Pobierz streszczenie

Wstęp
Książka ma na celu zapoznanie czytelnika z szerokimi możliwościami zastosowania
światłowodów włóknistych do budowy czujników. Jest ona skierowana do wszystkich, którzy interesują się nowoczesnymi rozwiązaniami w technice pomiarowej
wykorzystującymi promieniowanie optyczne, a w szczególności do młodych naukowców, studentów: elektroniki i telekomunikacji, elektrotechniki i kierunków
pokrewnych oraz inżynierów zainteresowanych omawianymi zagadnieniami.
Opracowanie omawia budowę, właściwości oraz techniki pomiaru nowoczesnymi czujnikami światłowodowymi. Składa się z dwóch części. Rozdział 1 przedstawia światłowodowe głowice pomiarowe z podziałem uwzględniającym modulowany parametr fali optycznej na: amplitudowe, ze zmianą długości fali, interferometryczne i polarymetryczne. W kolejnym rozdziale zostały przedstawione sposoby pomiaru wielopunktowego, rozłożonego i sieci czujników światłowodowych.
Przedstawiona monografia omawia praktyczne zastosowania światłowodów
w czujnikach. Tematem opracowania nie jest natomiast omówienie aspektów technologii światłowodów oraz analiz teoretycznych przedstawianych układów.
Podrozdziały od 1.2.1 do 1.2.7 oraz 1.3.1 i od 2.2.1 do 2.2.6 oraz 2.3.1 prezentują analizę i wyniki uzyskane w wyniku prac własnych prowadzonych przez autora
książki.
Rozwój czujników światłowodowych postępuje za burzliwym rozwojem telekomunikacji optycznej. Należy jednak pamiętać, że nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów są starsze.
Światło od najdawniejszych czasów towarzyszyło człowiekowi. Ponad 80% informacji z otaczającego środowiska ludzie pozyskują za pośrednictwem zmysłu
wzroku. Światło jest więc najczęściej wykorzystywanym medium w poznawaniu
naszego otoczenia. Fale optyczne rozprzestrzeniają się w próżni z prędkością bliską 300 000 km/s (1 080 000 000 km/h), natomiast ich prędkość w innych środowiskach jest niższa i zależy od wartości współczynnika załamania światła. W materiałach używanych w technice światłowodowej (szkła i polimery o wartościach
współczynnika załamania światła od 1,4 do 1,5) przyjmuje wartość około
200 000 km/s.
Informacje o właściwościach obserwowanych przedmiotów (badanego środowiska) mogą być zapisane w zmianie amplitudy, długości fali, jak również
w zmianie fazy i stanu polaryzacji. Pomiary optyczne oraz obserwacje w celu
10
określenia stanu przedmiotów są często wykorzystywane w praktyce. Przykładami
zastosowania wymienionych zjawisk są:
– pomiar barwy, która świadczy o dojrzałości owoców,
– pomiar stanu polaryzacji fali odbitej, który umożliwia analizę właściwości
optycznych i struktury warstwy (stosu warstw) – elipsometria,
– pomiar stanu polaryzacji fali transmitowanej przez ośrodek z przestrzennym rozkładem naprężeń, który niesie informację o rozkładzie naprężeń
w obserwowanym elemencie,
– rejestrowanie natężenia, które niesie informację o strumieniu świetlnym
emitowanym z obserwowanego źródła,
– pomiar zmiany wartości współczynnika załamania światła pozwalający
na określenie zmian stężenia roztworów.
Obecnie często w celu prowadzenia fali optycznej, w tym również na znaczne
odległości (sięgające setek i tysięcy kilometrów), wykorzystywane są światłowody.
Zrewolucjonizowały one sposób życia i pracy współczesnych ludzi, dając możliwość szybkiego przesyłania olbrzymich ilości informacji w globalnej sieci telekomunikacyjnej. Pierwsze eksperymenty i zastosowania techniki światłowodowej
dotyczyły jednak innych obszarów.
W 1621 roku holenderski fizyk Willebrord Snellius sformułował prawo załamania światła, znane dzisiaj jako prawo Snella. W 1841 roku profesor Universytetu w Genewie Daniell Colladon, pokazując „Fontannę Colladona”, zademonstrował po raz pierwszy praktyczny sposób „uwięzienia” i prowadzenia światła
w zamkniętym torze optycznym. W kolejnych latach w Paryżu Jaques Babinet oraz
w Londynie John Tyndall prezentowali podobne eksperymenty z użyciem strumienia wody oraz prętów szklanych. Szybko dostrzeżono praktyczne możliwości
i korzyści, które daje zastosowanie techniki światłowodowej. Już w 1888 roku
pręty szklane prowadzące światło zostały wykorzystane przez dr. Rotha i prof. Reussa
z Wiednia do oświetlenia wnętrza organizmu człowieka w czasie operacji chirurgicznej. W 1930 roku student medycyny Henrich Lam zademonstrował pierwszy
obrazowód. Szczególnie szybki rozwój techniki światłowodowej rozpoczął się
w latach sześćdziesiątychtych XX wieku. Został wtedy opracowany światłowód
jednomodowy (w 1961 roku przez Eliasa Snitzera) oraz sposoby przesyłania promieniowania w we włóknach optycznych (prace Charlesa K. Kao w tym zakresie
zostały w 2009 roku wyróżnione nagrodą Nobla). W 1977 roku powstał w Chicago
(USA) pierwszy komercyjny światłowodowy system komunikacyjny [1, 2]. Burzliwy rozwój techniki światłowodowej, która zdominowała telekomunikację, zagwarantował olbrzymie nakłady na stały rozwój i obniżanie ceny materiałów, elementów i systemów optoelektronicznych. Spowodowało to upowszechnienie technik pomiarowych bazujących na czujnikach światłowodowych. Znajdują one coraz
szersze zastosowanie w związku z wyjątkowymi właściwościami, do których można zaliczyć:
11
–
możliwość wykonywania pomiarów w otoczeniu silnych pól elektrycznych
i magnetycznych,
– brak zagrożenia iskrzeniem, co predysponuje je do zastosowań w środowiskach łatwopalnych i wybuchowych,
– możliwość wykonywania pomiarów w miejscach trudno dostępnych, dzięki małym wymiarom poprzecznym i równocześnie znacznej długości,
– możliwość wykonywania pomiarów wielopunktowych, rozłożonych i budowy sieci czujników w technice światłowodowej,
– światłowody są wykonywane z nieagresywnych chemicznie i biologicznie
materiałów,
– włókna światłowodowe dobrze komponują się w materiałach kompozytowych (łatwo je umieścić w materiałach zbrojonych włóknami).
Dzięki wymienionym cechom czujników światłowodowych znajdują one coraz
szersze zastosowanie. Różnorodne wymagania powodują, iż wykorzystuje się światłowody o różnej budowie, zarówno wielo-, jak i jednomodowe. W zależności
od potrzeb stosowane są włókna szklane, polimerowe, wiązki światłowodowe lub
światłowody planarne. Wybrane rozwiązania wymagają światłowodów o bardziej
złożonej budowie niż wykorzystywane w telekomunikacji (np. świecących powierzchnią boczną, światłowodów dwójłomnych, z wbudowanymi siatkami Bragga …).
Celem książki jest zapoznanie czytelników z możliwościami wykorzystania
światłowodów włóknistych w głowicach pomiarowych czujników. Przedstawia
ona ich właściwości oraz ułatwia wybór takiego rozwiązania, które najlepiej będzie
spełniało pełne rozwiązanie postawionego problemu pomiarowego. Po zapoznaniu
się z treścią książki czytelnik będzie mógł dokonać prawidłowego wyboru odpowiedniej techniki pomiarowej i elementów systemu – rodzaju światłowodu, źródła,
detektorów, konstrukcji głowicy oraz innych składowych.
12