1
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 1
Senzori cu fibre optice – moduri de operare
Mecanisme de modulaţie optica:
Intensitate optica:
Modulaţie externa
Fibre multimod
Ieftin
Sensibilitate buna
Faza
Modulaţie interna
Fibre monomod
Polarizare
Modulaţie interna
Fibre monomod
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 2
NA – apertura numerica:
Unghiul critic:
Unghiul maxim de transmitere:
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Transmiterea fasciculelor optice prin fibra optica
2 2
miez mantaNA n n
arcsinc NA
2c c
2
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 3
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Principiu: transmiterea fasciculelor optice intre 2 fibre;
Con de radiaţie:
Secţiunea transversala depinde de distanta dintre fibre;
Fracţiunea din fasciculul optic preluata de a doua fibra este o funcţie de distanta
Aplicaţie: măsurarea distantelor
Transmiterea fasciculului optic intre 2 fibre optice
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 4
Senzori cu fibre optice - modulaţia intensităţii optice
Reflexia fasciculului optic pe o singura fibra optica
Sistem de reflexie a fasciculului optic pe doua fibre optice
3
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 5
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Senzor digital de tip “bariera de lumina”
Senzor analogic cu fibra mobila
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 6
Senzori cu fibra optica cu sensibilitate maxima
Fibre monomod
Surse optice monomod coerente (laseri)
Frecventa sursei optice: 1014 Hz
Fotodetectori: nu se pot utiliza (răspuns in frecventa)
Interferometre optice:
Modulaţie de faza → modulaţie de intensitate
Detecţia semnalelor de măsurare
Interferenta fascicolelor optice
Principiu constructiv:
Generare fascicol optic incident
Divizare in 2 fascicole separate
Expunere a unui fascicol la mărimea de măsurat (modificare lungime, modificare indice de refracţie, …)
Recombinarea fascicolelor optice
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza
4
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 7
Senzori cu fibre optice – modulaţia de faza
Interferenta: efect optic care apare la suprapunerea a 2 sau mai multe fasicole optice: Suprapunere spaţiala si temporala
Coerenta fascicolelor optice
Stări de polarizare ne-ortogonale
Franje de interferenta la suprapunerea a 2 unde eliptice, sub un unghi oarecare
Franje de interferenta la suprapunerea a 2 unde circulare
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 8
Condiţii de interferenta a radiaţiilor coerente:
Consideram 2 unde optice:
Unda rezultanta:
Senzori cu fibre optice – modulaţie de faza
1 1 1
2 2 2
sin
sin
A a t
A a t
2 2
1 2 1 2 1 2
1 1 2 2
1 1 2 2
sin
2 cos
sin sinarctg
cos cos
A a t
a a a a a
a a
a a
5
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 9
Senzori cu fibre optice – modulaţie de faza
Intensitatea rezultanta:
Vizibilitatea franjelor (contrast):
Vizibilitate maxima:
max 1 2
min 1 2
2 , 0,1,...
2 1
I n n
I n
max min
max min
I I
I I
1 2a a
Franje de interferenta
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 10
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza
Sursa optica: laser monomod
Braţe: 2 fibre optice (referinţa, măsurare)
2 divizoare/cuploare ale fasicolului optic
Interferenta apare in al doilea cuplor
Fotodetector: Modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric
Interferometru aliniat → 1 fotodetector
Interferometru nealiniat → 2 fotodetectoare
Principiul unui interferometru Mach-Zender
6
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 11
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza
Sursa optica: laser monomod
Braţe: 2 fibre optice (referinţa, măsurare)
1 divizor/cuplor al fasciculului optic, atât pentru intrare, cit si pentru ieşire
Fotodetector: modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric
Principiul unui interferometru Michelson
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 12
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza
Sursa optica: laser monomod
Braţe: o singura fibra optica (referinţa, măsurare)
Oglinda cu reflexie parţiala: divizarea si recombinarea fasciculului optic
Fotodetector: modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric
Principiul unui interferometru Fabry-Perot
7
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 13
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza
Sursa optica: laser monomod
Braţe: o singura fibra optica (referinţa, măsurare)
1 divizor/cuplor al fasciculului optic, atât pentru intrare, cit si pentru ieşire
Fotodetector: modulaţie optica → modulaţia unui semnal electric
Principiul unui interferometru Sagnac
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 14
Deformaţia specifica a fibrei, ε:
L – lungimea fibrei sensibile
ΔL – alungirea fibrei
Sensibilitatea relativa de măsurare, Sr:
ΔΦ – variaţia fazei optice in fibra sensibila
ε – deformaţia specifica a fibrei
Senzor de tensiune cu fibre optice
Fibra infasurata in jurul unui material piezoceramic
Tensiunea U modifica diametrul tubului (efect piezoelectric invers) → deformarea fibrei optice
Accelerometru: ataşarea unei mase seismice la capătul fibrei
Senzor de tensiune cu fibre optice
L L
0
1lim 0,75r
dS
d
8
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 15
Sensibilitatea relativa la măsurarea tensiunii:
U – tensiunea electrica aplicata pe suport
k – coeficient piezoelectric (tipic ~ 3·10-6 m/V)
g – grosimea peretelui cilindrului
Sensibilitatea relativa la măsurarea acceleraţiei cu masa seismica:
m – masa seismica
a - acceleraţia
S – secţiunea transversala a fibrei
E – modulul lui Young (Si – 7.3·1010 N/m2)
g – acceleraţia gravitaţionala
Senzor de tensiune cu fibre optice
Fibra infasurata in jurul unui material piezoceramic
Tensiunea U modifica diametrul tubului (efect piezoelectric invers) → deformarea fibrei optice
Accelerometru: ataşarea unei mase seismice la capătul fibrei
Senzor de tensiune cu fibre optice
81 14,5 10 [1/V]r
d k dS
dU g d
61 11,3 10 [1/g]r
d m dS
da SE d
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 16
Senzori cu fibre optice - polarizare optica - efecte
Birefringenta prin deformare mecanica Fibra ideala monomod nesolicitata: fiecare stare de polarizare se
propaga cu aceeaşi viteza de faza → acelaşi indice de refracţie
Fibra solicitata mecanic: stările de polarizare se propaga cu viteze diferite → interferente optice in fibra (“batai”)
Fibre optice lungi
Efect Faraday: Fenomen magneto-optic
Rotirea planului de polarizare al unui fascicul optic de către un câmp magnetic
Efect Pockels: Materiale cristaline (nu apare la fibre optice)
Modificarea indicelui de refracţie a doua stări de polarizare de către un câmp electric
9
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 17
Senzori cu fibre optice – polarizare optica
Principiu: senzor de curent bazat pe efect magneto-optic Faraday
Fasciculul luminos este polarizat si transmis prin fibra optica
Fibra optica face una sau mai multe spire in jurul conductorului de putere
Câmpul magnetic (→curentul) roteşte planul de polarizare al fasciculului incident
Transformator de curent cu fibre optice
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 18
Efect Faraday (relaţia lui Verdet):
θ – unghiul de rotaţie al planului de polarizare al fascicolului optic
V – constanta lui Verdet (Si ~ 4,5·10-6 1/A)
H – intensitatea câmpului magnetic aplicat fibrei optice
L – lungimea activa a fibrei optice
Unghiul de rotaţie al planului de polarizare la măsurarea intensităţii unui curent
electric:
N – numărul de spire ale fibrei optice in jurul conductorului
I – intensitatea curentului electric prin conductor
Senzori cu fibre optice – polarizare optica
Avantaje: Absenta saturaţiei feromagnetice
Absenta efectelor magnetice reziduale
Linearitate: ± 1% pina la 100 kA
Răspuns la frecventa înalta;
Eliminarea cuplajelor capacitive dintre conductoare
Dezavantaje: Geometrie optica relativ complicata
Transformator de curent cu fibre optice
V H L
N V I
10
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 19
Unghiul critic, la interfaţa aer-miez:
Apertura numerica:
Unghiul critic:
Unghiul extern de incidenta:
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica
2 2
miez manta 0.384NA n n
arcsin
arcsin(0,384) 22,6
c NA
1 45
1 2 2 1sin sin arcsin sin 28,1aerer miez
miez
nn n
n
Unghiul de incidenta in miez (legea lui Snell):
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 20
Unghiul de reflexie, in miez:
Unghiul de incidenta in teaca:
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica
2 290 90 28,1 68,9
miez3 2
teaca
arcsin sin 65,8n
n
Unghiul de reflexie in teaca (reflexie totala):
3 290 90 65,8 24,2
11
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 21
Unghiul extern de incidenta:
Unghiul de incidenta in miez:
Unghiul de reflexie, in miez:
Senzori cu fibre optice – modulaţia intensităţii optice
Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica (reflexie interna totala)
2 1arcsin sin 13,2aer
miez
n
n
1 20
2 290 90 13,2 85,8
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 22
Senzori de distanta interferometrici
Interferometrie incrementala:
Poziţie de referinţa
Deplasarea unui reflector: poziţie iniţiala → finala
Contor: număr de perioade ale franjelor de interferenta detectate pe
parcursul miscarii
Interferometrie absoluta:
Deformare suprafeţe
Monitorizare roboti
Control al vehiculelor independente
12
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 23
Senzori de distanta interferometrici
Principiu: măsurarea
diferenţei de drum optic
(OPD) intre cele doua braţe
Braţ de referinţa: lungime
constanta
Braţ de măsurare (semnal):
lungime variabila in funcţie
de deplasarea reflectorului
Periodicitate semnal:
funcţia de intensitate →
funcţie COSINUS
depinzând de diferenţa de
drum optic
Principiul unui interferometru pentru măsurarea distantelor:
FD – fotodetector; Lr – lungimea braţului de referinţa;
Lm – lungimea braţului de semnal (măsurare)
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 24
Senzori de distanta interferometrici
OPD – diferenţa de drum optic
λ – lungimea de unda a fasciculului optic
φ – faza semnalului detectat
n – numărul de perioade complete ale semnalului
pentru care interferometrul este echilibrat
2OPD n
Interferometru pentru măsurarea distantelor
Intensitatea semnalului fotodetectorului
Variaţia ΔOPD a diferenţei de drum optic OPD fata de punctul de referinţa:
Erori: Variaţii de intensitate ale fasciculului optic incident
Variaţii ale vizibilităţii franjelor datorita divergentei fasciculului
Alinierea interferometrului pe parcursul deplasării reflectorului
2OPD n
13
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 25
Interferometrie cu dubla lungime de unda
Principiu: 2 măsurări independente ale diferenţei de drum optic a interferometrului (OPD), utilizând 2 fascicule optice cu lungimi de unda diferite, si compararea rezultatelor
Diferenţa de drum optic OPD fata de punctul de referinţa:
Principiul unui interferometru cu dubla lungime de unda
1 21 1 2 2
2 2OPD n n
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 26
Interferometrie cu dubla lungime de unda
Daca φ1=φ2=0:
Δn – diferenţa dintre ordinele franjelor de interferenta ale celor doua lungimi de unda
Interferometru cu dubla lungime de unda
1 1 2 2 2 1OPD n n n n n
Daca sursele laser pot fi reglate, pentru fiecare măsurare se reglează fasciculul emitent astfel incit φ1=φ2=0
14
28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 27
Interferometrie cu dubla lungime de unda
Daca φ1=φ2=0:
λsynt – lungimea de unda echivalenta (sintetica) a interferometrului
Franje de interferenta in funcţie de diferenţa de drum optic OPD intr-un interferometru dual (Δn=1). λ1 si λ2 sunt reglate pentru diferenţa de faza zero in
poziţia ţinta
1 21 1
1 2 1 2
synt
cOPD n n n n