ODBOJNOSTNI SENZOR Z OPTIČNIMI VLAKNI Spoznavanje osnovnih vlakensko-optičnih (fiber-optičnih) komponent, Vodenje svetlobe po optičnem vlaknu, Spoznavanje načela delovanja in praktične uporabe odbojnostnega senzorja z optičnimi vlakni,
Naloga Teoretični izračun geometrije senzorja (divergenca žarka, odziv senzorja pri mejnih vrednostih), Umerjanje senzorja z optičnimi vlakni za merjenje mehanskega pomika (linearnost, merilno območje, vpliv odbojnosti merjenca) Praktična uporaba senzorja merjenje vibracij
Optično vlakno: totalni odboj svetlobe na meji jedro-plašč je osnovno načelo vodenja svetlobe po jedru vlakna. NA 2 2 = n0 sin θ NA = n j n p Žarki, ki vpadajo na čelo vlakna pod kotom, manjšim od θ ΝΑ, se vodijo po vlaknu. Ostali žarki se delno lomijo v plašč vlakna in sčasoma izginejo iz jedra. Žarki, ki se vodijo po vlaknu, na čelu izstopajo v obliki stožca, katerega plašč oklepa s središčnico kot θ NA
Teorija delovanja: svetloba seva iz oddajnega vlakna v obliki stožca s kotom θ NA in osvetljuje površino merjenca. Del svetlobe se odbije in vpada v sprejemno vlakno. Moč sprejete svetlobe, ki je odvisna od oddaljenosti čel vlaken od merjene površine, merimo s fotodiodo. SONDA SVETLOBNI IZVOR ODDAJNO VLAKNO SPREJEMNA FOTODIODA SPREJEMNO VLAKNO ZRCALNA POVRŠINA
oddajno vlakno 2ρ r nj sprejemno vlakno V primeru koračnega intenzitetnega profila bi veljalo: w( D) = ρ + 2D tgθ no θ ΝΑ D 2D P spr = 0 D r 2 < 2 tg ρ θ w(2d) 2ρ Za lažje razumevanje delovanja preslikamo sprejemno vlakno nasproti oddajnemu odstranimo odbojno površino. Čelo sprejemnega vlakna je od oddajnega oddaljeno za 2D. P spr ( D) = P odd 2 ρ w( D) 2 r D 2 tgθ V območju naraščajoče karakteristike odvisnost ni enostavno analitično rešljiva! Površina prečnega prereza svetlobnega stožca je odvisna od oddaljenosti D vlakna od tarče, skladno se spreminja svetlobna intenziteta oziroma moč sprejete svetlobe in sicer: V naraščajočem delu karakteristike se spreminja intenziteta in površina osvetlitve sprejemnega vlakna V padajočem delu karakteristike se spreminja samo intenziteta
Razmere v ravnini preseka svetlobnega stožca: A) Rob svetlobnega stožca doseže rob sprejemnega vlakna B) Rob svetlobnega stožca doseže drugi rob sprejemnega vlakna C) Svetlobni stožec v celoti pokriva sprejemno vlakno; signal se spreminja samo zaradi spreminjanja intenzitete svetlobnega stožca Oddajno vlakno A B C 20 Karakteristika senzorja r = 2,4 mm w(2d) 2ρ Sprejemno vlakno -3 Razmerje moči [x10 ] 16 12 8 4 r = 1 mm r 0 0 A B 2 4 6 8 D [mm] C D B r 2 tgθ
Naloga 1: lastnosti optičnega vlakna izračunajte kot θ NA, če poznate lomni količnik jedra vlakna n j = 1,495 (PMMA vlakno). Lomni količnik plašča je: n p =1,419. Izračunajte tudi numerično odprtino vlakna NA. Izmerite divergenco izstopnega svetlobnega stožca z meritvijo premera žarka pri različnih oddaljenostih od čela vlakna. Iz izmerkov določite kot θ NA. Meritev izvedite na vsaj treh različnih oddaljenostih! Opazujte odsev svetlobe na tarči, medtem ko premikate (zvijate) oddajno optično vlakno. Opišite in razložite dogajanje!. x
Naloga 2: karakteristika odbojnostnega senzorja (r=1,5mm) simulacija pomika površine (mikrometerski vijak, 10µm/razdelek) senzor (konica optičnega vlakna) tarča (površina merjenca) POSTOPEK: nastavimo zrcalno tarčo (zrcalo) oziroma disperzijsko tarčo (bel papir) pod senzorjem, mikrometerski vijak merilne mizice nastavimo na 0, z mizico z vijakom brez skale nastavimo senzor tako, da se konica vlakna DOTAKNE tarče (D=0), z mikrometerskim vijakom POVEČUJEMO razdaljo med tarčo in konico vlakna in beležimo detektirani signal (odčitek na voltmetru). Inkrement pomika naj bo 0,2mm (20 razdelkov), izvedemo pa 50 odčitkov (~10mm celotni odmik vlakna) narišemo odvisnost signala [V] od odmika vlakna [mm] določimo aktualno merilno območje (linearnost manjša od 5%) in občutljivost merilnika. Meritev je potrebno opraviti z zrcalno in disperzijsko tarčo! Obe odvisnosti signala senzorja prikažite v enem diagramu. V diagram vrišite odmik D B, pri katerem se teoretično pojavi največji signal. x
Naloga 3: merjenje nihanja membrane zvočnika POSTOPEK: Zvočnik z zrcalom postavite pod senzor. Izmerite karakteristiko senzorja z novo zrcalno tarčo. Merite samo v območju, kjer je pričakovati naraščajočo karakteristiko senzorja! Določite občutljivost senzorja [V/mm] in merilno območje [mm]. Pri mirujoči membrani zvočnika (D = konst.) opazujte signal fotodiode z osciloskopom. Določite vrednost šuma [V] in ocenite, kolikšna je ločljivost senzorja [mm]. Določite tudi vrednost signal/šum (SNR) kot razmerje med merilnim območjem in vrednostjo šuma. Senzor po višini nastavite v sredino merilnega območja merimo sinusno nihanje membrane zvočnika okoli nevtralne lega! Vzbujalni sinusni električni signal za vzbujanje zvočnika nastavite na 0,2 Vpp (peak-to-peak vrednost = dvojna amplitudna vrednost) in frekvenco 20 Hz. Ob znani občutljivosti senzorja določite dvojno amplitudo nihanja membrane [mm]. Povečajte vzbujalni signal na 0,3 Vpp in ponovno določite amplitudo nihanja membrane. V obeh primerih izračunajte občutljivost zvočnika [mm/v]. Primerjajte z meritvami 3. laboratorijske vaje! S spreminjanjem frekvence vzbujanja določite prvo lastno frekvenco zvočnika. Kaj se dogaja s fazno zakasnitvijo med signalom vzbujanja in signalof fotodiode (nihanje membrane)? x