25SMEs2009 ΠΑΡΑΔΟΤΕΑ ΕΝΟΤΗΤΑΣ ΕΡΓΑΣΙΩΝ 5: ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 5.3 Αποτελέσματα Εργαστηριακών Δοκιμών
REVISION HISTORY Revision Description of Changes Author Date Draft #1 First draft revision. PRISMA 3/08/2012 Draft #2 Final draft revision. PRISMA 16/08/2012 Deliverable Final deliverable. PRISMA 10/06/2013 Σελίδα 2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Εισαγωγή... 4 2 Μονάδα Ανάγνωσης (Interrogator)... 5 3 Αισθητήρες... 6 3.1 Αισθητήρας Θερμοκρασίας... 6 3.2 Αισθητήρας Στάθμης Ύδατος... 7 3.3 Γωνιακός Αισθητήρας Δομικής Ακεραιότητας... 10 3.4 Αισθητήρας Επιτάχυνσης... 11 3.5 Αισθητήρας Διέλευσης Οχημάτων... 17 3.6 Αισθητήρας Περιμετρικής Ασφάλειας... 21 4 Προσάρτηση FBG στα στελέχη των αισθητήρων... 24 Σελίδα 3
1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ύστερα από την ολοκλήρωση της θεωρητικής διερεύνησης της δομής των οπτικών αισθητήρων, καθώς και την διαδικασία κατασκευής τους, ακολούθησε η εργαστηριακή δοκιμή τους στο Εργαστήριο Οπτικών Επικοινωνιών του ΕΚΠΑ. Με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών αυτών, έγιναν διάφορες βελτιώσεις / αναπροσαρμογές στους αισθητήρες που οδήγησαν στη συνολική βελτίωση της λειτουργίας και των επιδόσεών τους. Στα επόμενα κεφάλαια θα αναφερθούμε αναλυτικά σε κάθε ένα αισθητήρα, στα χαρακτηριστικά τους, στα προβλήματα που αντιμετωπίσθηκαν κατά την κατασκευή τους, καθώς και στον interrogator του οποίου τα χαρακτηριστικά επιβάλουν ορισμένους περιορισμούς στην συνδεσμολογία των αισθητήρων με το δίκτυο οπτικών ινών. Τέλος θα δούμε στο κεφάλαιο 5.3.8, ότι η χωρική τοποθέτηση των Fiber Bragg Grating στα στελέχη των αισθητήρων παίζει σημαντικό ρόλο στην ευαισθησία και τη γραμμικότητα της απόκρισης των οπτικών αισθητήρων. Σελίδα 4
2 ΜΟΝΑΔΑ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ (INTERROGATOR) Για τις δοκιμές χρησιμοποιήθηκε ο interrogator ενός καναλιού W5 της Smart Fibers (Σχήμα 5.3.1) που δέχεται έως και 125 αισθητήρες συνδεδεμένους σειριακά, με σφάλμα μέτρηση <0.2pm και συχνότητα δειγματοληψίας 100Hz. Οι μέγιστες απώλειες στο κανάλι δεν επιτρέπεται να υπερβαίνουν τα 25dB για το σύνολο της διπλής διαδρομής (από τον interrogator μέχρι τον τελευταίο αισθητήρα και επιστροφή), ώστε να υπάρχει σταθερή εικόνα όλων των συνδεδεμένων σε σειρά αισθητήρων. Οι απώλειες των αισθητήρων λόγω των ενώσεων (splices) καθώς και λόγω πιέσεων που δέχεται η ίνα σε ορισμένους απ' αυτούς για λόγους στεγανότητας, αποδείχτηκε ότι επιτρέπουν την σε σειρά σύνδεση όλων των αισθητήρων που κατασκευάστηκαν. Δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με το σύνολο των αισθητήρων συνδεδεμένους σε σειρά, ώστε να επιβεβαιωθεί η σταθερότητα του συστήματος μετρήσεων αλλά και με κάθε αισθητήρα συνδεδεμένο μόνο του, όταν η βελτιστοποίηση και βαθμονόμηση του αισθητήρα αποτελούσε βασικό ζητούμενο. Φυσικά, σε μια πραγματική εγκατάσταση με επιπλέον οπτική διαδρομή, επιπλέον διασυνδέσεις και συγκολλήσεις, θα εισαχθούν επιπλέον απώλειες. Η αντιμετώπιση ενός τέτοιου ενδεχομένου έχει προβλεφθεί και η αντιμετώπισή του θα γίνει με τη χρήση επιπλέον καναλιών στον interrogator και κατανομή των αισθητήρων σε αυτά τα κανάλια με κατάλληλο καθορισμό του ενεργειακού ισοζυγίου. Οι αποστάσεις μεταξύ Interrogator και αισθητήρων για τις πειραματικές δοκιμές ήταν μερικά μέτρα και τα αποτελέσματα αποθηκεύτηκαν σε δικτυακά συνδεδεμένο με τον interrogator Η/Υ. Σχήμα 1. Οπτικός interrogator που χρησιμοποιήθηκε κατά τις εργαστηριακές δοκιμές Σελίδα 5
3 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 3.1 Αισθητήρας Θερμοκρασίας Η εξάρτηση του μήκους κύματος ανάκλασης ενός FBG από την θερμοκρασία επιβάλει την διόρθωση των τιμών των οπτικών αισθητήρων για κάθε αλλαγή της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος λειτουργίας τους. Αναγκαία λοιπόν είναι η ύπαρξη ενός FBG που θα λειτουργεί ως αισθητήρας θερμοκρασίας, χωρίς να υπόκειται οποιαδήποτε άλλη μεταβολή λόγω τάσης. Σχήμα 2. Αισθητήρας θερμοκρασίας Σελίδα 6
Σχήμα 3. Σχέση μήκους κύματος ανάκλασης του αισθητήρα θερμοκρασίας συναρτήσει της θερμοκρασίας. Οι απώλειες του αισθητήρα λόγω των κολλήσεων (splices) είναι της τάξης των 0.4dB. Η βαθμονόμηση του αισθητήρα πραγματοποιήθηκε με χρήση ψηφιακού θερμομέτρου μεγάλης ακρίβειας και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο σχήμα 5.3.3. Η θερμοκρασιακή εξάρτηση από το καταγεγραμμένο μήκος κύματος του αισθητήρα θερμοκρασίας προκύπτει συνεπώς από τη σχέση: Τ( ο C) = -266468,92+172,14286 * λ (nm) (1) Αυτό που πρέπει να τονιστεί είναι ότι παρά τις μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σε πολλές περιπτώσεις, η διόρθωση στις καταγεγραμμένες τιμές των υπολοίπων αισθητήρων λόγω θερμοκρασίας δεν μπορεί να παραλειφθεί. Και αυτό διότι η φύση των αισθητήρων είναι να έχουν ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα στα μεγέθη που μετρούν. Επομένως, ακόμη και η διόρθωση μερικών pm λόγω θερμοκρασίας είναι σημαντική για την τελική εξαγωγή του μετρούμενου μεγέθους. 3.2 Αισθητήρας Στάθμης Ύδατος Για την μέτρηση στάθμης ύδατος κατασκευάστηκαν δύο αισθητήρες με παρόμοια αρχή λειτουργίας. Το FBG προσαρτάται με ισχυρή μονωτική ταινία στο κέντρο μεμβράνης υλικού PMMA, πάχους 0.2mm και διαμέτρου 12cm, από την εσωτερική επιφάνεια (όχι από την επιφάνεια που θα έρθει σε επαφή με το νερό). Στην εσωτερική αυτή επιφάνεια τοποθετείται ακόμη μια όμοια μεμβράνη, ώστε να εγκλωβίζεται το FBG εντός των δύο μεμβρανών. Η διάταξη αυτή των μεμβρανών δέχεται από τη μία πλευρά ατμοσφαιρική πίεση και από την άλλη την πίεση του νερού, τη στάθμη του οποίου επιθυμούμε να μετρήσουμε. Από την διαφορά της πίεσης η μεμβράνη - και συνεπώς και το FBG - κάμπτεται με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το ανακλώμενο μήκος κύματος. Προσπάθειες κόλλησης του FBG με διαφορετικά είδη κόλλας απέτυχαν διότι, βραχυπρόθεσμα είτε μακροπρόθεσμα, προκαλούνταν αλλοίωση στη δομή του PMMA της μεμβράνης, πιθανότατα λόγω του πολύ μικρού πάχους. Ο πρώτος αισθητήρας (A) μετράει την στάθμη του νερού που βρίσκεται εντός προσαρτώμενου πάνω από τον αισθητήρα σωλήνα (σχήμα 5.3.4) και ενώ το κάτω μέρος του αισθητήρα βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση. Ο δεύτερος αισθητήρας (B) (σχήμα 5.3.5) έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί όπως ο πρώτος (μέτρηση στάθμης ύδατος που βρίσκεται εντός σωλήνα) και επιπλέον μπορεί να βυθιστεί εντός δεξαμενής της οποίας την στάθμη θέλουμε να μετρήσουμε. Σε αυτή την περίπτωση προσαρτάται στην αντίθετη πλευρά της μεμβράνης εύκαμπτος σωλήνας που φτάνει ως την επιφάνεια με σκοπό να μεταφέρει την ατμοσφαιρική πίεση στην εν λόγω πλευρά της μεμβράνης. Οι δύο αισθητήρες δοκιμάστηκαν στο εργαστήριο και επέδειξαν - στο εύρος μετρήσεων που δοκιμάστηκαν, δηλαδή έως 80cm - γραμμική απόκριση στις μεταβολές της στάθμης και μεγάλη επαναληψιμότητα στις μετρήσεις. Στα σχήματα 5.3.6 και 5.3.7 παραθέτονται οι γραφικές παραστάσεις των ανακλώμενων μηκών κύματος ως προς Σελίδα 7
την στάθμη ύδατος που μετρήθηκε, για τον πρώτο και δεύτερο αισθητήρα αντίστοιχα. Με βάση τις μετρήσεις αυτές προέκυψαν και οι βαθμονομήσεις των δύο αισθητήρων. Σχήμα 4. Αισθητήρας μέτρησης στάθμης ύδατος που βρίσκεται εντός προσαρτώμενου σωλήνα. Σχήμα 5. Βυθιζόμενος σε δεξαμενή αισθητήρας μέτρησης στάθμης ύδατος. Σελίδα 8
Πιο συγκεκριμένα, η αντιστοίχιση της στάθμης ύδατος από το καταγεγραμμένο μήκος κύματος του πρώτου αισθητήρα (A) προκύπτει από τη σχέση: D A(cm) = -149995 + 96.8054 * λ (nm) (2) Για τον δεύτερο αισθητήρα (B) η αντίστοιχη σχέση είναι: D B(cm) = -164817 + 107.2961 * λ (nm) (3) Μετά από την προσθήκη νερού παρατηρείται μικρή χρονική διαταραχή στην απόκριση του αισθητήρα μέχρι το νερό και η μεμβράνη να έλθουν σε κατάσταση ηρεμίας, καθώς και λόγω διαφοράς θερμοκρασίας του νερού που προστέθηκε με τον νερό εντός του σωλήνα. Για τους παραπάνω λόγους οι μετρήσεις του μήκους κύματος λήφθησαν αρκετά δευτερόλεπτα μετά την προσθήκη του νερού. Το FBG του πρώτου αισθητήρα στάθμης ύδατος, όταν βρίσκεται σε ονομαστική θερμοκρασία 20 ο C και για στάθμη ύδατος μηδέν (0), ανακλά φως στο μήκος κύματος των λ Α,0=1549,5nm, ενώ οι οπτικές απώλειές του μετρήθηκαν στα α Α=1,7dB. Αντίστοιχα, το μήκος κύματος ανάκλασης του δεύτερου αισθητήρα βρίσκεται στα λ Β,0=1536,1nm - για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας - και οι απώλειες είναι α Β=1,7dB. Σχήμα 6. Σχέση μήκους κύματος ανάκλασης συναρτήσει της στάθμης ύδατος για τον πρώτο αισθητήρα (αισθητήρας μέτρησης στάθμης ύδατος εντός προσαρτώμενου σωλήνα). Σελίδα 9
Σχήμα 7. Σχέση μήκους κύματος ανάκλασης συναρτήσει της στάθμης ύδατος για τον δεύτερο αισθητήρα (αισθητήρας βυθιζόμενος σε δεξαμενή). 3.3 Γωνιακός Αισθητήρας Δομικής Ακεραιότητας Σχήμα 8. Αισθητήρας δομικής ακεραιότητας τοποθετημένος σε κολώνα κτίσματος. Σελίδα 10
Σχήμα 9. Καταγραφή του μήκους κύματος του FBG του αισθητήρα κατά τη διάρκεια στιγμιαίων κτυπημάτων στην κολώνα. 3.4 Αισθητήρας Επιτάχυνσης Ο αισθητήρας επιτάχυνσης συνίσταται από 3 διαφορετικούς αισθητήρες, έναν για κάθε διεύθυνση Χ,Υ,Ζ. Κάθε αισθητήρας αποτελείται από το μηχανικό μέρος, μια ράβδο πακτωμένη στο ένα άκρο της με μια αδρανειακή μάζα βάρους 30gr προσαρτημένη στο άλλο άκρο της, και το οπτικό μέρος, ένα FBG τοποθετημένο κατάλληλα πάνω στη ράβδο (σχήμα 5.3.10, σχηματική απεικόνιση). Η αδράνεια της μάζας σε μεταβολές της επιτάχυνσης κάμπτει τη ράβδο και μεταφέρει τάση πάνω στο FBG, μεταβάλλοντας το ανακλώμενο μήκος κύματος. Οι αισθητήρες για τις διευθύνσεις Χ και Υ είναι παρόμοιοι, ενώ για την διεύθυνση Ζ υπάρχει αλλαγή ως προς την μάζα στο άκρο του στελέχους, μιας και η βαρύτητα δημιουργεί αρχική κάμψη στο στέλεχος. Μεγάλη αρχική κάμψη οδηγεί σε ανεπιθύμητη μόνιμη παραμόρφωση του στελέχους, γεγονός που μας υποχρέωσε να μην προσαρτήσουμε καθόλου βάρος στον αισθητήρα της Ζ διεύθυνσης. Η έλλειψη βάρους όμως μειώνει την ευαισθησία του αισθητήρα, μείωση όμως την οποία θεωρούμε εντός των αποδεκτών πλαισίων. Σελίδα 11
Σχήμα 10. Φωτογραφίες της διάταξης αισθητήρα μέτρησης επιτάχυνσης (3 άξονες) και σχηματική απεικόνιση του στέλεχους του επιταχυνσιομέτρου των αξόνων Χ,Υ (όμοιος και ο αντίστοιχος του άξονα Ζ χωρίς να συμπεριλαμβάνεται το βάρος). Σελίδα 12
Ύστερα από εργαστηριακές δοκιμές και για την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη μεταφορά τάσης πάνω στο FBG, καταλήξαμε στη δομή ενός στελέχους με μια εσοχή στο μεσαίο τμήμα, συνολικού μήκους 8cm, ενώ το FBG προσαρτήθηκε πάνω στο σημείο εκκίνησης της εσοχής (σχήμα 5.3.10 - σημείο Α). Η μείωση του πλάτους του στελέχους που δημιουργείται με την εσοχή οδηγεί σε μείωση της ιδιοσυχνότητας του μηχανικού συστήματος, ανεπιθύμητη στην περίπτωσή μας μιας και οι χαμηλές συχνότητες είναι ιδιαίτερης σημασίας σε δομικές επιταχύνσεις. Παρόλα αυτά οι ιδιοσυχνότητες των διατάξεων παραμένουν σε τιμές ικανές να επιτρέπουν ακριβείς μετρήσεις σε εύρη 0 έως 1Hz που είναι τυπικές τιμές συχνοτήτων δομικών επιταχύνσεων. Πιο συγκεκριμένα, από την θεωρητική ανάλυση των αισθητήρων αλλά και από τις εργαστηριακές μετρήσεις προκύπτει ότι η ιδιοσυχνότητά τους για τις διευθύνσεις Χ και Υ είναι 2,7Hz, ενώ για τον αισθητήρα της διεύθυνσης Ζ είναι 1,2Hz. Η ταλάντωση του αισθητήρα ύστερα από στιγμιαία επιτάχυνση είναι αρκετά έντονη και μεγάλης διάρκειας, οπότε επιβάλλεται η απόσβεσή της. Έτσι υιοθετήθηκε σύστημα ηλεκτρομαγνητικής απόσβεσης, βασισμένο στον νόμο Lenz και στα Eddy currents (ή αλλιώς ρεύματα Foucault). Φύλλο χαλκού (αγώγιμο και μη μαγνητικό υλικό), διαστάσεων 3cm x 3cm, τοποθετήθηκε στο κάτω άκρο του αισθητήρα και παράλληλα με την διεύθυνση κίνησης. Δύο ισχυροί μαγνήτες (σχήμα 5.3.10 - σημείο Β) τοποθετήθηκαν εκατέρωθεν των δύο πλευρών του χαλκού, με αντίθετους πόλους προς την επιφάνεια του χαλκού (οι μαγνήτες έλκονται). Έτσι δημιουργείται μαγνητικό πεδίο κάθετο προς την επιφάνεια του χαλκού. Όταν ο χαλκός κινηθεί,δημιουργούνται στην επιφάνειά του ηλεκτρικά ρεύματα κυκλικής μορφής, γνωστά ως Eddy currents (σχήμα 5.3.10), τα οποία με τη σειρά τους δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετο με το αρχικό μαγνητικό πεδίο, ώστε να αντιτεθούν στην μεταβολή που υφίστανται (Lenz law). Έτσι αποσβένεται η ταλάντωση του στελέχους με αποδοτικό τρόπο και χωρίς να επηρεάζεται η ευαισθησία του αισθητήρα. Πρέπει να σημειώσουμε ότι λόγω της ύπαρξης των μαγνητών, όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν (με εξαίρεση τις βάσεις στήριξης) είναι μη μαγνητικά. Ειδικότερα, τα βάρη στις άκρες των στελεχών είναι κατασκευασμένα από μόλυβδο. Ο μόλυβδος πέραν του ότι δεν αποτελεί μαγνητικό μέταλλο, έχει αρκετά υψηλή πυκνότητα, με συνέπεια να μπορούμε να κατασκευάσουμε μικρών διαστάσεων βάρη. Τέλος, αξίζει να αναφέρουμε ότι λόγω της αποτελεσματικής απόσβεσης ο αισθητήρας μπορεί - πέραν από τις περιοχές μακριά από την ιδιοσυχνότητα των στελεχών - να λειτουργήσει και κοντά στην ιδιοσυχνότητα των στελεχών, με την κατάλληλη φυσικά διόρθωση. Για την βαθμονόμηση των αισθητήρων χρησιμοποιήθηκε ως μέτρο σύγκρισης και αναφοράς τυπικό ηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο. Οι πρώτες μετρήσεις (σχήματα 5.3.12 και 5.3.13) πάρθηκαν για περιοδική κίνηση των επιταχυνσιομέτρων με συχνότητα της αποσβενόμενης ταλάντωσης τα 0.6Hz. Σελίδα 13
Σχήμα 11. Eddy currents για την ηλεκτρομαγνητικής απόσβεσης των στελεχών στον αισθητήρα επιτάχυνσης. Σχήμα 12. Μέτρησης επιτάχυνσης Χ,Υ,Ζ από τυπικό ηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο. Σελίδα 14
Σχήμα 13. Μέτρησης επιτάχυνσης Χ,Υ,Ζ από το οπτικό επιταχυνσιόμετρο. Από τα αποτελέσματα προκύπτουν τα όρια της διακριτικής ικανότητας των αισθητήρων που βρίσκονται στα 4*10-4 g / pm για τον αισθητήρα του άξονα Χ, 6*10-4 g / pm για τον αισθητήρα του άξονα Υ και 7*10-4 g / pm για τον αισθητήρα του άξονα Ζ. Η απόκρισή τους δεν είναι γραμμική και προσεγγίζεται με αμελητέο σφάλμα με τις εξισώσεις 2 ης τάξεως (4-6). Στο εύρος μετρήσεων 0 έως 2g που επικεντρώνεται το ενδιαφέρον μας (συνήθεις τιμές δομικών επιταχύνσεων), η χειρότερη τιμή διακριτικής ικανότητας είναι της τάξης των 10-3 g, συγκριτικά καλύτερα από την αντίστοιχη τιμή των τυπικών ηλεκτρικών επιταχυνσιομέτρων που είναι της τάξης του 10-2 g. Αυτό είναι φανερό και από τα σχήματα 5.3.12 και 5.3.13, ειδικά για τις περιπτώσεις των αισθητήρων των διευθύνσεων Υ και Ζ, όπου από τη χρονική στιγμή 60 και ύστερα το ηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο δεν δίνει καμία μέτρηση (βρίσκεται εντός των ορίων του θορύβου του), ενώ ο οπτικός αισθητήρας συνεχίζει να μετράει. Πέραν της παραπάνω διαδικασίας, οι αισθητήρες συγκρίθηκαν με τους αντίστοιχους ηλεκτρικούς και σε στιγμιαία (μη-περιοδικά) συμβάντα. Από το σχήμα 5.3.14 παρατηρούμε ότι ο οπτικός αισθητήρας είναι ακόλουθος με τις ενδείξεις του ηλεκτρικού αισθητήρα. Παρόλα αυτά οι συγκεκριμένες μετρήσεις δεν χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση του αισθητήρα, μιας και η συχνότητα δειγματοληψίας παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην σωστή αποτύπωση ενός στιγμιαίου συμβάντος. Έτσι, λόγω δειγματοληψίας, είναι πολύ πιθανό η ένδειξη οποιουδήποτε αισθητήρα να είναι μικρότερη της πραγματικής και επομένως μια άμεση σύγκριση θα ήταν λανθασμένη. Σελίδα 15
Σχήμα 14. Σύγκριση απόκρισης ηλεκτρικού και οπτικού επιταχυνσιομέτρου σε στιγμιαία γεγονότα. Με βάση λοιπόν τα δεδομένα από την περιοδική διέγερση των αισθητήρων, προέκυψαν οι ακόλουθες σχέσεις που περιγράφουν την αντιστοίχιση των μονάδων επιτάχυνσης με το καταγεγραμμένο μήκος κύματος των 3 αισθητήρων FBG για κάθε άξονα: α x (σε g)= 0.43 * (λ x -λ x0) (nm) + 1.23 *10-4 * [(λ x - λ x0) (nm)] 2 (4) α y (σε g)= 0.86 * (λ y -λ y0) (nm) + 1.96 *10-4 * [(λ y - λ y0) (nm)] 2 (5) α z (σε g)= 1.40 * (λ z -λ z0) (nm) - 1.3*10-3 * [(λ z - λ z0) (nm)] 2 (6) Η διαφορά που παρατηρείται στις συναρτήσεις που προέκυψαν από την βαθμονόμηση για τους αισθητήρες Χ και Υ αποδίδεται σε μικροδιαφορές στα στελέχη και στα βάρη των δύο αισθητήρων, καθώς και στην κόλληση του FBG πάνω στο στέλεχος η οποία όπως θα αναφέρουμε στο κεφάλαιο 5.3.8 παίζει σημαντικό ρόλο στην απόκριση των αισθητήρων. Γεγονότα της τάξης των 10-3 g μπορούν να καταγραφούν εύκολα απο τον αισθητήρα που κατασκευάστηκε, ενώ το όριο της διακριτικής ικανότητας έχει οριστεί έως και τουλάχιστον 4*10-4 g. Να σημειώσουμε ότι για τις περιοχές κάτω του 10-2 g όπου δεν υπάρχουν μετρήσεις από το ηλεκτρικό επιταχυνσιόμετρο υποθέτουμε σχεδόν γραμμική εξάρτηση της επιτάχυνσης και της μεταβολής στο μήκος κύματος του αισθητήρα. Σελίδα 16
Οι απώλειες της διάταξης που περιλαμβάνει και τους τρεις αισθητήρες ανέρχεται στα 1.2dB και οφείλεται στις ενώσεις(splices) μεταξύ των FBG και στους τερματισμούς τους. Μια επιπλέον διόρθωση που απαιτείται στην επεξεργασία και μετατροπή των καταγραφόμενων μηκών κύματος σε επιτάχυνση είναι ο ορισμός του επιπέδου μηδέν. Απουσία γεγονότων, η DC στάθμη της καταγραφής πρέπει να βρίσκεται πάντα στο μηδέν, επομένως η διόρθωση αυτή θα πρέπει να εισάγεται σε τακτικά χρονικά διαστήματα με βάση την μέτρηση τιμών μήκους κύματος προηγούμενων στιγμών. Μια τέτοια διόρθωση έχει νόημα σε περιπτώσεις που έχει υπάρξει για παράδειγμα κάποια μόνιμη μικρο-παραμόρφωση της διάταξης ή κάποια αλλαγή λόγω γήρανσης στην κόλληση του FBG με το στέλεχος. 3.5 Αισθητήρας Διέλευσης Οχημάτων Ο αισθητήρας διέλευσης και κατηγοριοποίησης οχημάτων αποτελείται από 2 οπτικούς αισθητήρες FBG τοποθετημένους στο κέντρο ελαστικής μεμβράνης, πάχους 0.1mm και διαμέτρου 10cm (σχήμα 5.3.15). Δύο πνευματικοί σωλήνες κουμπώνουν στην μια πλευρά της μεμβράνης, ενώ η άλλη πλευρά τους είναι σφραγισμένη. Όταν κάποιο όχημα διέλθει πάνω από τους σωλήνες ο αέρας εντός τους συμπιέζεται και δημιουργεί κάμψη στις μεμβράνες και συνεπώς στα FBG. Έτσι παρατηρείται αλλαγή στο μήκος κύματος ανάκλασης των αισθητήρων, από το εύρος της οποίας είναι δυνατή η κατηγοριοποίηση του οχήματος σε μηχανή, αυτοκίνητο ή φορτηγό. Εάν οι σωλήνες είναι τοποθετημένοι σε γνωστή απόσταση μεταξύ τους (π.χ. 1 μέτρο), τότε είναι δυνατός ο υπολογισμός της ταχύτητας του οχήματος από την διαφορά χρόνου που παρατηρείται στις μετατοπίσεις των μηκών κύματος των δύο αισθητήρων. Η κατασκευή του αισθητήρα διαφέρει από την αρχική μας προσέγγιση. Τα FBG είναι σημειακοί αισθητήρες και επομένως απαιτείται η προβολή κάθε γεγονότος (π.χ. μιας διέλευσης οχήματος) στο μήκος του FBG, το οποίο δεν ξεπερνάει τα 2 εκατοστά. Η αρχική προσέγγιση λοιπόν υστερούσε στην δυνατότητα μετρήσιμης προβολής της διέλευσης ενός οχήματος πάνω από τα 3 περίπου μέτρα ίνας σε κάμψη των σημειακών αισθητήρων FBG στα άκρα της ίνας. Η δομή του αισθητήρα που επιλέχτηκε είναι αντίστοιχη ηλεκτρικών αισθητήρων για μέτρηση διέλευσης οχημάτων (με χρήση πνευματικών σωλήνων). Ο οπτικός αισθητήρας πλεονεκτεί έναντι των ηλεκτρικών αισθητήρων της αγοράς μιας και παρέχει τις επιπλέον δυνατότητες κατηγοριοποίησης και μέτρησης ταχύτητας. Σελίδα 17
Σχήμα 15. Αισθητήρας διέλευσης, ταχύτητας και κατηγοριοποίησης οχημάτων. Στις εργαστηριακές δοκιμές βαθμονόμησης του αισθητήρα χρησιμοποιήθηκαν συμβατικά Ι.Χ. οχήματα και μηχανές τα οποία διήλθαν με διαφορετικές ταχύτητες και σε διαφορετικά σημεία των δωδεκάμετρων (12m) πνευματικών σωλήνων. Εξαιτίας της δυνατότητας των οχημάτων να διέλθουν σε διαφορετικά σημεία του σωλήνα και επομένως της διαφορετικής μετατόπισης αέρα - πίεσης στη μεμβράνη, δεν είναι δυνατή η ακριβής μέτρηση του βάρους των διερχομένων οχημάτων, παρά μόνο η γενική κατηγοριοποίηση αυτών. Πιο συγκεκριμένα, το μέγεθος της αλλαγής στο μήκος κύματος από μια διέλευση βαθμονομήθηκε για διαφορετικούς τύπους οχημάτων, ως εξής: - ΔΙΕΛΕΥΣΗ ΜΗΧΑΝΗΣ: Δλ = 5-60pm - ΔΙΕΛΕΥΣΗ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ: Δλ = 60-600pm - ΔΙΕΛΕΥΣΗ ΦΟΡΤΗΓΟΥ: Δλ > 600pm Η αντιστοίχηση σε βάρος για την κατηγοριοποίηση των οχημάτων σε σχέση με το βάρος ανά άξονα (συμπεριλαμβανομένων και των αναβατών/επιβατών) έχει οριστεί ως εξής: - ΜΗΧΑΝΗ: Βάρος ανά άξονα έως 250kgr - ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ: Βάρος ανά άξονα από 250kgr έως 2000kgr Σελίδα 18
- ΦΟΡΤΗΓΟ: Βάρος ανά άξονα >2000kgr Η μέτρηση της ταχύτητας γίνεται με τη χρονική απόσταση διέλευσης από τους 2 αισθητήρες. Επομένως η ταχύτητα διέλευσης θα είναι: U = 1 / Δt (m/s) = 3.6 / Δt (km/h) (7) Σχήμα 16. Μήκος κύματος αισθητήρα διέλευσης, ταχύτητας και κατηγοριοποίησης οχημάτων, ως προς τον χρόνο, για διελεύσεις αυτοκινήτων. Σελίδα 19
Σχήμα 17. Μεταβολή του μήκους κύματος αισθητήρα διέλευσης, ταχύτητας και κατηγοριοποίησης οχημάτων, ως προς τον χρόνο, για διελεύσεις αυτοκινήτων. Σχήμα 18. Μήκος κύματος αισθητήρα διέλευσης, ταχύτητας και κατηγοριοποίησης οχημάτων, ως προς τον χρόνο, για διελεύσεις μηχανών. Σελίδα 20
Σχήμα 19. Μεταβολή του μήκους κύματος αισθητήρα διέλευσης, ταχύτητας και κατηγοριοποίησης οχημάτων, ως προς τον χρόνο, για διελεύσεις μηχανών. Οι απώλειες της διάταξης που περιλαμβάνει και τους δύο αισθητήρες ανέρχεται στα 1,7dB και προκύπτει από τις ενώσεις μεταξύ των αισθητήρων, τους τερματισμούς και την πίεση που δέχεται η οπτική ίνα στα σημεία πάκτωσης της μεμβράνης. Τυπικές μετρήσεις του μήκους κύματος και της μεταβολής του μήκους κύματος ενός εκ των δύο αισθητήρων για αυτοκίνητα και μηχανές, φαίνεται στα σχήματα 5.3.16 έως και 5.3.19 αντίστοιχα. Ο δεύτερος αισθητήρας συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο, γύρω όμως από το μήκος κύματος των 1555,25nm. 3.6 Αισθητήρας Περιμετρικής Ασφάλειας Η κατασκευή του αισθητήρα περιμετρικής ασφάλειας βασίζεται στην αρχή λειτουργίας του αισθητήρα κατηγοριοποίησης οχημάτων. Βασίζεται σε χρήση κατάλληλα επιλεγμένου πνευματικού σωλήνα ο οποίος προσαρτάται στους αισθητήρες μεμβρανών PMMA στις οποίες είναι κολλημένα τα FBG. Σε σχέση με τους πνευματικούς σωλήνες που χρησιμοποιήθηκαν για την κατηγοριοποίηση των οχημάτων, ο σωλήνας της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι πιο λεπτής διαμέτρου ώστε να λαμβάνει παραμόρφωση με την επίδραση μικρότερου βάρους (π.χ. το βάρος ενός ανθρώπου). Στο σχήμα 5.3.20 φαίνεται η διάταξη αισθητήρα περιμετρικής ασφάλειας κατά την εφαρμογή και δοκιμή του σε είσοδο δωματίου. Ενδεικτικά, η διέλευση ενός ατόμου 70kg επάνω από τον αισθητήρα, προκαλεί μετατόπιση του μήκους κύματος του FBG κατά 10-20pm, ανάλογα με την ταχύτητα κίνησης και τη δύναμη του πέλματος που ασκείται κατά το βάδισμα επάνω στον αισθητήρα (σχήμα 5.3.21). Σελίδα 21
Σελίδα 22
Σχήμα 20. Διάταξη αισθητήρα περιμετρικής ασφάλειας κατά την εφαρμογή και δοκιμή του σε είσοδο δωματίου. Σχήμα 21. Μήκος κύματος περιμετρικού αισθητήρα διέλευσης πεζών ως προς τον χρόνο. Σελίδα 23
4 ΠΡΟΣΑΡΤΗΣΗ FBG ΣΤΑ ΣΤΕΛΕΧΗ ΤΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Ξεχωριστό αντικείμενο εργαστηριακής δοκιμής αποτέλεσε η μέθοδος κόλλησης των FBG πάνω στα στελέχη και τις μεμβράνες των αισθητήρων. Διάφορες κόλλες και κολλητικές ταινίες δοκιμάστηκαν, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.3.22. Με βάση την εικόνα των κολλήσεων με το χρόνο φαίνεται ότι η κόλλα δύο στοιχείων παρουσιάζει μονιμότερα και λιγότερο ευμετάβλητα αποτελέσματα (μεσαία κόλληση στην πάνω σειρά). Μακροσκοπικά, ως προς την απόκριση των αισθητήρων, όλες οι κολλήσεις - μόνιμες ή μη - απέδιδαν τα ίδια αποτελέσματα, με εξαίρεση το sellotape τύπου 3Μ στο οποίο μετά από 10 μέρες υπήρχε μικρή μεταβολή στην απόκριση του αισθητήρα επιτάχυνσης κατά 15% (μείωση του πλάτους). Σχήμα 22. Διαφορετικές κολλήσεις FBG σε πλαστικό στέλεχος. Για τις εργαστηριακές δοκιμές και τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρολογική κολλητική ταινία υψηλής αντοχής, με δεδομένο ότι η επέμβαση για την βελτιστοποίηση των αισθητήρων ήταν συχνή και επομένως μια μόνιμη κόλληση δεν εξυπηρετούσε τους σκοπούς μας. Η μεταβολή της απόκρισης των αισθητήρων με την γήρανση της κόλλησης (π.χ. εγκλωβισμός αέρα σε εσωτερικά σημεία της κόλλησης εγκλωβίζοντας αέρα) ήταν ασήμαντη μεταξύ δοκιμών σε διαφορετικές ημέρες, αλλά και μετά από ένα μήνα. Η αντικατάσταση της ταινίας - όποτε χρειάστηκε - επιβεβαίωνε κάθε φορά την επαναληψιμότητα των μετρήσεων των αισθητήρων που κατασκευάστηκαν. Σε μακροχρόνιες μετρήσεις όμως συστήνεται η μόνιμη κόλληση με κόλλα δύο στοιχείων. Σελίδα 24