační pole okolo senzorů a ovlivňuje tímto měření. Z provedených experimentů bylo dokázáno, že vzdálenost větší než 0,3 mm je dostatečná k zamezení interakcí mezi vlákny. Alternativní cesta se nachází ve využití duálních
26
jader v jednom vláknu, ale tento koncept projevu značné problémy při propojování senzorů s optickým systémem.
4.
Kompozity se zabudovanými senzory
4.1
Účinky mikrostruktury
Základním kamenem při pochopení změn v mikrostruktuře kompozitu je uvědomit si souvislosti mezi ním a v něm zapušteným senzorem. Mění se geometrie v lokálním měřítku, zapuštené optické vlákno posiluje uhlíkové vlákna a zároveň vytváří kapsu okolo sebe. Vliv geometrie byl studován a kvantifikován pro mnoho případů. Obvykle se doporučuje, aby byly senzory zapuštěny paralelně k okolním karbonovým vláknům, z důvodu porušení posilování od optického vlákna a kvůli zabránění tvorbě kapes, Obr. 27.
Obr. 28 Optické vlákno a vzniklá kapsa v kompozitu s vrstami +45° a -45°
4.2
Strukturální integrita
Zapuštěné senzory optických vláken a jejich spojení optickými vlákny nemůže ovlivnit strukturální integritu hostitelského materiálu. Snížení zatěžovací schopnosti konstrukce není 27
ve většině případech akceptovatelné. Především u kompozitů se snažíme zvýši dovolené zatěžovací hodnoty. Jak bylo zmíněno, zapuštěné optické senzory mohou narušit mikrostrukturu kompozitu. Kromě změny v termo-elastických vlastností mohou způsobit koncentrace napětí. Z pohledu strukturální integrity stejně tak jako z pohledu schopnosti životnosti je nejoptimálnější poloha optického vlákna v kompozitu mezi dvěma vrstvami s posilujícími vlákny podél optických vláken. V této pozici je optické vlákno nejlépe chráněno, posilující vlákna nesou osové zatížení a v případě ohrožení bude prasklina růst podél optického vlákna nikoliv přes něj. Studie také ukázaly, že vliv zapuštěných vláken na pevnost a únavový život v kompozitních laminátech je v přítomnosti malých optických vláken (125 μm ) velmi malý, pokud jsou optická vlákna ve směru okolních kolineárních vrstev. Při statickém tahu či tlaku se neprojevil žádný nepříznivý vliv optických vláken, protože optická vlákna neinicializují nebo nepřímo nezpůsobují vlákny převažující selhání v kompozitu. V případě optické smyčky, kde vlákna mění směr a lokálně značně narušují mikrostrukturu, nebyla nalezena předčasná selhání v důsledku optických vláken.
4.3
Výkon senzorů
Výkon senzorů je vynikající a spolehlivý po celý život konstrukce. Ačkoliv opravy nebo nahrazení zapuštěných senzorů nejsou možné, funkční spolehlivost zapuštěných senzorů je jedna z nejdůležitějších podmínek pro úspěšné použití. To je spojeno s přerušováním měřených hodnot a nárůstem ceny při instalaci nových senzorů na povrch součásti. Senzory a převodníky indukují v kompozicové struktuře lokální koncentrace napětí, když je kompozit vystaven lokálnímu namáhání a lokálním změnám jako teplota nebo vlhkost. To je vliv lokální geometrie a rozdílu mezi tuhostmi kompozitu vláknového optického senzoru. Celkový přenos napětí skrz rozhraní mezi zapuštěným senzorem kompozitem způsobuje velké lokální napětí v kompozitu a významné změny v odezvě zapuštěného senzoru. Tyto koncentrace napětí způsobují náchylnost rozhraní k delaminaci. Jestliže se objeví delaminace v rozhraní, pak to může vést k nepřijatelnému přerozdělení napětí v senzoru a následné neuvažované změně výstupu senzoru.
28
Výkony senzorů byly studovány experimentálně i numericky. První numerické vyšetření uvažovalo přenos napětí do optického vlákna v různých konfiguracích laminátů, pro paralelně zapuštěné optické vlákna a mimo osy uložené k posíleným uhlíkový vláknům. Studie ukázaly, že kapsy vytvořené pro optické vlákna způsobují napěťové koncentrace, ty jsou významně větší u mimo os uložených vláken než koncentrace objevující se při vláknech zapuštěných paralelně s posílením. Uvažujeme-li vliv nárazů či úderů, pak tyto mechanické vlivy nemusí vždy vyvolat poškození kompozitu, ale mohou způsobit odpoutání senzoru od kompozitu nebo poškození senzoru. Stejně jako u senzorů s Braggovými mřížkami se u EFPI senzorů doporučuje jejich uložení v blízkosti střednice kompozitu. Ačkoliv výsledky ukázaly, že nárazy nemohou ovlivnit počáteční vlastnosti senzoru, náhodné únavové zatížení může způsobit předčasnou degradaci vlastností senzoru. To se může stát jestliže je příliš slabá meziplošná síla mezi skleněným vláknem a obalem. Dalším zajímavým zjištěním z numerických výpočtů byl poznatek, že počet 0° vrstev ve kterých je senzor zapuštěn nevede k významné změně napěťového pole okolo senzoru. Objevují-li se změny v odezvě signálu z Braggových mřížek a v meziplošném napětí, pak je to důsledek tloušťky obalové vrstvy. Experimentální odhad omezení vlastností senzorů
a jejich spojení s poškozujícím
mechanismem bylo testováno pro EFPI senzory. Fázově-deformační odezva byla určena během statického a únavového měření. Deformační citlivost tapuštěných senzorů byla lineární do 0,20% deformace při statickém tahu a únavovém zatěžování. Při tlakovém zatěžování se chovaly senzory spolehlivěji. Podobné experimenty byly prováděny také pro senzory s Braggovými mřížkami. Hlavně spolehlivost během zatěžování byla významně zvýšena u senzorů s Braggovými mřížkami oproti EFPI senzorům. Pravděpodobně se jedná o důsledek lepší geometrie senzorů a vylepšenou obalovou technologii. Poškození vedoucí k přerozdělení napětí v oblasti působnosti senzoru má vliv na výstup se zapuštěného senzoru. Další výkzum byl zaměřen na vliv prostředí lomu v kompozitu pro výstup ze senzoru. Bylo zjištěno, že odezva senzorů není významně ovlivněna přítomností poškození v kompozitu, protože přerozdělení napětí jako vliv prostředí lomu v kompozitu je malé na deformaci v jádru vlákna. Vlivy mezistěnného poškození byly numericky ohodnoceny a srovnány se senzory s nepoškozeným vstupem. Výsledky ukazují, že rozpojení může mít významný vliv, 29
konkrétně pro kombinaci teplotních a mechanických zatížení. Je tedy důležité zaručit silné svázání senzoru a kompozitu. Budeme-li se zabývat vylepšenou technologií obalu, můžeme říct, akrylátové obaly vláken jsou podobné obalům běžně používaných v oblasti telekomunikací. Tyto obaly se ukázaly jako nevhodné, protože u zapuštěných senzorů se výrazně redukuje teplotní stability dosáhneli teplota 100°C a více. Proto se spíše preferují obaly na bázi polyamidu, ačkoliv se ukázalo, že dochází k selhání rozhraní mezi křemíkovým vláknem a polyamidem v případě vysokých deformací.
4.4
Deformační limity EFPI a FBG senzorů
Bylo zjištěno, že při statickém zatěžování je funkční deformační limit pro EFPI senzory kolem 0,2%, funkční limit pro senzory se zapuštěnými Braggovými mřížkami se pohybuje v rozmezí (0,4-0,5%) pro iniciaci lomového prostředí v laminátu s kříženými vrstvami. Při tlakovém zatěžování byla funkce EFPI senzorů nepoškozená až do velikosti deformace čtyřikrát převyšující deformaci v tahu. Při konstantní amplitudě únavového zatěžování byl funkční deformační limit pro EFPI senzor podobný se statickým tahovým zatěžováním, např. 0,20% v 105 cyklu. Jako oblast, kde dochází k selhání u EFPI senzoru, byl definován přechod mezi křemíkovým sklem a polyamidovým obalem. Hloubka umístění senzoru v kompozitu má významný vliv na kontaktní zatěžování, při kterém se zhorší funkce senzoru. Nejlepší poloha umístění je uprostřed kompozitu. Když je senzor umístěn blíže k povrchu kompozitu, je jeho funkce více ohrožena nárazem. Bylo dokázáno, že zhoršení stavu senzoru je důsledkem vlivu porušení vazby. Analýza I experiment ukázaly, že porušení vazby je nejhorší způsob porušení funkce senzoru, ačkoliv je velmi těžké určit hladinu zatěžování vedou k poškození. Pokud je senzor s Braggovými mřížkami zabudován v kompozitu složeném z vrstev, pak bylo dokázáno, že čím blíž se senzor nachází k okrajům kompozitu, tím menší je energie nárazu, vedoucí k jeho poškození.
30
5.
Seznam použité literatury:
[1]
Blue Road Research, Overview of Fiber Optic Sensors, www.blueroadresearch.com.
[2]
Insensys, Insensys Knowledge Center, www.insensys.com.
[3]
FISO, FISO Knowledge Center, www.fiso.com.
[4]
Klas Levin, Durability of Embedded Fiber Optic Sensors in Composites, Doctoral Thesis, 2001-8.
[5]
Bosia, F., Botsisa, J., Facchinia, M., Giaccarib, P., Deformation characteristics of
composite laminates-part I: speckle interferometry and embedded Bragg grating sensor measurements, Composites Science and Technology, 2002, 41-54. [6]
Bosia, F., Gmür, T., Botsis, J., Deformation characteristics of composite laminates-
part II: an experimental/numerical study on equivalent single-layer theories, Composites Science and Technology 62, 2002, 55–66. [7]
Tao, X., Tang, L., Du, W., Choy, Ch., Internal strain measurement by fiber Bragg
grating sensors in textile composites, Composites Science Technology, 2000, 657-669. [8]
Ferraro, P., De Natale, G., On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strain
sensors for geodynamical monitoring, Optics and Laser Engineering, 2002, 115-130.
31
