Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Reklama3
Strona główna Artykuły
Dodatkowy na dole

Czujniki światłowodowe jako detektory pola akustycznego

Podstawowym zastosowaniem światłowodów we współczesnej technice są systemy transmisji danych w telekomunikacji oraz sieciach komputerowych. Przewaga światłowodowego toru transmisji nad torem elektrycznym to przede wszystkim olbrzymia  szybkość przesyłania danych, która sięga na obecnym etapie rozwoju techniki kilkunastu Tbit/s. Częstotliwość nośna fali świetlnej jest rzędu 200 – 300 THz, a więc fizyczne granice szybkości transmisji są jeszcze dalekie. Dla porównania, w systemach transmisji elektrycznej osiąga się szybkości rzędu zaledwie kilku Gb/s. Światłowody wyparły przewody miedziane praktycznie we wszystkich systemach telekomunikacyjnych pracujących. Znajdują również coraz szersze zastosowanie jako czujniki rozmaitych własności fizykochemicznych.

Do detekcji pola akustycznego za pomocą czujników światłowodowych wykorzystuje się światłowody wielo- i jednomodowe. Różnica polega na możliwości przesyłania jednego bądź większej liczby modów światła w tym samym czasie.

Większość układów detekcji opiera się na światłowodach wielomodowych i wykorzystuje efekt sprężystego odkształcenia światłowodu wywołanego oddziaływaniem zmiennego pola akustycznego przenikającego światłowód.

Składowa poprzeczna pola elektrycznego m-tego modu fali optycznej wychodząca ze światłowodu poddanego działaniu zewnętrznego ciśnienia akustycznego ma następującą postać:

 

Am (ρ,Θ,t) = Am (ρ,Θ) exp [ i * ( βm*l – ω*t + Φm + Φm*sin Ωst )]

 

gdzie:

βm - stała propagacji m-tego modu,

Φm - faza początkowa m-tego modu,

l - długość włókna poddanego ciśnieniu akustycznemu,


Φm*sin Ωst - indukowane przesunięcie fazy fali świetlnej wywołane zewnętrznym polem akustycznym poprzez:

- zmiany współczynnika załamania rdzenia (efekt elastooptyczny),

- zmiany długości rdzenia światłowodu pod wpływem naprężeń,

- zmiany średnicy rdzenia.

 

Zatem zaburzenia struktury fazowej światłowodu wielomodowego powoduje sprzężenie modów kierowanych i radiacyjnych, co w efekcie daje wypromieniowanie części energii prowadzonej z rdzenia światłowodu. Występujący ubytek energii jest proporcjonalny do amplitudy pola akustycznego.

 

Opis czujnika

 

W celu wzbudzenia światłowodu zastosowanego w czujniku najczęściej używany jest laser He-Ne. Natomiast źródłem ciśnienia akustycznego powinien być emiter fal radiowych np. głośnik radiowy.

Światłowód zwija się w ciasną spiralę i umieszcza na płaskim nośniku z tworzywa sztucznego lub nawija na walec polistyrenowy (dwie różne konfiguracje) (Rys. 1-2).

W związku z tym wykorzystuje się do detekcji pola akustycznego zjawisko lokalnej interferencji ustawiając detektor na jeden wybrany obszar świecenia pola światłowodu. Czujnik wiernie odbiera sinusoidalne pole ciśnienia akustycznego przenikającego światłowód.

Rysunek 1. Światłowód zwinięty w spiralę, umieszczony na płytce z tworzywa sztucznego: 1- głośnik; 2 – obiektyw mikroskopu; 3- płytka; 4 -  światłowód; 5 - fototranzystor; 6 – mikrowoltomierz; 7 – oscyloskop; 8- fala akustyczna.

Rysunek 2. Światłowód nawinięty na wydrążonym walcu. Od lewej laser He-Ne, 1 – głośnik, 2 - obiektyw mikroskopu, 3 - światłfotodioda, 4 - wzmacniacz, 5 – oscyloskop; 6 – woltomierz; 7 – fala akustyczna.

 

 Następnym elementem detektora jest układ fotodetekcyjny: fototranzystor lub fotodiod (Rys. 3). Przetworzony w detektorze sygnał trafia do komputera, bądź do prostszego urządzenia jakim jest oscyloskop. Na ekranie oświetlonym przez wyjście światłowodu poddanego działaniu fal akustycznych obserwuje się charakterystyczną ziarnistą strukturę pola świecenia będącą efektem lokalnej interferencji poszczególnych modów (Rys. 4-5).




Rysunek 3. Układ detekcyjny. Fotodetektor ustawiono w polu świecenia wyjścia światłowód.

 

Przy wzbudzeniu odcinka światłowodu laserem, ilość wzbudzonych modów jest niewielka, a struktura ziarnista ma wyraźne obszary lokalnej interferencji kilku modów, charakteryzujące się silnym świeceniem.

Podczas detekcji pola takich obszarów stwierdza się, że wielkość natężenia światła jest silnie zależna od oddziaływania otoczenia na światłowód tj. zgięcia, temperatura i drgania.

Rysunek 4. Liniowa charakterystyka światłowodowego czujnika względem zewnętrznego ciśnienia. Paraboliczny kształt odpowiada kwadratowej zależności mocy akustycznej od napięcia podawanego na głośnik. Gdzie: • detektor światłowodowy; X detektor piezoelektryczny


Rysunek 5.Liniowa charakterystyka światłowodowego czujnika względem zewnętrznego ciśnienia. Linia prosta jest częścią paraboli mocy akustycznej. Wykres wskazuje na większą czułość czujnika światłowodowego w porównaniu z piezoelektrycznym. Gdzie: • detektor światłowodowy; * detektor piezoelektryczny

 

Wniosek

Do konstruowania czujników światłowodowych należy stosować światłowody wielomodowe, w których propaguje się skończoną ilość modów oraz przenoszony jest stan polaryzacji fali świetlnej na odległość kilkuset metrów.

 

Podsumowanie

Czujnik optyczny jest elementem optoelektronicznym. Zasada działania polega na wysyłaniu wiązki promieni świetlnych przez nadajnik oraz na odbieraniu jej przez odbiornik. Czujnik ten reaguje na obiekty przecinające wiązkę światła pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem lub na wiązkę odbitą od obiektu. Czujniki optyczne charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów. Powyżej przedstawiony układ z powodzeniem może zostać zastosowany do detekcji zmian pola akustycznego chociażby w przemyśle, gdzie produkcja odbywa się w akustycznie izolowanych pomieszczeniach.

 

Autor: Karolina Wójciuk


Literatura

 

1. Z. Brzózka, W. Wróblewski, 1999. Sensory chemiczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa

2. M. Szustakowski, 1992. Elementy techniki światłowodowej, WNT, Warszawa

3. J. Siuzdak, 1999. Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa


 

 



Tagi: światłowód, czujnik światłowodowy, detekcja, pole akustyczne, jednomodowy, wielomodowy, układ detekcji światła, odkształcenie sprężyste, amplituda pola
Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Recenzje



Informacje dnia: Jakie są przyczyny otyłości? Hipercholesterolemia rodzinna: ryzyko zawału w młodym wieku Uprawy bananów bezpieczniejsze dzięki sztucznej inteligencji Magnetyczne nanorurki mogą usuwać mikroplastiki z wody Alkohol pity podczas ciąży zmienia DNA noworodka Otwarty dostęp do ponad 300 tys. artykułów w Bibliotece Nauki Jakie są przyczyny otyłości? Hipercholesterolemia rodzinna: ryzyko zawału w młodym wieku Uprawy bananów bezpieczniejsze dzięki sztucznej inteligencji Magnetyczne nanorurki mogą usuwać mikroplastiki z wody Alkohol pity podczas ciąży zmienia DNA noworodka Otwarty dostęp do ponad 300 tys. artykułów w Bibliotece Nauki Jakie są przyczyny otyłości? Hipercholesterolemia rodzinna: ryzyko zawału w młodym wieku Uprawy bananów bezpieczniejsze dzięki sztucznej inteligencji Magnetyczne nanorurki mogą usuwać mikroplastiki z wody Alkohol pity podczas ciąży zmienia DNA noworodka Otwarty dostęp do ponad 300 tys. artykułów w Bibliotece Nauki

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Job24 Obywatele Nauki NeuroSkoki Portal MaterialyInzynierskie.pl Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA Mlodym Okiem Polski Instytut Rozwoju Biznesu Analityka Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Geodezja Instytut Lotnictwa EuroLab

Szanowny Czytelniku!

 
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
 
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.

Kto będzie administratorem Twoich danych?

Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).

O jakich danych mówimy?

Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.

Dlaczego chcemy przetwarzać Twoje dane?

Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:

Komu możemy przekazać dane?

Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.

Jakie masz prawa w stosunku do Twoich danych?

Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.

Jakie są podstawy prawne przetwarzania Twoich danych?

Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.

Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
 
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI
 

Newsletter

Zawsze aktualne informacje