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 1 Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Transmiterea fasciculelor optice prin fibra optica NA apertura numerica: NA n n 2 2 miez manta Unghiul critic: arcsin NA c Unghiul maxim de transmitere: 2 c c 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 2 1
Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Transmiterea fasciculului optic intre 2 fibre 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 3 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 4 2
Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Senzor analogic cu fibra mobila Senzor digital de tip bariera de lumina 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 5 Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza Senzori cu fibra optica cu sensibilitate maxima Fibre monomod Surse optice monomod coerente (laseri) Frecventa sursei optice: 10 14 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 6 3
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 7 Senzori cu fibre optice modulaţie de faza Condiţii de interferenta a radiaţiilor coerente: Consideram 2 unde optice: A1 a1 sin t 1 A2 a2 sin t 2 Unda rezultanta: A asin t 2 2 a a1 a2 2a1a2 cos 1 2 a1 sin1 a2 sin 2 arctg a1 cos1 a2 cos2 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 8 4
Senzori cu fibre optice modulaţie de faza Intensitatea rezultanta: I 2 n, n 0,1,... I max 1 2 2n1 min 1 2 Vizibilitatea franjelor (contrast): I I max max I I min min Franje de interferenta Vizibilitate maxima: a a 1 2 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 9 Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza Principiul unui interferometru Mach-Zender 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 10 5
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza Principiul unui interferometru Michelson 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 11 Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza Principiul unui interferometru Fabry-Perot 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 12 6
Senzori cu fibre optice - modulaţie de faza Principiul unui interferometru Sagnac 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 13 Senzor de tensiune cu fibre optice 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 Deformaţia specifica a fibrei, ε: LL Sensibilitatea relativa de măsurare, S r : S r 1 d lim 0, 75 0 d L lungimea fibrei sensibile ΔL alungirea fibrei ΔΦ variaţia fazei optice in fibra sensibila ε deformaţia specifica a fibrei 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 14 7
Senzor de tensiune cu fibre optice Senzor de tensiune cu fibre optice Sensibilitatea relativa la măsurarea tensiunii: S r 1 d 1 k d du g d 8 4,5 10 [1/V] 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 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 1 d 1 m d 6 S a - acceleraţia r 1,3 10 [1/g] da SE d S secţiunea transversala a fibrei E modulul lui Young (Si 7.3 10 10 N/m 2 ) g acceleraţia gravitaţionala 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 15 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 16 8
Senzori cu fibre optice polarizare optica Transformator de curent cu fibre optice 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 17 Senzori cu fibre optice polarizare optica Transformator de curent cu fibre optice 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 Efect Faraday (relaţia lui Verdet): V H L 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 V I N numărul de spire ale fibrei optice in jurul conductorului I intensitatea curentului electric prin conductor 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 18 9
Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Unghiul critic, la interfaţa aer-miez: Apertura numerica: NA n n 2 2 miez manta 0.384 c Unghiul critic: arcsin NA arcsin(0,384) 22, 6 Unghiul extern de incidenta: Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica 1 45 Unghiul de incidenta in miez (legea lui Snell): n er n aer sin1 nmiez sin2 2 arcsin sin1 28,1 nmiez 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 19 Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Unghiul de reflexie, in miez: 90 90 28,1 68,9 2 2 Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica Unghiul de incidenta in teaca: n miez 3 arcsin sin2 65,8 nteaca Unghiul de reflexie in teaca (reflexie totala): 90 90 65,8 24, 2 3 2 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 20 10
Senzori cu fibre optice modulaţia intensităţii optice Propagarea fasciculelor optice prin fibra optica (reflexie interna totala) Unghiul extern de incidenta: Unghiul de incidenta in miez: Unghiul de reflexie, in miez: 1 20 n aer 2 arcsin sin1 13, 2 nmiez 90 9013, 2 85,8 2 2 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 21 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 22 11
Senzori de distanta interferometrici Principiul unui interferometru pentru măsurarea distantelor: FD fotodetector; L r lungimea braţului de referinţa; L m lungimea braţului de semnal (măsurare) 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 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 23 Senzori de distanta interferometrici Interferometru pentru măsurarea distantelor Intensitatea semnalului fotodetectorului OPD n 2 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 Variaţia ΔOPD a diferenţei de drum optic OPD fata de punctul de referinţa: OPD n 2 Erori: Variaţii de intensitate ale fasciculului optic incident Variaţii ale vizibilităţii franjelor datorita divergentei fasciculului Alinierea interferometrului pe parcursul deplasării reflectorului 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 24 12
Interferometrie cu dubla lungime de unda Principiul unui interferometru 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: 1 2 OPD 1 n1 2 n2 2 2 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 25 Interferometrie cu dubla lungime de unda Daca sursele laser pot fi reglate, pentru fiecare măsurare se reglează fasciculul emitent astfel incit φ 1 =φ 2 =0 Interferometru cu dubla lungime de unda Daca φ 1 =φ 2 =0: OPD n n n n n 1 1 2 2 2 1 Δn diferenţa dintre ordinele franjelor de interferenta ale celor doua lungimi de unda 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 26 13
Interferometrie cu dubla lungime de unda Franje de interferenta in funcţie de diferenţa de drum optic OPD intr-un interferometru dual (Δn=1). λ 1 si λ 2 sunt reglate pentru diferenţa de faza zero in poziţia ţinta Daca φ 1 =φ 2 =0: c 1 2 OPD n 1n1 n n 1 2 1 2 λ synt lungimea de unda echivalenta (sintetica) a interferometrului synt 28 aprilie 2011 Senzori Integrati in Ingineria Instrumentala - Prof. Ioan G. TARNOVAN 27 14