Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

Laboratorium
techniki
światłowodowej
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy
sensor przesunięcia
Katedra Optoelektroniki
i Systemów
Elektronicznych, WETI,
Politechnika Gdaoska
Gdańsk 2006
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia
1. Wprowadzenie
W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny wzrost zastosowań światłowodów. Głównym
obszarem ich wykorzystania jest telekomunikacja, jednak istotne jest również ich stosowanie
w technice kontrolno-pomiarowej, przede wszystkim w charakterze czujników różnych wielkości
fizycznych i chemicznych. Decydującą rolę odgrywają tu szczególne własności włókien optycznych,
jak:
niewrażliwość na oddziaływania zewnętrznych pól elektromagnetycznych,
możliwość pracy w obecności urządzeń pod napięciem,
odporność na działanie czynników chemicznie agresywnych.
Własności te wynikają w znacznym stopniu z własności materiałów, z których wykonane są
światłowody. Pod względem elektrycznym są bardzo dobrymi dielektrykami, natomiast pod względem
magnetycznym należą do materiałów nieferromagnetycznych. Z kolei czujniki światłowodowe w
ogólności charakteryzują się ponadto wysoką czułością i względnie prostą konstrukcją. Umożliwiają
niekiedy pomiary bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do realizacji innymi metodami.
Tematem niniejszego ćwiczenia jest światłowodowy czujnik odbiciowy przeznaczony do
pomiaru przesunięcia. Czujniki tego typu są coraz częściej stosowane w systemach pomiarowokontrolnych i w robotyce. Stanowią podstawę do konstruowania czujników innych wielkości
fizycznych, których pomiar sprowadza się do pomiaru przesunięcia, na przykład czujników siły,
ciśnienia i przyśpieszenia. Znajomość charakterystyki tego typów czujników jest również istotna przy
konstruowaniu innych typów sensorów optycznych, zwłaszcza czujników wielkości chemicznych
(pCO, pC02, pH) wykorzystujących zmianę natężenia wiązki odbitej.
2. Zasada działania światłowodowego, odbiciowego czujnika przesunięcia
Zasadę działania czujnika ilustruje rysunek 1.
Rysunek 1. Zasada działania odbiciowego czujnika przesunięcia.
Sensor składa się z dwóch ramion (światłowodów). Jednym z nich jest transmitowana wiązka światła
od nadajnika do powierzchni odbijającej, natomiast drugie ramię transmituje wiązkę światła do układu
detekcji. Natężenie światła docierającego do detektora zależy w istotny sposób od odległości D
powierzchni odbijającej od czoła światłowodów. Typowy kształt odpowiedzi czujnika pokazano na
rysunku 2.
Laboratorium techniki światłowodowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 2
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia
Rysunek 2. Kształt typowej charakterystyki czujnika odbiciowego.
Powyższa charakterystyka ta składa się z dwóch odcinków: pierwszy, gdzie natężenie rośnie
w przybliżeniu proporcjonalnie do odległości czujnika od powierzchni odbijającej, następnie po
osiągnięciu maksimum charakterystyka jest funkcją malejącą (w przybliżeniu jest proporcjonalna do
D-2). Jakościowo kształt tej krzywej można uzasadnić w oparciu o geometryczny model rozchodzenia
się promieniowania. Obrazem plamki świetlnej wytworzonej przez światłowód nadawczy na
płaszczyźnie odbijającej jest okrąg o średnicy R:
(1)
R 2D tan
gdzie: θ – tzw. kąt akceptacji włókna (rysunek 3a).
Wartość kąta θ można natomiast wyznaczyć z zależności:
NA
arcsin
(2)
n0
gdzie: n0 – współczynnik załamania ośrodka, w którym rozchodzi się promieniowanie (zazwyczaj
powietrze), NA – apertura numeryczna włókna.
Rysunek 3. Geometria wiązki padającej i odbitej: a) uklad rzeczywisty, b) uklad transformowany.
Laboratorium techniki światłowodowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 3
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia
W wypadku włókien o skokowym profilu współczynniku załamania:
NA
n12 n22
gdzie: n1 – współczynnik załamania rdzenia, n2 – współczynnik załamania płaszcza.
(3)
Ponieważ kąt odbicia promieni jest równy kątowi padania, więc wiązka odbita tworzy
w płaszczyźnie czołowej włókien okrąg o średnicy 2R. Można to łatwo zrozumieć transformując układ
rzeczywisty z rys.3a do układu liniowego pokazanego na rys.3b. Maksimum natężenia wiązki odbitej
uzyskamy w sytuacji, gdy światłowód odbiorczy (rys. 3b) będzie położony najbliżej światłowodu
nadawczego ale tak, aby cała jego powierzchnia czołowa była oświetlona. Dla sąsiadujących ze sobą
światłowodów (np. para 1-2) odpowiada to warunkowi:
r
(4)
tan
D
gdzie: r – promień rdzenia światłowodu.
Przy dalszym zwiększaniu odległości włókien od powierzchni odbijającej, gdy cała
powierzchnia czołowa światłowodu odbiorczego jest oświetlona, natężenie wiązki dochodzącej do
tego włókna maleje proporcjonalna do D-2
W przedstawiony sposób można jedynie jakościowo uzasadnić kształt charakterystyki sensora.
Pełna analiza powinna uwzględniać fakt, że zazwyczaj rdzenie włókien są rozsunięte na pewną
odległość x oraz że wiązka wychodząca nie jest wiązką o jednorodnym natężeniu. Zazwyczaj jej
kształt zbliżony jest do funkcji Gaussa (rys.4). Stosunkowo dokładną analizę pracy takiego sensora
opisano w literaturze [4, 5].
Rysunek 4. Kątowy rozkład natężenia rzeczywistej wiązki padającej i odbitej od powierzchni
odbijającej.
Należy również dodać, że praktycznie stosuje się różne konfiguracje takich czujników, gdzie
zamiast dwóch włókien o większych średnicach wykorzystuje się zazwyczaj wiązki światłowodów.
Uzyskujemy w ten sposób możliwość pewnego kształtowania charakterystyki sensora. Ilustruje to
rysunek 5.
Laboratorium techniki światłowodowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 4
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia
Rysunek 5. Przykładowe konfiguracje sensorów odbiciowych: a) porównanie charakterystyk
sensorów, b) typowe konfiguracje sondy.
Zwiększenie czułości sensora odbiciowego uzyskać można w tak zwanym czujniku
różnicowym, składającym się z dwóch sond pomiarowych rozsuniętych na taką odległość, że jedna
z nich pracuje na wznoszącej się części charakterystyki, a druga na części opadającej (rys.6).
Wyjściowy sygnał różnicowy z takiego czujnika charakteryzuje się nie tylko większą czułością, ale
umożliwia jednoznaczne określenie, czy czujnik zbliża się czy oddala od powierzchni odbijającej –
jego charakterystyka jest funkcją ściśle monotoniczną.
Warto również zauważyć, że ponieważ informacja o mierzonej wielkości (przesunięciu)
zawarta jest w natężeniu wiązki, więc nadajnik musi generować sygnał o stałej amplitudzie. W tym
celu musi być odpowiednio dobrze stabilizowany. Oczywiście na natężenie odbitego sygnału istotny
wpływ ma rodzaj powierzchni odbijającej, jej gładkość i to, czy ustawiona jest dokładnie prostopadle
do osi czujnika. Zazwyczaj powierzchnia odbijająca nie jest powierzchnią idealnie gładką i wykazuje
mniejszą lub większą chropowatość. Światło odbite zawiera więc składową wynikającą z tak zwanego
odbicia dyfuzyjnego. Wpływ nieidealnego odbicia przejawia się w zmniejszeniu natężeniu sygnału,
jednak jakościowo kształt charakterystyki sensora nie ulega zmianie.
Rysunek 6. Konstrukcja czujnika różnicowego.
Laboratorium techniki światłowodowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 5
Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia
3. Zadania pomiarowe
1. Zapoznać się z zasadą działania sensora i układem pomiarowym.
2. Wybrać 3 spośród dostępnych układów sensorów (światłowód numer 1 i 2, światłowód numer 1 i 3
oraz światłowód numer 1 i 4) i trzy spośród dostępnych powierzchni odbijających.
3. Pomierzyć charakterystyki dla wszystkich układów sensorów dla każdej powierzchni odbijającej
w następujący sposób:
po założeniu sensora ustawić odległość, przy której odbierany sygnał jest największy,
ustawić optymalną moc nadajnika, obserwując wskazania woltomierza (z uwagi, że układ
odbiorczy odbiornika wchodzi w stan nasycenia przy napięciu wyjściowym około 4V, napięcie
maksymalne nie powinno przekraczać 3,5V),
przeprowadzić pomiar charakterystyki od odległości D=0 do odległości, przy której nastąpi
około 10-krotny spadek mocy względem mocy maksymalnej.
Uwaga! Przy pomiarach ustawiać odległość D=0 wyjątkowo ostrożnie, aby nie złamać światłowodów
przy zbytnim przesunięciu do powierzchni odbijającej.
4. Opracowanie
1. Przedstawić na wspólnym wykresie pomierzone charakterystyki.
2. Dla wybranych sensorów obliczyć odległości, dla których powinno wystąpić maksimum odbieranej
mocy (jeżeli nie podano inaczej, przyjąć w obliczeniach średnicę światłowodu d = 0,5 mm, n1=1,51
oraz NA = 0,47). Porównać wyliczone wartości z pomierzonymi.
3. Przedstawić wnioski.
5. Literatura
1. Smoliński: „Optoelektronika światłowodowa”. WKiŁ, Warszawa 1985
2. M. Szustakowski: „Elementy techniki światłowodowej”. WNT, Warszawa 1992
3. J. E. Midwinter: „Światłowody telekomunikacyjne”. WNT, Warszawa 1983
4. J. Siudak: „Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej”, WKŁ, Warszawa 1997
Laboratorium techniki światłowodowej
Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Strona | 6