Universitatea Politehnica Bucure]ti

Facultatea Electronic` ]i Telecomunica\ii

Catedra Tehnologie Electronic` ]i Fiabilitate

PRINCIPII }I PERFORMAN|E ALEPRINCIPII }I PERFORMAN|E ALEPRINCIPII }I PERFORMAN|E ALEPRINCIPII }I PERFORMAN|E ALE

SENZORILOR OPTICISENZORILOR OPTICISENZORILOR OPTICISENZORILOR OPTICI

REFERAT {N CADRUL DOCTORATULUI REFERAT {N CADRUL DOCTORATULUI REFERAT {N CADRUL DOCTORATULUI REFERAT {N CADRUL DOCTORATULUI

Autor: S.l. dr.ing. Marian Vl`descu

1. CONSIDERA1. CONSIDERA1. CONSIDERA1. CONSIDERA\\\\II GENERALE.II GENERALE.II GENERALE.II GENERALE. 4444

1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric. 4444

1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale. 4444

2. M`SUR`RI EFECTUAT2. M`SUR`RI EFECTUAT2. M`SUR`RI EFECTUAT2. M`SUR`RI EFECTUATE PRIN METODE OPTICEE PRIN METODE OPTICEE PRIN METODE OPTICEE PRIN METODE OPTICE 6666

2.1 M`rimi m`surabile prin metode optice.2.1 M`rimi m`surabile prin metode optice.2.1 M`rimi m`surabile prin metode optice.2.1 M`rimi m`surabile prin metode optice. 6666

2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare. 6666

2.3 Structura senz2.3 Structura senz2.3 Structura senz2.3 Structura senzorilor optoelectronici.orilor optoelectronici.orilor optoelectronici.orilor optoelectronici. 10101010

2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici. 11111111

3. SENZORI ]I TRADUC3. SENZORI ]I TRADUC3. SENZORI ]I TRADUC3. SENZORI ]I TRADUCTOARE DISCRETE CU FITOARE DISCRETE CU FITOARE DISCRETE CU FITOARE DISCRETE CU FIBRE OPTICE BRE OPTICE BRE OPTICE BRE OPTICE 14141414

3.1 Senzori optoelectronici pentru m`rimi mecanice.3.1 Senzori optoelectronici pentru m`rimi mecanice.3.1 Senzori optoelectronici pentru m`rimi mecanice.3.1 Senzori optoelectronici pentru m`rimi mecanice. 14141414

3.1.1. Senzori pentru determinarea pozi\iei. 14

3.1.2 Senzori pentru determinarea nivelului 18

3.1.2. Senzori pentru m`surarea vitezei de rota\ie. 22

3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice 23232323

3.2.1. Senzori pentru m`surarea c@mpului magnetic. 23

3.2.2.Senzori pentru m`surarea c@mpului electric. 25

3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice 3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice 3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice 3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice 27272727

3.3.1.Senzori pentru m`surarea temperaturii. 27

3.3.2. Senzori pentru m`surarea presiunii. 35

3.3.3. Senzori pentru m`surarea debitului 41

3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice 44444444

3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici. 46464646

4. SENZORI ]I TRADUC4. SENZORI ]I TRADUC4. SENZORI ]I TRADUC4. SENZORI ]I TRADUCTOARE DISTRIBUITE CUTOARE DISTRIBUITE CUTOARE DISTRIBUITE CUTOARE DISTRIBUITE CU FIBRE OPTICEFIBRE OPTICEFIBRE OPTICEFIBRE OPTICE 48484848

4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice. 48484848

4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare. 50505050

4.3 Re4.3 Re4.3 Re4.3 Re\\\\ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici. 50505050

5. PERFORMAN5. PERFORMAN5. PERFORMAN5. PERFORMAN\\\\ELE M`SUR`RILOR ELE M`SUR`RILOR ELE M`SUR`RILOR ELE M`SUR`RILOR EFECTUATE CU SENZORIEFECTUATE CU SENZORIEFECTUATE CU SENZORIEFECTUATE CU SENZORI OPTOELECTRONICIOPTOELECTRONICIOPTOELECTRONICIOPTOELECTRONICI 53535353

5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici. 53535353

5.2 Concluzii5.2 Concluzii5.2 Concluzii5.2 Concluzii 56565656

BIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIE 57575757

4

1. Considera1. Considera1. Considera1. Considera\\\\ii generale.ii generale.ii generale.ii generale.

1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric.1.1. Scurt istoric.

Fizicianul englez John Tyndall a demonstrat pentru prima dat`,

principiul transmisiei luminii prin reflexie total` intern`. Experimentul

care a avut loc la Societatea Regal` din Londra [n anul 1870, a constat [n

iluminarea din interior a unui recipient plin cu ap`, prev`zut cu o gaur`

lateral`. Lumina a fost ghidat` de-a lungul traiectoriei curbe a jetului de

ap` ce ie]ea din recipient. A trecut mult timp p@n` c@nd aceast` idee a

fost pus` [n practic`, odat` cu apari\ia fibrelor optice.

{n anul 1966, Kao ]i Hockham demonstreaz` faptul c` lumina poate fi

ghidat` prin fibre sub\iri de sticl`. De]i primele fibre optice realizate

aveau atenu`ri de 1000 dB/km, datorit` progresului tehnologic rapid, [n

anul 1970,s-a ajuns la atenu`ri sub 20 dB/km. Ast`zi, se produc fibre

optice cu atenuare de numai 0,2 dB/km.

Datorit` interesului crescut [n domeniul telecomunica\iilor, [n scurt

timp au devenit disponibile, la pre\uri rezonabile, toate elementele

necesare transmisiei optice a informa\iei: surse optice, fotodetectoare,

fibre optice, corectoare.

Primele aplica\ii ale fibrelor optice [n domeniul senzorilor, au fost

adapt`ri ale metodelor clasice de m`sur`ri optice, oferind avantajul

plas`rii la distan\` a sursei optice, a detectorului ]i a blocului

electronic de prelucrare.

Primele solu\ii originale de senzori cu fibre optice apar la

jum`tatea anilor ‘70. Ace]ti senzori se bazau pe principiul intrinsec,

elementul sensibil fiind [ns`]i fibra optic`.

{n perioada 1976-1982, au fost [nregistrate numeroase patente de

senzori cu fibre optice, [n special cei cu modulare a intensit`\ii.

Un eveniment de seam` [n domeniul senzorilor cu fibre optice, a fost

Prima Conferin\` Interna\ional` de Senzori cu Fibre Optice, desf`]urat` la

Londra, [n anul 1983.

De]i la [nceput, pentru realizarea senzorilor cu fibre optice s-au

folosit materiale dezvoltate pentru telecomunica\ii, pe m`sur` ce s-au

dezvoltat aplica\iile [n domeniul senzorilor ]i traductoarelor

optoelectronice, s-a creat ]i o industrie dedicat` acestui domeniu.

{n prezent exist` numeroase variante de senzori optoelectronici, dar

orizontul acestui domeniu r`m@ne deschis [n continuare unor noi realiz`ri.

5

1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale.1.2. Orient`ri actuale.

{n ciuda num`rului mare de aplica\ii ap`rute, p`trunderea pe pia\` a

senzorilor optoelectronici se face mai lent. Unul din motive este

dezvoltarea [n paralel a altor categorii de senzori, [n special a

senzorilor microelectronici. Senzorii cu fibre optice sunt, [n unele

cazuri, mai scumpi dec@t cei pe care ar trebui s`-i [nlocuiasc` sau

prezint` probleme de linearitate ]i deriv` [n timp.

Cu toate acestea, dezvoltarea senzorilor optoelectronici continu`,

aplica\iile fiind utilizate [n special [n domeniul militar ]i aeronautic,

dar ]i [n medicin`.

Probabil c` senzorii optoelectronici nu vor [nlocui [n totalitate

senzorii electrici, dar ]i-au dovedit avantajele [n multe aplica\ii,

constituind [n continuare un obiectiv principal [n cercetarea metrologic`.

6

2. M`sur`ri efectuate prin metode optice2. M`sur`ri efectuate prin metode optice2. M`sur`ri efectuate prin metode optice2. M`sur`ri efectuate prin metode optice

2.1 2.1 2.1 2.1 M`rimi m`surabile prin metode optice.M`rimi m`surabile prin metode optice.M`rimi m`surabile prin metode optice.M`rimi m`surabile prin metode optice.

Cele ]ase forme de energie exploatabile [n domeniul senzorilor,

determin` categoriile de m`rimi m`surabile prin metode optice, dup` cum

urmeaz`:

1. M`rimi mecanice;

2. M`rimi electrice;

3. M`rimi magnetice;

4. M`rimi termice;

5. M`rimi chimice;

6. M`rimi de tip radiant.

Datorit` apari\iei unei mari variet`\i de senzori optoelectronici

pentru uz medical, se poate ad`uga o nou` categori de m`rimi m`surabile, ]i

anume:

7. M`rimi biologice.

Din punct de vedere energetic, m`rimile biologice nu sunt diferite de

categoriile men\ionate anterior, dar caracteristicile senzorilor utiliza\i

pentru m`surarea acestora difer`

considerabil de cele ale senzorilor pentru m`rimile de tip industrial.

2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare.2.2 Principii optice de m`surare.

M`rimea de m`surat ac\ioneaz` modific@nd propriet`\ile optice ale

mediului [n care se propag` radia\ia luminoas`.

Putem defini urm`toarele principii de ac\iune:

1. Propriet`\ile de ghidare ale fibrei optice;

2. Parametrii geometrici ]i cinematici ai mediului;

3. Absorb\ia material`;

4. Dispersiamaterial`;

5. {mpr`]tiereamaterial`;

6. Birefrigeren\a;

7. Luminescen\a;

8. Propriet`\ile suprafe\elor de separa\ie dintre dou` medii.

7

Propriet`\ile de ghidare ale fibrei optice.

Utilizarea fibrelor optice la realizarea senzorilor optoelectronici

a dus la dezvoltarea unei mari variet`\i constructive, bazate pe

modificarea propriet`\ilor de ghidare a radia\iei luminoase.

Puterea optic` colectat` de fibra optic` este propor\ional` cu

apertura sa numeric` ]i cu suprafa\a iluminat` a miezului.

P~AN³smiez (2.1)

unde apertura numeric` AN este o constant` a fibrei optice ]i se

exprim` astfel:

AN n n n= − = ⋅1

222

0 sin limθ (2.2)

unde:

- n1 este indicele de refrac\ie al [nveli]ului;

- n2 este indicele de refrac\ie al miezului;

- n0 este indicele de refrac\ie al mediului;

-

θlim

este unghiul maxim de inciden\` al unui fascicul luminos la

suprafa\a miezului, [ntr-o sec\iune a fibrei optice, pentru care are loc

transmisia.

Modificarea puterii optice colectate de fibra optic` se poate realiza

prin modificarea suprafe\ei iluminate a miezului fibrei, s, sau a unghiului

de inciden\` a fasciculului luminos, θi, (pentru valori ale acestuia mai

mici dec@t θlim

) .

Exist` un num`r finit de moduri cuplate la fibra optic`, determinat

de rela\ia:

N

V r k k= =

−2 212

22

2 2

( ) (2.3)

unde:

-V este frecven\a normalizat`;

-k1 este num`rul de und` (modulul vectorului de und`) al miezului;

-k2 este num`rul de und` (modulul vectorului de und`) al [nveli]ului;

Puterea optic` se reg`se]te [n acest num`r de moduri cuplate la fibra

optic`. Aceste propriet`\i stau la baza senzorilor cu fibre optice

extrinseci.

Prin curbarea fibrei apare o atenuare, datorat` transform`rii

modurilor ghidate [n moduri radiative.

8

{n acest caz, o parte din energie se pierde prin refrac\ie [n zona de

curbur` a [nveli]ului fibrei optice.

Atenuarea, A, datorat` acestui fenomen poate fi exprimat` prin

rela\ia:

A e= −αφ

(2.4)

[n care:

-φ este distan\a unghiular` de-a lungul fibrei; -α este un coeficient de atenuare adimensional, exprimat astfel:

α θ θθ θ

= −− −

kr ec

kr c

02 2

23 0

2 23

2

( )( )

(2.5)

unde:

-k este num`rul de und`;

-r0 este raza de curbur` a fibrei optice m`surat` p@n` la interfa\a

miez-[nveli] opus` centrului de curbur`;

-

θc este complementul unghiului critic [n miez;

-

θ este unghiul f`cut de fasciculul luminos cu tangenta la curb` pe

suprafa\a de separa\ie opus` centrului de curbur`.

Modificarea puterii optice transmise prin fibra optic` se poate

realiza prin modificarea razei de curbur` a fibrei, r0

, sau a distan\ei

unghiulare, q. Acest fenomen st` la baza senzorilor cu microcurburi.

Parametrii geometrici ]i cinematici ai mediului.

Lungimea parcursului radia\iei luminoase [n zona activ`, este un

parametru geometric ce apare [n numeroase rela\ii ce descriu interac\iunea

cu mediul.

Parametrii cinematici ai mediului sunt eviden\ia\i de dou` efecte:

- efectul Doppler-Fizeau, const@nd [n modificarea lungimii de und`

rereceptate atunci c@nd sursa ]i receptorul se deplaseaz` unul fa\` de

cel`lalt cu viteza v.

-efectul Sagnac, const@nd [n apari\ia unei diferen\e frecven\` ]i

respectiv, de faz`, [ntre dou` unde care se propag` [n sensuri contrare pe

un traseu circular, atunci c@nd receptorul se rote]te cu viteza tangen\ial`

v.

Absorb\ia ]i dispersia material`.

Ca urmare a propag`rii [ntr-un mediu real, radia\ia luminoas` emis`

de o surs` optic` []i modific` parametrii, datorit` interac\iunii acesteia

cu mediul.

9

O und` liniar polarizat` care se propag` [ntr-un mediu linear ]i

omogen dup` direc\ia z , poate fi descris` astfel:

E a e tn

czx

cz

= ⋅ −

−

ωδ

ωcos (2.6)

( )H a n e tn

czy

cz

= + ⋅ −

−

−

2 21

2δ ω ϕωδ

cos (2.7)

Vectorul Poynting, sz, asociat acesteia, este:

S Sna

ezc

z

= =−

2 2

2

ωδ

(2.8)

unde:

- n este indicele de refrac\ie ce caracterizeaz` propriet`\ile de

dispersie ale mediului;

-

δ este coeficientul de extinc\ie ce caracterizeaz` propriet`\ile

de absorb\ie ale mediului.

{n concluzie, varia\ia indicelui de refrac\ie la distan\a z pe

direc\ia de propagare determin` modificarea fazei ]i a energiei, iar

modificarea coeficientului de extinc\ie conduce la modificarea amplitudinii

]i energiei undei.

Propriet`\ile de absorb\ie sunt utilizate pentru realizarea

senzorilor cu fibre optice extrinseci, [n special pentru m`surarea

concentra\iei unor substan\e [n stare lichid` sau gazoas`.

Propriet`\ile de dispersie ale mediului sunt utilizate pentru

realizarea senzorilor interferometrici. Ca urmare a modific`rii indicelui

de refrac\ie, n, [n unul din bra\ele interferometrului cu fibre optice,

viteza luminii se modific` astfel:

v = c

n (2.9)

{n acest caz, modificarea diferen\ei de faz` duce la schimbarea

franjelor de interferen\`.

{mpr`]tierea material`.

Impr`]ierea se produce ca rezultat al excit`rii particulelordin mediu

(electroni, molecule, impurit`\i) de c`tre radia\ia incident`, ]i const` [n

radia\ia [n toate direc\iile a unui procentaj din energia incident`.

Fenomenul de [mpr`]tiere depinde de raportul dintre dimensiunea

particulelor, d ]i lungimea de und` a radia\iei luminoase, λ , devenind m`surabil de la valori ale raportului d/λ=1/10 ([mpr`]tiere Rayleigh).

10

Birefringen\a.

Mediile optice anizotrope prezint` fenomenul de birefringen\`, care

const` [n existen\a simultan` a dou` unde linear polarizate, ce se propag`

cu viteze diferite [ntr-o direc\ie dat`. Birefringen\a poate fi permanent`

sau indus`, aceasta di urm` fiind produs` de urm`toarele efecte optice:

- efectul electrooptic linear (Pockels) ]i p`tratic (Kerr), const@nd

[n apari\ia sau modificarea birefringen\ei unui cristal [n prezen\a unui

c@mp electric;

- efectul Faraday, const@nd [n rotirea planului de polarizare al unei

unde liniar polarizate, [n prezen\a unui c@mp magnetic paralel cu direc\ia

de propagare a luminii;

- efectul Voight (Cotton-Mouton), const@nd [n apari\ia birefringen\ei

lineare, atunci c@nd direc\ia de propagare a luminii este perpendicular` pe

direc\ia magnetiza\iei mediului;

- efectul Kerr magneto-optic, const@nd [n modificarea st`rii de

polarizare a luminii reflectate de un mediu magnetic;

- efectul elasto-optic, const@nd [n apari\ia birefringen\ei unui corp

transparent supus la efort.

Luminescen\a ]i radia\ia corpului negru.

Fotoluminescen\a este fenomenul de emisie luminoas`, bazat pe

dezexcitarea unui sistem atomic excitat [n urma absorb\iei unei radia\ii

luminoase.

Utilizarea radia\iei corpului negru se bazeaz` pe dependen\a de

temperatur` a spectrului acesteia.

Propriet`\ile suprafe\elor de separa\ie.

La suprafa\a de separa\ie dintre dou` medii dielectrice omogene, cu

propriet`\i optice diferite, au loc fenomene de reflexie ]i refrac\ie.

Acestea depind de modificarea unghiului de refrac\ie al unui mediu, sau de

modificarea unghiului de inciden\`.

2.3 Structura senzorilor optoelectronici.2.3 Structura senzorilor optoelectronici.2.3 Structura senzorilor optoelectronici.2.3 Structura senzorilor optoelectronici.

Dup` cum s-a ar`tat, exist` o mare varietate de m`rimi m`surabile

prin intermediul senzorilor optoelectronici. Ca urmare exist` diverse

structuri ale senzorilor optoelectronici. Cu toate acestea, se poate

11

prezenta o structur` general` a senzorilor optoelectronici, ce poate fi

particularizat` [n func\ie de aplica\ia concret`.

Pot fi delimitate dou` sec\iuni ale senzorilor optoelectronici:

sec\iunea optic` ]i sec\iunea electronic`.

La r@ndul ei, sec\iunea electronic` are dou` subsec\iuni: de intrare

]i de ie]ire. Delimitarea acestora este realizat` de c`tre dou` interfe\e:

interfa\a electro-optic` ]i interfa\a opto-electronic`. Acestea asigur`

cuplarea emi\`torului optic la fibra optic`, respectiv cuplarea fibrei

optice la receptorul optic.

{n figura 2.1 este prezentat` structura senzorului optoelectronic.

Figura 2.1. Structura general` a senzorului optoelectronic.

Sec\iunea electronic` de intrare este alc`tuit` din sursa electric`,

al c`rei rol este de a alimenta ]i a modula emi\`torul optic.

{n sec\iunea optic` exist` o zon` activ` asupra c`reia va ac\iona

m`rimea de m`surat produc@nd modific`ri ale propag`rii radia\iei luminoase.

Zona activ` poate fi o por\iune a fibrei optice sau un alt mediu optic, [n

exteriorul fibrei. Din acest motiv se prefer` denumirea "senzor cu fibre

optice" [n locul altor variante, cum ar fi "senzor optic" sau "senzor din

fibre optice".

Propagarea radia\iei luminoase de la emi\`torul optic p@n` la zona

activ` ]i mai departe p@n` la receptorul optic, este realizat` cu fibre

optice.

2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.2.4. Criterii de clasificare a senzorilor optoelectronici.

Datorit` diversit`\ii mari a senzorilor optoelectronici ]i a

aplica\iilor acestora, autorii primelor articole de prezentare in domeniu

12

au utilizat criterii mai mult sau mai pu\in generale. Cu timpul, unele

dintre aceste creiterii au c`p`tat o acceptare mai larg`.

Men\ion`m [n acest sens urm`toarele criterii de clasificare:

1. Criteriul localiz`rii procesului de interac\iune dintre m`rimea de

m`surat ]i radia\ia optic`, eviden\iind urm`toarele categorii de senzori

optoelectronici:

- intrinseci - interac\iunea are loc [n fibra optic`;

- extrinseci - interac\iunea are loc [n afara fibrei optice;

- evanescen\i - interac\iunea are loc [n apropierea miezului fibrei

optice.

2. Criteriul patrametrilor radia\iei optice modulate, determin@nd

urm`toarele categorii de senzori optoelectronici:

- cu modularea amplitudinii (intensit`\ii);

- cu modularea fazei (interferometrici);

- cu modularea frecven\ei;

- cu modularea st`rii de polarizare.

O clasificare sitematic` a senzorilor optoelectronici se poate face

utiliz@nd un sistem de clasificare dublu tridimensional, cu ]ase criterii

de clasificare, organizate pe dou` niveluri de prioritate. Primul nivel de

prioritate con\ine trei criterii cu caracter general:

- tipul m`rimii de intrare:

- localizarea interac\iunii dintre m`rimea de m`surat ]i radia\ia

optic`;

- modalitatea de interac\iune cu radia\ia optic`.

Se poate realiza astfel o structur` de re\ea tridimensional`

ortogonal`, care define]te spa\iul senzorilor optoelectronici.

Al doilea nivel de prioritate grupeaz` alte trei criterii, cu

caracter preponderent tehnologic:

- parametrul modulat al radia\iei optice;

- tipul fibrei optice;

- tipul sursei optice.

Se poate defini astfel o reprezentare spa\ial` cubic`, numit` cubul

tehnologic.

Structura sistemului dublu tridimensional de clasificare a senzorilor

cu fibre optice este urm`toarea:

Nivelul 1 - Spa\iul senzorilor cu fibre optice

A1

Tipul m`rimii de intrare

13

C11

M`rimi mecanice

C12

M`rimi electrice

C13

M`rimi magnetice

C14

M`rimi termice

C15

M`rimi chimice

C16

M`rimi de tip radiant

C17

M`rimi biologice

A2

Localizarea interac\iunii dintre m`rimea de m`surat ]i radia\ia

optic`

C21

Senzori extrinseci

C22

Senzori intriseci direc\i

C23

Senzori intriseci indirec\i

C24

Senzori evanescen\i

A3

Modalitatea de interac\iune cu radia\ia optic`

C31

Propriet`\ile de ghidare ale fibrei optice

C32

Parametrii geometrici ]i cinematici ai mediului

C33

Absorb\ia material`

C34

Dispersia material`

C35

Impra]tierea material`

C36

Birefrigeren\a

C37

Luminescen\a si radia\ia corpului negru

C38

Propriet`\ile suprafe\elor de separa\ie [ntre dou` medii

Nivelul 2 - Cubul tehnologic

A4

Parametrul modulat al radia\iei optice

C41

Amplitudinea (intensitatea)

C42

Faza

C43

Lungimea de und`

C44

Starea de polarizare

A5

Tipul fibrei optice

C51

Fibre monomod

C52

Fibre cu doua moduri

C53

Fibre multimod

C54

Fibre cu disimetrie radiala

C55

Fibre speciale

A6

Tipul sursei optice

C61

Surse laser monomod

C62

Surse optice cu dou` moduri de emisie

14

C63

Surse optice cu mai multe moduri

C64

Surse cu spectru continuu de band` ingust`

C65

Surse cu spectru continuu de band` larg`

Acest sistem de clasificare are, pentru ambele niveluri de

prioritate, un caracter global ]i deschis [n acela]i timp.

15

3. Senzori ]i traductoare discrete cu fibre optice3. Senzori ]i traductoare discrete cu fibre optice3. Senzori ]i traductoare discrete cu fibre optice3. Senzori ]i traductoare discrete cu fibre optice

3.1 Senzori 3.1 Senzori 3.1 Senzori 3.1 Senzori optoelectronici pentru m`rimi mecanice.optoelectronici pentru m`rimi mecanice.optoelectronici pentru m`rimi mecanice.optoelectronici pentru m`rimi mecanice.

3.1.1. Senzori pentru determinarea pozi3.1.1. Senzori pentru determinarea pozi3.1.1. Senzori pentru determinarea pozi3.1.1. Senzori pentru determinarea pozi\\\\iei.iei.iei.iei.

Pentru determinarea pozi\iei sunt utiliza\i senzori baza\i pe

urm`toarele principii:

- principiul reflexiei

- principiul microcurburilor.

Principiul reflexiei.

Senzorul cu fibre optice este alc`tuit din dou` bra\e, unul

transmi\`tor ]i unul receptor. Intensitatea radia\iei luminoase reflectate,

depinde de distan\a p@n` la suprafa\a reflectant`. Configura\ia senzorului

este prezentat` [n figura 3.1.

Figu

ra 3.1.

Senzor cu

fibre

optice

prin

reflexie.

Pe

m`sur` ce

distan\a

de la

cap`tul

senzorului la suprafa\a reflectant` cre]te, intensitatea radia\iei

luminoase reflectate este propor\ional` cu R, iar dup` atingerea unui

maxim, dependen\a este de forma 1/R

2

.

Pentru a [mbun`t`\i performan\ele senzorilor cu fibre optice prin

reflexie, se pot utiliza m`nunchiuri de fibre cu diferite configura\ii ale

fibrelor optice transmi\`toare ]i receptoare. Dintre aceste configura\ii

amintim:

- pereche de fibre optice

- fibr` optic` unic`

16

- coaxial`

- semisferic`

- aleatoare.

De asemenea, se pot [mbun`t`\ii performan\ele pri ad`ugarea unor

lentile [ntre senzor ]i suprafa\a reflectant` sau prin utilizarea unei

perechi de senzori pentru m`surare diferen\ial`, ca [n figura 3.2.

Figura 3.2. Senzor pentru m`surarea diferen\ial` a distan\ei

De]i sepot ob\ine sensibilit`\i de ordinul a 25 µm, gama dinamic` este limitat` la 5mm. Prin utilizarea lentilelor, aceasta poate fi extins`

la aproximativ 150mm, dar [n acest caz, sensibilitatea se va reduce

corespunz`tor.

Senzorii cu fibre optice pentru determinarea pozi\iei sunt sensibili

]i la rotirea suprafe\ei reflectante. Se pot determina unghiuri de +/- 5

O

fa\a de normala la suprafa\`, cu o precizie de +/- 3%.

De]i avantajul major al acestui tip de senzor este faptul c` nu este

necesar contactul cu suprafa\a, pentru a putea m`sura, exist` situa\ii [n

care, pentru a evita modificarea nedorit` a reflectivit`\ii suprafe\ei, se

utilizeaz` un sistem [nchis, ca [n figura 3.3.

Figura 3.3. Traductor de pozi\ie [n variant` optic`.

17

Palpatorul aflat [n contact cu suprafa\a, este solidar cu oglinda

plasat` [n fa\a fibrei optice.

Senzorii cu fibre optice prin reflexie au o gam` larg` de aplica\ii,

dintre care amintim: m`surarea deplas`rii axiale ]i a rotirii, determinarea

proximit`\ii ]i a excentricit`\ii, precum ]i a vibra\iilor.

Principiul microcurburilor.

Parametrii care influen\eaz` pierderile prin microcurburi [n cazul

fibrelor optice, sunt: apertura numeric`, dimensiunile miezului ]i ale

[nveli]ului, ]i periodicitatea punctelor [n care are loc curbarea.

Traductoarele cu microcurburi se bazeaz` pe transformarea modurilor

cuplate [n moduri radiative, ceea ce duce la o pierdere de energie

corespunz`toare. Fenomenul este prezentat [n figura 3.4.

Figura 3.4. Pierderea de energie ap`rut` ca urmare a microcurburilor.

Exist` dou` categorii de senzori baza\i pe principiul

microcurburilor: cu c@mp luminos ]i cu c@mp [ntunecat.

Senzorii cu c@mp luminos, a c`ror configura\ie este prezentat` [n

figura 3.5., m`soar` intensitatea radia\iei transmise prin fibra optic`,

modificarea fiind asociat` pierderilor prin microcurburi.

18

Figura 3.5. Configura\ia senzorului cu microcurburi cu c@mp luminos.

Senzorii cu c@mp [ntunecat, cum este cel prezentat [n figura 3.6.,

m`soar` intensitatea radia\iei care se pierde prin [nveli]ul fibrei.

Determinarea pozi\iei este posibil` utiliz@nd senzori cu

microcurburi, la care dispozitivul se afl` [n contact cu suprafa\a

obiectului supravegheat. Preciziile de m`surare sunt limitate la 1%, ca

urmare a fenomenului de curgere a [nveli]ului, ce poate s` apar` ca urmare

a sarcinilor mari sau a temperaturii crescute.

Figura 3.6. Configura\ia senzorului cu microcurburi cu c@mp

[ntunecat.

19

{n configura\ia din figura 3.7.a., fibra optic` ]i dispozitivul de

formare sunt plasate pe suprafa\a obiectului supravegheat.

Figura 3.7. Configura\ii ale senzorilor cu microcurburi pentru

m`surarea tensiunilor mecanice.

{n figura 3.7.b., fibra este lipit` pe suprafa\a obiectului

supravegheat.

3.1.2 Senzori pentru determinarea nivelului3.1.2 Senzori pentru determinarea nivelului3.1.2 Senzori pentru determinarea nivelului3.1.2 Senzori pentru determinarea nivelului

Nivelul unui lichid [ntr-o incint` poate fi determinat prin metode

directe, [n cazul lichidelor transparente ]i curate, sau indirecte, [n

cazul lichidelor sau pulberilor care pot murd`ri partea optic` a

senzorului.

Senzorii optoelectronici pentru determinarea nivelului se bazeaz` pe

urm`toarele metode:

- ferestre de sticl`;

- m`surarea for\ei;

- m`surarea presiunii hidrostatice;

- suprafe\e reflectante;

- modificarea indicelui de refrac\ie.

Metoda ferestrelor de sticl`.

20

Un senzor cu fereastr` de sticl` pasiv pentru determinarea nivelului

se bazeaz` pe modificarea culorii [n prezen\a apei. Utiliz@nd un iluminator

de culoare ro]ie, se poate determina nivelul apei, ]tiind ca aceasta

produce refrac\ia luminii ro]ii, transmi\@nd lumina verde.

Prin intermediul fibrelor optice, informa\ia de culoare poate fi

transmis` c`tre un afi]aj aflat la distan\`.

O alt` variant` de senzor cu ferestre de sticl` pentru determinarea

nivelului, utilizeaz` mai mul\i senzori cu fibre optice prin transmisie,

lichidul [ntrerup@nd c`ile optice ale acestora.

Metoda m`sur`rii for\ei.

Prin intermediul unui plutitor se poate determina nivelul utiliz@nd senzori

cu fibre optice prin reflexie, figura 3.8.a, sau prin transmisie figura

3.8.b.

a) b)

Figura 3.8 Senzori pentru determinarea nivelului unui lichid.

Acest tip de senzori este utilizat pentru determinarea nivelului

maxim al lichidului.

Supravegherea continu` a nivelului poate fi f`cut` utiliz@nd un

senzor cu fibre optice prin reflexie pentru determinarea distan\ei p@n` la

o suprafa\` reflectant` solidar` cu plutitorul. Senzorul este prezentat [n

figura 3.9.

21

Figu

ra

3.9.

Dete

rmin

area

nive

lulu

i

unui

lich

id

util

iz@n

d un

senz

or

cu

fibr

e

opti

ce

prin

refl

exie.

Metoda m`sur`rii presiunii hidrostatice.

Presiunea hidrostatic` este propor\ional` cu nivelul lichidului

dintr-o incint`. M`sur@nd presiunea hidrostatic`, se poate determina

nivelul lichidului [ntr-o incint` nepresurizat`. Senzorul este prezentat [n

figura 3.10.

22

Figura 3.10. Determinarea nivelului unui lichid utiliz@nd un

traductor de presiune.

Pentru determinarea nivelului lichidului [ntr-o incint` presurizat`,

se utilizeaz` un al doilea senzor pentru a efectua o m`surare diferen\ial`

a presiunii, ca [n figura 3.11.

Figu

ra

3.11

.

Dete

rmin

area

nive

lulu

i

unui

lich

id

[ntr

o incint` presurizat`.

Metoda suprafe\elor reflectante.

Reflectarea radia\iei luminoase pe suprafa\a lichidului permite

determinarea nivelului, utiliz@nd mai multe fibre receptoare.

Metoda modific`rii indicelui de refrac\ie.

23

Senzorii pentru determinarea nivelului baza\i pe modificarea

indicelui de refrac\ie transmit radia\ia luminoas` unei prisme [n care are

loc reflexia total` [n cazul [n care prisma se afl` [n aer.

{n cazul imers`rii, radia\ia luminoas` este transmis` lichidului.

Senzorul din figura 3.12 permite detectarea prezen\ei sau absen\ei

lichidului.

a) b)

Figura 3.11. Senzor pentru determinarea nivelului bazat pe

modificarea indicelui de refrac\ie.

3.1.2. Senzori pentru m`surarea vitezei de rota3.1.2. Senzori pentru m`surarea vitezei de rota3.1.2. Senzori pentru m`surarea vitezei de rota3.1.2. Senzori pentru m`surarea vitezei de rota\\\\ie.ie.ie.ie.

Senzorii pentru m`surarea vitezei unghiulare se bazeaz` pe efectul

Sagnac, utiliz@nd o tehnic` interferometric`.

Radia\ia luminoas` ini\ial` este separat` [n dou` componente care se

propag` prin fibrele optice [nf`]urate [n sens trigonometric, respectiv

invers trigonometric.

24

Figura 3.13. Senzor pentru m`surarea vitezei de rota\ie bazat pe

efectul Sagnac.

C@nd fibra optic` se rote]te [n sens trigonometric, propagarea

radia\iei luminoase [n sensul trigonometric are loc [ntr-un timp mai lung,

iar [n sens invers trigonometric, corespunz`tor, [ntr-un timp mai scurt.

Diferen\a [ntre drumurile optice creaz` o diferen\` de faz`,

detectat` la ie]irea interferometrului Sagnac.

Pentru aplica\ii cu gam` dinamic`, sensibilitate ]i deriv` medii, se

utilizeaz` configura\ii numite giroscoape analogice, la care se realizeaz`

un decalaj de faz` intre cele dou` componente ale radia\iei luminoase.

Giroscoapele analogice au o gam` dinamic` de 10

3

- 10

5

, cu o precizie de

0,3% p@na la 3%.

Giroscoapele digitale sunt utilizate pentru aplica\ii care necesit`

gam` dinamic` ]i sensibilitate mari ]i deriv` sc`zut`. {n cazul acestor

configura\ii se realizeaz` un decalaj de frecven\` [ntre cele dou`

componente ale radia\iei luminoase. Gama dinamic` ob\inut` este de 10

8

, iar

precizia este de 0,03%.

Sensibilitatea ob\inut` este [ntre 1

O

/or` ]i 0,01

O

/or`.

3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice3.2 Senzori optoelectronici pentru m`rimi magnetice ]i electrice

25

3.2.1. Senzori pentru m`surarea c@mp3.2.1. Senzori pentru m`surarea c@mp3.2.1. Senzori pentru m`surarea c@mp3.2.1. Senzori pentru m`surarea c@mpului magnetic.ului magnetic.ului magnetic.ului magnetic.

Principiul modul`rii intensit`\ii.

Cu ajutorul unui senzor cu fibre optice prin transmisie se poate

m`sura c@mpul magnetic ]i se poate determina curentul, dac` [n calea optic`

este plasat un material magneto-optic.

Senzorul prezentat [n figura 3.14. utilizeaz` un material magneto-

optic plasat [ntre cele dou` fibre optice.

Figura 3.14. Senzor pentru m`surarea c@mpului magnetic ce utilizeaz`

un material magneto-optic.

Domeniul de m`sur` a curentului este [ntre 100 A ]i 15 kA cu o

precizie de 1%.

{n figura 3.15. este prezentat un senzor intrinsec, materialul fiind

[ncorporat [n fibra optic`.

Figura 3.15. Senzor intrinsec pentru m`surarea c@mpului magnetic.

26

Datorit` efectului Faraday, [n materialele magneto-optice apare o

modificare a indicelui de refrac\iedescris` de ecua\ia urm`toare:

nR

-nL

=λH (3.1)

unde:

- nR

este indicele de refrac\ie al luminii cu polarizare circular`

dreapta;

- nL

este indicele de refrac\ie al luminii cu polarizare circular`

st@nga;

- λ este lungimea de und` a radia\iei luminoase; - H este intensitatea c@mpului magnetic;

- V este constanta Verdet.

Rotirea planului de polarizare [n prezen\a c@mpului magnetic,

realizeaz` modularea intensit`\ii radia\iei luminoase.

Pentru m`surarea curen\ilor mici se utilizeaz` o fibr` optic`

acoperit` cu o c`ma]` de aluminiu, bobinat` pe un suport. Dac` prin c`ma]`

trece un curent ]i ansamblul este plasat [ntr-un c@mp magnetic, atunci

for\a magnetic` produce micro curburi ale fibrei optice.

3.2.2.Senzori pent3.2.2.Senzori pent3.2.2.Senzori pent3.2.2.Senzori pentru m`surarea c@mpului electric.ru m`surarea c@mpului electric.ru m`surarea c@mpului electric.ru m`surarea c@mpului electric.

Principiul modul`rii intensit`\ii.

C@mpul electric se poate m`sura plas@nd un material electro-optic [n

calea optic` a unui senzor cu fibre optice prin transmisie. Nu exist`

materiale care, [ncorporate [n fibra optic`, s` dea un efect intrinsec.

Senzorii pentru m`surarea c@mpului electric utilizeaz` cristale electro-

optice care prezint` efect Pockels sau efect Kerr. Indicele de refrac\ie se

modific` direct propor\ional cu c@mpul electric aplicat [n cazul efectului

Pockels ]i p`tratic [n cazul efectului Kerr. {n figura 3.16. este prezentat

un senzor prin transmisie cu efect Pockels.

27

Figura 3.16. Senzor pentru m`surarea c@mpului electric ce utilizeaz` un

material electro-optic.

Se utilizeaz` o radia\ie luminoas` plan polarizat`. {n prezen\a

c@mpului electric, undele perpendicular polarizate se propag` cu viteze

diferite datorit` modific`rii indicelui de refrac\ie asociat efectului

Pockels. Folosind o lam` sfert de und`, diferen\a de faz` creat` rote]te

planul de polarizare. Intensitatea radia\iei luminoase transmise este dat`

de rela\ia:

I=I0

(1+sinV/V0

) (3.2)

unde:

- I0

este intensitatea radia\iei luminoase la intrare;

- V0

este o constant` a materialului Pockels;

- V este tensiunea aplicat`.

C@mpul electric poate fi m`surat ]i cu ajutorul unui senzor cu fibre

optice prin reflexie, [n fa\a c`ruia este plasat un element piezoelectric

pe care se afl` fixat` o oglind`. {n prezen\a c@mpului electric, elementul

piezoelectric deplaseaz` oglinda propor\ional cu tensiunea aplicat`. {n

figura 3.17. este prezentat un astfel de senzor:

28

Figura 3.17. Senzor pentru m`surarea tensiunii ce utilizeaz` un

element piezoelectric.

Un electroscop cu fibre optice este prezentat [n figura 3.18. Fibrele

optice sunt acoperite cu o c`ma]` sub\ire dintr-un material conductor. La

aplicarea unui c@mp electric, fibrele se [ndep`rteaz` produc@nd o sc`dere a

radia\iei luminoase reflectate.

Figura 3.18. Electroscop cu fibre optice.

Principiul modul`rii fazei.

C@mpul electric se poate m`sura utiliz@nd un material piezoelectric

care ac\ioneaz` asupra fibrei optice sensibile dintr-un interferometru

Mach-Zender.

Fibra optic` sensibil` poate fi acoperit` cu o c`ma]`, poate fi

lipsit` sau [nglobat` [ntr-o por\iune din materialul piezoelectric, sau

poate fi [nf`]urat` pe un suport din materialul respectiv.

29

Valoarea minim` a c@mpului electric detectabil este 4µV/m, utiliz@nd o fibr` optic` sensibil` cu lungimea de 1km.

3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice3.3 Senzori optoelectronici pentru m`rimi fizice

3.3.1.Senzori pentru m`surarea temperaturii.3.3.1.Senzori pentru m`surarea temperaturii.3.3.1.Senzori pentru m`surarea temperaturii.3.3.1.Senzori pentru m`surarea temperaturii.

Mai multe principii de m`surare ce utilizeaz` fibrele optice au

fost aplicate pentru m`surarea temperaturii. Dintre acestea enumer`m

principiile: reflectivit`\ii, microcurburilor, intrinsec, modul`rii

intensit`\ii, modul`rii fazei.

Principiul reflectivit`\ii.

Senzorii baza\i pe principiul reflectivit`\ii pot determina

pozi\ia cu o acurate\e foarte mare. {n figura 3.19. este prezentat un

senzor alc`tuit dintr-un element bimetalic ata]at ca traductor unui aparat

de prob` bazat pe principiul reflectivit`\ii, ce utilizeaz` dou` fibre

optice.

Elementul bimetalic poate fi proiectat astfel [nc@t s` ac\ioneze

rapid la o temperatur` precizat`, deplas@ndu-se rapid spre capul de prob`,

ob\in@ndu-se astfel o comutare la temperatura dorit`.

Elementul poate fi deasemenea proiectat pentru o deplasare

continu`, astfel [nc@t s` furnizeze o informa\ie propor\ional` cu

temperatura, [ntr-un mod analogic.

Curba de r`spuns este linear` [n domeniul 25-200o C.

30

Figura 3.19. Senzor de temperatur` cu fibre optice bazat pe

fenomenul de reflectivitate, utiliz@nd un traductor bimetalic.

O alt` variant` de senzor pentru m`surarea temperaturii ce

utilizeaz` principiul dilat`rii termice diferen\iale este prezentat` [n

figura 3.20. Aluminiul ]i siliciul, ale c`ror caracteristici de dilatare

sunt foarte diferite, sunt folosite pentru a reflecta radia\ia luminoas`.

Franjele de interferen\` create astfel sunt num`rate, ob\in@ndu-se o

indica\ie digital` a temperaturii.

Figura 3.20. Senzor de temperatur` cu fibre optice bazat pe

fenomenul de reflectivitate, utiliz@nd principiul dilat`rii termice

diferen\iale.

Materialele sensibile la temperatur` pot fi plasate [n calea

optic` a unui cap de prob` bazat pe principiul reflectivit`\ii. O mare

varietate de materiale pot fi utilizate pentru m`surarea temperaturii:

cristalele lichide, materiale birefringente, materiale

semiconductoare,materiale fluorescente ]i alte materiale care []i modific`

r`spunsul spectral.

Cristalele lichide prezint` modific`ri ale culorii sau ale

reflectivit`\ii pentru o anumit` lungime de und`, datorat` schimb`rii

temperaturii. Radia\ia luminoas` este reflectat` de c`tre cristalul lichid.

Intensitatea radia\iei luminoase reflectate este func\ie de temperatur`.

Gama de temperaturi este limitat` la 35-50o C, dar cu o precizie de 0,1

o C.

Acest lucru limiteaz` aplica\iile la monitorizarea proceselor biologice.

Cristalele birefringente sunt materiale cristaline optic transparente, ale

c`ror indici de refrac\ie difer` pentru unde luminoase perpendicular

31

polarizate. Radia\ia luminoas` este transportat` printr-o fibr` optic`

transmi\`toare ]i trece printr-un polarizor, [nainte de a ajunge la

cristal. Radia\ia luminoas` reflectat` de oglind` se [ntoarce prin cristal,

prin polarizor ]i prin fibra optic` receptoare, la detector.

Figura 3.21 prezint` un senzor de temperatur` bazat pe

reflectivitate, ce utilizeaz` un cristal birefringent.

Figura 3.21. Senzor pentru m`surarea temperaturii ce utilizeaz` un

cristal birefringent.

Exist` materiale ai c`ror indici de refrac\ie ]i a c`ror

birefringen\` depind puternic de temperatur`. Schimbarea net` a

birefringen\ei modific` intensitatea radia\iei luminoase recep\ionate,

propor\ional cu temperatura. Acest tip de senzor este limitat la gama de

temperaturi ale proceselor biologice.

O alt` variant` utilizeaz` cristale semiconductoare. M`surarea

temperaturii se bazeaz` pe dependen\a de temperatur` a absorb\iei radia\iei

infraro]ii [n cristale ca GaAs. Acest tip de senzor are o precizie bun`,

dar este limitat la valori sub 47oC.

Un alt principiu bazat pe reflectivitate este modularea spectral`.

Elementul sensibil activeaz` o oglind` spectral`, a c`rei reflectivitate

difer` [n func\ie de lungimea de und` a radia\iei luminoase.

Figura 3.22 prezint` configura\ia unui senzor bazat pe principiul

modul`rii spectrale.

Elementul sensibil este un material al c`rui indice de refrac\ie

se modific` puternic cu temperatura. Radia\ia luminoas` parcurge drumul

dus-[ntors prin acest element, fiind reflectat` de o oglind` sta\ionar`.

Spre deosebire de senzorii cu element bimetalic, [n acest caz nu exist`

deplasare, modificarea indicelui de refrac\ie duc@nd la modificarea

drumului optic, deci a r`spunsului spectral.

32

Figura 3.22. Senzor pentru m`surarea temperaturii bazat pe

modula\ie spectral`.

Datorit` dimensiunilor mici, acest senzor are o iner\ie termic`

sc`zut`, permi\@nd monitorizarea unor procese termice cu varia\ii rapide.

Rezolu\ia este aproximativ 1oC, pentru temperaturi p@n` la 400

oC, limita

superioar` a domeniului de m`sur` fiind dat` de [nveli]ul fibrei.

33

Figura 3.23 Senzor pentru m`surarea temperaturii bazat pe

fluorescen\`.

Un alt tip de senzor utilizeaz` ca element sensibil un material

fluorescent care absoarbe radia\ia luminoas` incident`, emi\@nd o radia\ie

fluorescent`. Configura\ia senzorului este prezentat` in figura 3.23.

Materialul utilizat este fosfor, excitat cu radia\ie ultraviolet`.

Spectrul emis este dependent de temperatur`. Principiul de func\ionare

const` [n m`surarea intensit`\ii relative a dou` linii spectrale emise.

Domeniul de m`sur` este de la -50oC p@n` la 250

oC, cu o precizie

de aproximativ 1oC. Pentru domenii mai restr@nse se pot ob\ine precizii de

0,1oC.

Principiul microcurburilor.

M`surarea temperaturii utiliz@nd microcurburile unei fibre optice

se bazeaz` pe modificarea diferen\ei [ntre indicii de refrac\ie ai miezului

]i [nveli]ul fibrei cu temperatura, ceea ce duce la modificarea pierderilor

[n fibra optic` [ndoit`.

Pentru a ob\ine un efect termic pronu\at, se utilizeaz` fibre

optice cu [nveli]ul din polimeri, ai c`ror indici de refrac\ie depind de

temperatur` mult mai puternic dec@t cel al miezului de sticl`.

34

Se pot utiliza ]i fibre cu miezul ]i [nveli]ul din diferite tipuri

de sticl`, caracteristicile indicilor de refrac\ie ale acestora

intersect@ndu-se la o anumit` temperatur`. {n acest punct senzorul

ac\ioneaz` ca un comutator dependent de temperatur`.

M`surarea temperaturii se poate realiza prin modificarea razei

microcurburilor utiliz@nd un mecanism de [ndoire cu un coeficient termic de

dilatare mare.

{n figura 3.24 sunt prezentate mai multe variante ale acestui tip de

senzori.

Figura 3.24. Senzori pentru m`surarea temperaturii cu

microcurburi.

Fibra optic` este r`sucit` peste un suport care se dilat` sau se

contract` (a), este [ndoit` [ntr-un singur punct care asigur` o deplasare

suficient` cu temperatura (b), sau este lipit` pe un material a c`rui

dilatare lateral` va modifica curbarea fibrei, asem`n`tor unei m`rci

tensometrice (c).

Principiul intrinsec

Senzorii optoelectronici la care procesul de m`surare are loc [n

fibra optic` ([n miez, [n [nveli] sau [n [mbr`c`mintea de protec\ie), se

numesc intrinseci ]i implic` fenomenul de absorb\ie.

Intensitatea radia\iei luminoase transmise prin fibr` este

propor\ional` cu temperatura mediului.

35

Sticla dopat` cu neodim sau europiu prezint` spectre de absorb\ie

dependente de temperatur`. Determinarea intensit`\ii radia\iei luminoase cu

lungimile de und` corespunz`toare spectrelor de absorb\ie permite

determinarea temperaturii.

Schema unui astfel de senzor este prezentat` [n figura 3.25.

Figura 3.25. Senzor intrinsec pentru m`surarea temperaturii.

Domeniul de m`sur` ob

Principiul interferometric

Senzorii interferometrici sunt sensibili la modific`ri ale drumului optic ]i ale indicelui de refrac

tem

per

atu

r`,

dat

e

de

rel

a\i

a:

∆Φ∆

∆∆

∆∆T

L n L

L T

n

T= ⋅ +2π

λ (3.3)

unde: L este lungimea fibrei ]i n este indicele de refrac\ie.

Pentru fibrele optice cu siliciu, termenul este dominant,

lungimea fiind aproape insensibil` la temperatur` datorit` coeficientului

termic de dilatare sc`zut al siliciului.

{n aceast` configura\ie se pot atinge precizii de ordinul 10-8 o

C.

Utiliz@nd optica integrat`, se poate realiza un interferometru pe o

plachet` ceramic`. Schema acestuia este prezentat` [n figura 3.26.

36

Figura 3.26. Interferometru realizat pe o plachet` ceramic`.

Alte principii.

Senzorii optoelectronici cu "corp negru" pentru m`surarea

temperaturii se bazeaz` pe radia\ia emis` de un material [nc`lzit.

Intensitatea ]i lungimea de und` a radia\iei emise sunt dependente de

temperatur`.

Se pot utiliza fibre optice din siliciu sau din safir.

Configura\ia unui astfel de senzor este prezentat` [n figura 3.27.

Figura 3.27. Senzor pentru m`surarea temperaturii cu corp negru.

V@rful fibrei optice este acoperit cu un strat sub\ire dintr-un

metal nobil pentru a crea cavitatea corpului negru.

Domeniul de m`sur` este [ntre 500oC ]i 2000

oC, iar timpul de

r`spuns este cu c[teva ordine de m`rime mai scurt dec@t [n cazul unui

termocuplu conven\ional.

37

3.3.2. Senzori pentru m`surarea presiunii.3.3.2. Senzori pentru m`surarea presiunii.3.3.2. Senzori pentru m`surarea presiunii.3.3.2. Senzori pentru m`surarea presiunii.

{n cele mai multe cazuri, pentru m`surarea presiunii se m`soar` de

fapt pozi\ia, utiliz@ndu-se membrane. De aceea, senzorii optoelectronici cu

modularea intensit`\ii sunt utiliza\i pentru m`surarea presiunii.

Principiul transmisiei.

Senzorii optoelectronici pentru m`surarea presiunii baza\i pe

principiul transmisiei, se [mpart [n dou` categorii principale. Din prima

categorie fac parte senzorii la care bra\ele de transmisie ]i recep\ie

r`m@n fixe, modularea realiz@ndu-se prin intermediul unui obiect ce

obtureaz` calea optic`. {n cea de-a doua categorie, fibrele se pot mi]ca

una fa\` de cealalt`, realiz@nd astfel modularea. {n figura 3.28. este

prezentat un senzor [n care un obturator [ntrerupe calea optic`

propor\ional cu valoarea presiunii.

Figura 3.28. Senzor cu fibre optice pentru m`surarea presiunii

prin transmisie utiliz@nd un obturator pentru modularea intensit`\ii.

Utiliz@nd un canal de referin\` ]i unul de m`sur`, se pot ob\ine

precizii de 0,1%.

O alt` variant` utiliz@nd re\ele gradate [n calea optic`, este

prezentat` [n figura 3.29.

38

Figura 3.29.Senzor cu fibre optice pentru m`surarea presiunii prin

transmisie utiliz@nd o re\ea gradat` mobil` pentru modularea intensit`\ii.

Una din re\ele este fix`, cealalt`, solidar` cu o diafragm`, se

deplaseaz` [n func\ie de presiune.

Se pot utiliza, deasemenea, senzori baza\i pe principiul reflexiei

interne totale. Un astfel de senzor este prezentat [n figura 3.30.

Figura 3.30.Senzor pentru m`surarea presiunii bazat pe reflexia

intern` total`.

39

Principiul reflectivit`\ii.

Senzorii optoelectronici baza\i pe principiul reflectivit`\ii pot

fi utiliza\i pentru monitorizarea deplas`rii unei diafragme sensibile la

varia\iile presiunii. {n figura 3.31. este prezentat un astfel de senzor.

Figura 3.31. Senzor cu fibre optice pentru m`surare presiunii prin

reflexie utiliz@nd o diafragm` pentru modulare.

R`spunsul neliniar poate fi corectat printr-un bloc electronic sau

printr-o proiectare a diafragmei ]i printr-o alegere corespunz`toare a

fibrelor optice utilizate.

Un alt principiu de m`surare este reflexia intern` total`

apropiat`. Configura\ia unui astfel de senzor este prezentat` [n figura

3.32.

40

Figura 3.32. Senzor pentru m`surarea presiunii bazat pe reflexia

inern` total` apropiat`.

Cap`tul unei fibre optice unimod este t`iat sub un unghi mai mic

dec@t unghiul critic. Presiunea modific` indicii de refrac\ie, duc@nd la

modific`ri ale unghiului critic. Astfel intensitatea radia\iei luminoase ce

se reflect` este modulat` [n func\ie de presiune. Acest tip de senzori are

dimensiuni foarte mici.

Principiul microcurburilor.

{n figura 3.33 este prezentat un senzor pentru m`surarea presiunii

bazat pe principiul microcurburilor.

Figura 3.33. Senzor pentru m`surarea presiunii bazat pe

microcurburi.

41

Un dezavantaj al acestei variante este necesitatea contactului cu

diafragma, fapt care limiteaz` r`spunsul dinamic. De asemenea, fibrele

optice transmi\`toare ]i receptoare nu trebuie s` fie [ndoite cu o raz`

mic` de curbur`, fapt care nu permite o realizare compact` a senzorului.

Principiul intrinsec.

Senzorii optoelectronici pentru m`surarea presiunii utiliz@nd

principiul intrinsec se bazeaz` pe modificarea indicelui de refrac\ie [n

func\ie de presiune pentru a afecta apertura numeric` a fibrei optice sau

intensitatea radia\iei luminoase polarizate.

{n figura 3.34 este prezentat un senzor pentru m`surarea presiunii

bazat pe modificarea polariz`rii.

Figura 3.34. Senzor intrinsec pentru m`surarea presiunii

Fibra optic` ac\ioneaz` ca un element birefringent. Prin rotirea

planului de polarizare se modific` intensitatea radia\iei luminoase.

{n locul fibrei optice se poate utiliza ca element sensibil un

material birefringent.

Principiul interferometric.

Majoritatea senzorilor interferometrici pentru m`surarea presiunii

utilizeaz` configura\ia Mach-Zehnder. Radia\ia luminoas` provenit` de la o

surs` optic` este [mp`r\it` pentru cele dou` bra\e ale interferometrului

prezentat [n figura 3.35. Datorit` presiunii, [n bra\ul sensibil au loc

modific`ri ale lungimii fibrei ]i ale indicelui de refrac\ie.

42

Figura 3.35. Senzor interferometric Mach-Zehnder pentru m`surarea

presiunii.

Recombin@nd cele dou` spoturi, se poate detecta modularea fazei.

Sensibilitatea [n raport cu presiunea este definit` astfel:

QP

= ∆Φ∆ (3.4)

Modificarea fazei dat` de modificarea presiunii este:

∆Φ ∆ ∆ ∆ ∆= + = ⋅ +

k n L L n kLn

L

L

n

n( )

(3.5)

unde:

- k este num`rul de und`

- n este indicele de refrac\ie al miezului

- ∆n este modificarea indicelui de refrac\ie - L este lungimea fibrei

- ∆L este modificarea lungimii fibrei.

Sensibilitatea este un factor important [n func\ionarea senzorilor

interferometrici pentru m`surarea presiunii.

Fibrele optice de leg`tur` ]i cea de referin\` trebuie s` nu fie

sensibile la varia\ii ale presiunii, [n timp ce fibra de m`sur` trebuie s`

43

aib` o sensibilitate maxim`. Aceast` cerin\` poate fi [ndeplinit` printr-o

alegere corespunz`toare a [mbr`c`min\ii fibrei.

O alt` configura\ie utilizat` la realizarea senzorilor

interferometrici pentru m`surarea presiunii este configura\ia Fabry-Perot,

prezentat` [n figura 3.36.

Figura 3.36. Senzor interferometric Fabry-Perot pentru m`surarea

presiunii.

Presiunea ce ac\ioneaz` asupra diafragmei de cuar\ modific`

distan\a dintre diafragm` ]i suprafa\a lentilei. Aceasta este m`surat` cu

un interferometru Fabry-Perot.

3.3.3. Senzori pentru m`surarea debitului3.3.3. Senzori pentru m`surarea debitului3.3.3. Senzori pentru m`surarea debitului3.3.3. Senzori pentru m`surarea debitului

Principiile de baz` utilizate pentru m`surarea debitului sunt

urm`toarele:

- determinarea vitezei de rota\ie a unei turbine aflate [n c@mpul

de curgere;

- m`surarea diferen\ial` a presiunii;

- m`surarea frecven\ei v@rtejurilor;

- m`surarea vitezei prin metoda laser Doppler.

Principiul turbinei.

44

Pentru a putea m`sura debitul, turbina trebuie plasat` [n calea de

curgere, fapt care provoac` o obstruc\ionare a curgerii. Rotorul turbinei

va avea o vitez` propor\ional` cu viteza de curgere a lichidului care trece

prin dispozitiv. Un asemenea senzor este prezentat [n figura 3.37.

Figura 3.37. Senzor cu turbin` pentru m`surarea debitului.

Viteza de rota\ie este m`surat` prin intermediul unui traductor cu

fibre optice prin reflexie.

Principiul m`sur`rii diferen\iale a presiunii.

{n cazul unui senzor pentru m`surarea debitului prin m`surarea

diferen\ial` a presiunii, lichidul este for\at s` parcurg` o zon` cu

sec\iunea redus`. {n acel loc viteza de curgere va fi mai mare, av@nd loc o

sc`dere a presiunii dup` ce lichidul traverseaz` zona cu sec\iune redus`.

{n figura 3.38 este prezentat un astfel de senzor.

45

Figura 3.38. Senzor diferen\ial de presiune pentru m`surarea

debitului.

Presiunile P1 ]i P

2 sunt m`surate cu senzori cu fibre optice prin

reflexie.

Acest tip de senzor este recomandat pentru m`surarea debitului

lichidelor v@scoase ]i gazelor.

Principiul form`rii v@rtejurilor.

Prezen\a unui corp [n calea de curgere a lichidului genereaz`

v@rtejuri, fapt care duce la apari\ia unor pulsuri de presiune. Frecven\a

acestora este propor\ional` cu viteza de curgere a lichidului ]i se poate

exprima astfel:

f = S V d (3.6)

unde:

- f este frecven\a pulsurilor de presiune

- S este num`rul lui Strouhal, o constant` adimensional`

- V este viteza de curgere

- d este l`\imea corpului prezent [n calea de curgere.

{n figura 3.39 este prezentat un senzor care determin` frecven\a

pulsurilor de presiune formate.

Figura 3.39. Senzor pentru m`surarea debitului bazat pe principiul

form`rii v@rtejurilor.

O alt` variant` ce utilizeaz` principiul microcurburilor

utilizeaz` ca element obstructiv este chiar fibra optic`.

46

Principiul Laser Doppler.

Determinarea vitezei prin metoda Laser Doppler este un mecanism

neinvaziv pentru m`surarea debitului. Metoda prezentat` [n figura 3.40

utilizeaz` dou` fascicule laser focalizate [ntr-un punct aflat [n calea de

curgere. Acestea creaz` franje de interferen\`. Deplasarea unei particule

de-a lungul franjelor de interferen\` produce fluctua\ii ale intensit`\ii

radia\iei luminoase.

Figura 3.40. Senzor pentru m`surarea debitului bazat pe principiul

Laser-Doppler.

Componenta vitezei de deplasare perpendicular` pe franjele de

interferen\` poate fi exprimat` astfel:

Ud

td Fx

ff− = ⋅

(3.7)

unde:

- df

este dinstan\a [ntre franje

- t este timpul [n care particula parcurge distan\a dintre dou`

franje

- F este frecven\a fluctua\iei intensit`\ii radia\iei luminoase,

numit` frecven\` Doppler.

3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice3.4. Senzori pentru m`rimi chimice

47

Efectuarea analizelor chimice calitative ]i cantitative utiliz@nd

senzori optoelectronici se bazeaz` pe urm`toarele principii:

- fluorescen\a;

- [mpr`]tierea;

- absorb\ia;

- modificarea indicelui de refrac\ie.

Analiza chimic` poate fi efectuat` utiliz@nd senzori cu fibre optice

prin transmisie, sau senzori cu fibre optice prin reflexie. Radia\ia

luminoas` este transmis` sau reflectat` [n func\ie de natura ]i de

concentra\ia substan\ei chimice prezente.

Principiul fluorescen\ei.

Radia\ia optic` este transmis` prin intermediul unei fibre p@n` la

materialul cu propriet`\i fluorescente. Emisia fluorescent` este transmis`

prin aceea]i fibr` p@n` la un fotodetector. {n figura 3.41 este prezentat

un senzor pentru analiza chimic` calitativ` ]i cantitativ`.

Figura 3.41. Senzor pentru substan\e chimice bazat pe fenomenul de

fluorescen\`.

Principiul absorb\iei.

Utilizarea senzorilor cu fibre optice prin reflexie [mpreun` cu un

spectrofotometru, permit efectuarea analizelor chimice calitative ]i

cantitative. {n figura 3.42 este prezentat un senzor pentru gaz sau fum.

48

Figura 3.42. Senzor pentru gaz sau fum.

Utiliz@nd un reactiv sensibil la substan\a ce urmeaz` a fi detectat`,

se pot [mbun`t`\i performan\ele unui senzor cu fibre optice, bazat pe

fenomenul de absorb\ie. {n figura 3.43 este prezentat un senzor care

utilizeaz` un colorant care []i modific` absorb\ia [n func\ie de

concentra\ia substan\ei de analizat.

Figura 3.43. Senzor pentru substan\e chimice bazat pe absorb\ie.

Principiul [mpr`]tierii.

{n multe aplica\ii este necesar` m`surarea opacit`\ii date de

prezen\a unor particule [n incinta analizat`. Se poate utiliza un senzor cu

fibre optice prin transmisie pentru determinarea fumului dintr-un co] de

evacuare. Opacitatea este corelat` cu randamentul procesului tehnologic

urm`rit.

Principiul modific`rii indicelui de refrac\ie.

{n acest caz se utilizeaz` un senzor cu fibre optice prin reflexie,

la cap`tul c`reia se afl` o prism`. {n aer, datorit` indicelui de

refrac\ie al prismei, condi\ia de reflexie total` este [ndeplinit`. Dac`

prisma este imersat` [ntr-un lichid cu un indice de refrac\ie apropiat de

cel al prismei, intensitatea radia\iei luminoase se va diminua. Deoarece

prezen\a unor substan\e [ntr-o solu\ie modific` indicele de refrac\ie al

acesteia, se poate determina concentra\ia prin aceast` metod`.

49

3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.3.5 Alte tipuri de senzori optoelectronici.

De]i to\i senzorii cu modulare [n intensitate sunt prin natura lor

analogici, ei pot fi utiliza\i cu succes [n aplica\ii digitale. Aplica\iile

generale sunt comutatoare digitale ]i num`r`toare.

Principiile care stau la baza acestor senzori optoelectronici sunt

urm`toarele: - barierele optice;

- c@]tigul [n exces; - contrastul;

- diametrul spotului.

Barierele optice.

Se utilizeaz` dou` variante: bariere optice bilaterale, bazate pe

transmisivitate ]i bariere optice unilaterale, bazate pe reflectivitate.

C@]tigul [n exces.

C@]tigul [n exces este definit ca raportul [ntre intensitatea

radia\iei luminoase care ajunge la sistemul de detec\ie ]i intensitatea

radia\iei luminoase necesare pentru a activa sistemul de detec\ie. Acest

principiu este utilizat [n cazul senzorilor de prezen\` / absen\`.

Contrastul.

Contrastul este definit ca raportul [ntre nivelul luminii detectate

[n condi\ii de iluminare ]i nivelul luminii detectate [n condi\ii de

[ntuneric. Acest principiu este utilizat de asemenea [n cazul senzorilor de

prezen\` / absen\`.

Diametrul spotului.

Diametrul efectiv al spotului este por\iunea din diametrul spotului

care atinge receptorul. Acesta define]te distan\a la care sistemul este

opera\ional.

Cele mai r`sp@ndite aplica\ii sunt pentru detectarea prezen\ei/

absen\ei. Astfel de senzori pot num`ra obiecte ]i pot determina o blocare

pe linia de fabrica\ie. Se pot realiza de asemenea tahometre pentru

urm`rirea tura\iei unui motor.

50

Umiditatea relativ` a mediului [n care func\ioneaz` asemenea senzori

se poate apropia de 100%, iar temperatura este limitat` de [nveli]urile de

protec\ie ale fibrei optice la aproximativ 200

o

C.

51

4. Senzori ]i traductoare distribuite cu fi4. Senzori ]i traductoare distribuite cu fi4. Senzori ]i traductoare distribuite cu fi4. Senzori ]i traductoare distribuite cu fibre opticebre opticebre opticebre optice

4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.4.1 Sisteme distribuite cu fibre optice.

Un sistem distribuit cu fibre optice pentru m`surare, este constituit

dintr-o re\ea de senzori optoelectronici, care utilizeaz` o magistral`

comun` pentru a transmite informa\ia c`tre o unitate central`. Sistemul

con\ine o surs` optic`, fibre optice care transport` radia\ia luminoas` la

senzori ]i fibre optice care transport` radia\ia luminoas` modulat` de la

senzori la fotodetector.

Aceste sisteme de m`sur` au avantajul izol`rii electrice ]i a

imunit`\ii la zgomot, at@t pentru partea de m`sur` c@t ]i pentru partea de

transmisie a informa\iei.

Senzorii optoelectronici baza\i pe reflexie sau interferometrie, sunt

conecta\i [ntr-un sistem prin intermediul cuploarelor optice. Utilizarea

cuploarelor optice introduce atenu`ri, fapt care limiteaz` num`rul de

senzori din re\ea. Acest inconvenient se poate elimina utiliz@nd sisteme

hibride.

Sistemele hibride con\in, pe l@ng` senzori ]i fibre optice, noduri

active de conversie electro-optic`. Nodurile electro-optice ac\ioneaz` ca

repetoare, realiz@nd o conversie optoelectronic`, apoi o conversie electro

optic`. {n acest caz, num`rul de senzori din sistem nu mai este limitat.

Sistemele distribuite cu senzori intrinseci nu necesit` cuploare, ele

utilizeaz@nd o unic` fibr` optic` ne[ntrerupt`. In figura 4.1 ]i 4.2, sunt

prezentate sisteme de senzori intrinseci, [n care perturba\iile locale

modific` transmisia prin fibra optic`.

52

Figura 4.1. Sistem distribuit cu senzori intrinseci pentru m`surarea

temperaturii.

Figura 4.2. Sistem distribuit cu senzori cu microcurburi pentru

m`surarea temperaturii.

53

Utiliz@nd aceste configura\ii, se poate determina numai faptul c` a

ap`rut o perturba\ie de-a lungul fibrei optice ]i m`rimea perturba\iei, dar

nu ]i punctul [n care a ap`rut aceasta. Dac` sunt perturbate simultan mai

multe puncte, informa\ia este mascat`.

4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare.4.2 Scheme de multiplexare.

Pentru a identifica fiecare senzor dintr-un sistem distribuit, se

utilizeaz` multiplexarea cu divizarea lungimii de und`, sau multiplexarea

cu divizare temporal`.

{n schemele de multiplexare cu divizarea lungimii de und`, fiec`rui

senzor [i corespunde o band` specific`. Pentru fiecare band` se utilizeaz`

c@te o surs` optic` cu lungimea de und` corespunz`toare. Se poate utiliza

]i o unic` surs` optic` de band` larg` ]i filtre corespunz`toare benzilor

dorite.

Pentru a ob\ine o interferen\` minim` [ntre canale, l`rgimea benzii

corespunz`toare unui canal trebuie s` fie situat` [ntre 20 - 50nm. {n acest

caz, capacitatea re\elei este de aproximativ 20 de senzori cu modularea

intensit`\ii.

Multiplexarea cu divizare temporal` se poate utiliza at@t pentru

senzori cu modularea intensit`\ii c@t ]i pentru senzori cu modularea fazei.

Schemele de multiplexare cu divizare temporal` utilizeaz`

reflectometria optic` [n domeniul timp sau [n domeniul frecven\`.

Reflectometria optic` [n domeniul timp nu se utilizeaz` pentru

distan\e foarte scurte, deoarece necesit` circuite electronice complicate

]i extrem de rapide. {n acest caz se utilizeaz` reflectometria optic` [n

domeniul frecven\`.

4.3 Re4.3 Re4.3 Re4.3 Re\\\\ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici.ele de senzori optoelectronici.

Cea mai simpl` configura\ie a unui sistem distribuit de senzori este

o fibra optic` ne[ntrerupt`, prezentat` [n figura 4.3. Procesul de m`surare

are loc intrinsec [n fibr` sau prin intermediul unor dispozitive care

creaz` microcurburi [n punctele de m`sur`. Determinarea discontinuit`\ilor

se face prin reflectometrie optic` [n domeniul timp.

54

Figura 4.3. Re\ea alc`tuit` dintr-o unic` fibr` optic`.

Re\eaua cuplat` [n T este prezentat` [n figura 4.4. Senzorii cu fibre

optice prin reflexie sunt conecta\i prin cuploare la o fibr` optic`

principal`.

Figura 4.4. Re\ea cuplat` [n T cu senzori prin reflexie.

Se poate realiza deasemenea o re\ea cuplat` [n T cu senzori

interferometrici, ca [n figura 4.5.

Figura 4.5. Re\ea cuplat` [n T cu senzori interferometrici.

Re\eaua cuplat` [n T poate fi extins`, ob\in@ndu-se o configura\ie

stea, prezentat` [n figura 4.6. Pentru a identifica senzorii este necesar

ca fiecare bra\ s` aib` o lungime diferit`.

Figu

ra

55

4.6. Re\ea [n configura\ie stea.

{n figura 4.7 este prezentat` o configura\ie [n paralel. Avantajul

acestei configura\ii este faptul c` [n cazul defect`rii unui senzor,

ceilal\i senzori nu sunt afecta\i.

Figura 4.7. Re\ea [n configura\ie paralel.

Utiliz@nd senzorii distribui\i, se pot determina continuu

distribu\iile spa\iale ]i temporale ale eforturilor [n diferite

structuri cum ar fi: poduri, baraje, aeronave, nave maritime, sau

distribu\iile termice [n diferite echipamente.

56

5. Performan5. Performan5. Performan5. Performan\\\\ele m`sur`rilor efectuate cu senzori optoelectroniciele m`sur`rilor efectuate cu senzori optoelectroniciele m`sur`rilor efectuate cu senzori optoelectroniciele m`sur`rilor efectuate cu senzori optoelectronici

5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.5.1 Avantajele utiliz`rii senzorilor optoelectronici.

Succesul de care s-a bucurat ]i se bucur` [n continuare acest domeniu

[n r@ndul cercet`torilor, se datoreaz` calit`\ilor pe care le prezint`

senzorii cu fibre optice, comparativ cu senzorii clasici. Dintre acestea

putem enumera:

1. Dimensiuni ]i greutate reduse.

{ntr-o er` a miniaturiz`rii, faptul nu pare ie]it din comun, [ns`

aceste propriet`\i fac ca senzorii cu fibre optice s` fie competitivi fa\`

de alte categorii moderne de senzori. Cel mai redutabil concurent din acest

punct de vedere sunt senzorii microelectronici. Industriile aeronautic` ]i

spa\ial` fac din aceste propriet`\i cerin\e de baz` ale echipamentelor

utilizate, incluz@nd ca elemente de baz` ale sistemului de comand` ]i

control al aeronavelor din genera\ia urm`toare senzorii cu fibre optice.

2. Robuste\e.

Aceast` calitate iese [n eviden\` compar@nd senzorii cu fibre optice

cu senzorii optici cu elemente clasice (prisme, oglinzi, etc.). Spre

exemplu, [n locul ansamblului complex de prisme care alc`tuiesc traseul [n

inel al giroscopului cu laser, giroscopul cu fibre optice folose]te o

simpl` bobin` de fibr` optic`.

3. Imunitate total` la interferen\a electromagnetic`.

C@mpurile electrice ]i magnetice externe reprezint` m`rimi de

influen\` care pot perturba puternic func\ionarea corect` a senzorilor

electrici. Mediile industriale [n care sunt plasa\i senzorii sunt deseori

ostile din acest punct de vedere ]i m`surile de [nl`turare a efectelor

perturbatoare sunt, de multe ori, costisitoare. Unele medii sunt chiar

total improprii func\ion`rii senzorilor electrici. Un exemplu [l reprezint`

hipertermia cu microunde sau unde de radiofrecven\`, unde senzorii de

temperatur` cu fibre optice reprezint` solu\ia optim`. Aceasta este una din

cele mai apreciate calit`\i ale senzorilor cu fibre optice ]i a

dispozitivelor fotonice [n general. Totu]i, unii cercet`tori sunt de p`rere

c` imunitatea total` la interferen\a electromagnetic` este doar un mit,

57

[ntruc@t existen\a sec\iunii electronice constituie o cale indirect` de

intrare a energiei electromagnetice [n sistem.

4. Izolare galvanic` intrinsec`.

Aceast` calitate este evident` deoarece fibrele optice sunt materiale

dielectrice cu propriet`\i izolatoare foarte bune. Atenuarea semnalului pe

lungimea de fibr` necesar` unei bune izola\ii galvanice este total

nesemnificativ`. Aceast` proprietate este foarte apreciat` [n aplica\iile

medicale, care [nlocuiesc cu succes transformatoarele de m`sur` de curent

]i de tensiune.

5. Absen\a curentului electric [n zona de m`surare.

Sec\iunea optic` a senzorilor cu fibre optice vehiculeaz` numai

energie radiant`, cu niveluri extrem de mici. Astfel, senzorii de acest tip

func\ioneaz` sigur [n orice mediu exploziv. Sec\iunea electric` poate fi

plasat` la distan\`, [ntr-un loc sigur, leg`tura p@n` la punctul de m`sur`

fiind realizat` cu fibr` optic`. Aceast` calitate ]i-a dovedit utilitatea

[n aplica\ii cum sunt detec\ia gazelor [n mine, m`surarea gradului de de

poluare al apei cu petrol, m`surarea presiunii ]i temperaturii [n gaura de

sond`.

6. Iner\ie termic` ]i mecanic` mic`.

Aceste propriet`\i sunt exploatate la senzorii de temperatur`

intrinseci ]i la unele tipuri de senzori extrinseci.

7. Matereiale utilizate sunt inerte chimic ]i biocompatibile

Aceste propriet`\i sunt foarte apreciate [n aplica\iile medicale.

Senzorii cu fibre optice au deschis orizonturi noi [n medicin`. De la deja

banalele investiga\ii endoscopice ]i p@n` la monitorizarea circula\iei

sanguine sau chiar urm`rirea “in vivo” a circula\iei impulsurilor

nervoase la om, exist` un c@mp enorm de aplica\ii, multe de neimaginat p@n`

de cur@nd. De asemenea, rezisten\a la coroziune conferit` de inactivitatea

chimic` a materialelor folosite, ofer` un larg c@mp de aplica\ii [n

industria chimic`.

8. Posibilitatea de telem`surare ]i multiplexare prin magistrale cu

fibre optice.

58

Acest aspect ofer` un c@mp larg de activitate practic` [n viitor.

Toate marile laboratoare din lume cu preocup`ri [n domeniul fibrelor optice

au experimentat posibilit`\i de multiplexare optic` a semnalelor. Sistemele

de comand` ]i control “all-fiber” [n care semnalele optice nu vor mai fi

convertite [n semnale electronice, reprezint` un \el urm`rit cu interes.

Primii candida\i pentru solu\iile “all-fiber” sunt avioanele, navele

maritime, centralele electrice.

9. Realizarea conceptului de senzor distribuit.

Conceptul de “senzor distribuit” define]te un tip de senzor care

poate m`sura varia\ia unei m`rimi [n timp si spa\iu ]i poate fi realizat

numai cu fibre optice. La ace]ti senzori, de tip intrinsec, fibra se

constituie pe toat` lungimea sa [n element sensibil. Aplica\iile de acest

gen sunt privite cu foarte mare interes [n c@teva domenii de activitate,

cum ar fi avia\ia si marile lucr`ri [n domeniul construc\iilor. Fibrele

optice incluse [n structurile de rezisten\` permit urm`rirea ]i localizarea

permanent` a eforturilor care apar ]i pot detecta [n timp util orice

situa\ie periculoas`.

59

5.2 Concluzii5.2 Concluzii5.2 Concluzii5.2 Concluzii

Stadiul actual [n dezvoltarea senzorilor optoelectronici demonstreaz`

interesul cresc@nd pentru utilizarea acestora [n domeniul metrologic.

{n acest referat s-a realizat o prezentare sistematic` a senzorilor

optoelectronici, criteriile alese fiind tipul m`rimii de m`surat,

principiile ce stau la baza func\ion`rii senzorilor ]i structura discret`

sau distribuit` a acestora.

Aceast` prezentare poate constitui un punct de plecare at@t pentru

imbun`t`\irea performan\elor senzorilor optoelectronici cunoscu\i, c@t ]i

pentru studiul unor noi tipuri de senzori.

{n ceea ce priv]te viitorul, se poate afirma faptul c` senzorii

optoelectronici constituie elemente de baz` pentru genera\ia viitoare de

tehnici de achizi\ie ]i prelucrare optic` a informa\iei.

60

BIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAFIE

1. Krohn, D.A., Fiber Optic Sensors, Fundamentals and Applications,

Instrument Society of America, 1988.

2. Sterian, P., Transmisia optic` a informa\iei, vol. 1,2, Editura tehnic`, 1981.

3. Wallace P.R., Sikora E.S.R., Walkden A.J., Engineering Optical Fibre Sensors

for Process Control, GEC Journal of Research, vol.2, no.1,1984, pg.129-134.

4. Dandridge A, Cogdell G.B., Fiber Optic Sensors for Navy Applications, IEEE

LCS -The Magazine of Lightwave Communications Systems, vol.2,no.1,

February 1991, pg. 81-89.

5. Angel S.M., Kulp T.J., Myrick M.L., Langry K.C., Development and

Applications of Fiber Optic Sensors, Chemical Sensor Technology, vol.3, 1991,

pg. 163-201.

6. Moslehi B., Shahriari M.R., Schmidlin M., Anderson M., Lukasiewicz A.,

Optical fiber simplifies gas-sensing systems, Laser Focus World, April1992, pg.

161-168.

7. Nave S.E., O'Rourke P.E., Toole W.R., Sample probe enhance remote

chemical analyses, Laser Focus World, December 1995, pg.83-88.

8. Anghel F., Iliescu C., Grattan K.T.V., Palmer A.W., Zhang Z.Y.,

Fluorescent-based lifetime measurement thermometer for use at subroom

temperatures (200-300 K), Rev. Sci. Instrum., Vol. 66, No.3, March 1995, pg.

2611-2614.

9. Murphy K. A., Miller III W.V., Tran T.A., Vengsarkar A.M., Claus R.O.,

Miniaturized fiber-optic Michelson-type interferometric sensors, Applied

Optics, Vol. 30, No. 34, December 1991, pg. 5063-5067.

10. Scheggi A.M., Optical fiber sensors in medicine, Optical fiber sensors, 1987,

pg. 407-417.

11. Medlock R.S., Review of modulating techniques for fibre optic sensors,

Measurement-Control, Vol. 19, February 1986, pg. 4-17.

12. Berthold J.W., Fiber optic intensity sensors, Photonics Spectra, December

1988, pg. 125-138.

13. Jones B.E., Introductory Techonology Overview of Intensity and Wavelenght-

Based Sensors, IOP Publishing Ltd., 1987, pg. 45-53.

14. Palmer A.W., Chen S., Weir K., Grattan K.T.V., Optical white light

interferometric sensing the way forward for optical fibre sensors ?, AIM : 1992,

pg. 199-204.

15. El-Hami M., Finkelstein L., Grattan K.T.V., Palmer A.W., Application of the

classfication of optical fibre sensors to expert systems, AIM : 1992, pg. 205-

209.

16. Giallorenzi Th.G., Bucaro J.A., Dandrige A., Sigel G.H.jr., Cole J.H.,

Rashleigh S.C., Priest R.G., Optical fiber sensor technology, IEEE Journal of

Quantum Electronics, Vol. QE-18, No.4, April 1982, pg. 626-665.

61

17. Fluitman J., Pompa Th., Optical waveguide sensors, Elsevier Sequoia, June

1986.

18. Marszalec E., Marszalec J., Romaniuk R.S., On the application of fibre optics

in the development of sensor systems of intelligent robots: a review,

International Journal of Optoelectronics, 1989, Vol.4, Nos.3/4, pg. 313-325.

19. Wahl J.F., New Fibers Meet Sensing Demands, Photonics Spectra, December

1988, pg. 79-84.

20. Davies D.E.N., Making measurements with light, IEEE Proc., Vol.129, No.1,

January 1982, pg. 16-23.

21. Jackson D.A., Overview of fibre optic interferometric sensors, IOP Publishing

Ltd., 1987, pg. 1-22.

22. Pitt G.D., Extance P., Neat R.C., Batchelder D.N., Jones R.E., Barnett J.A.,

Pratt R.H., Optical-fibre sensors, IEE Proceedings, Vol.132, No.4, August

1985, pg. 214-245.

23. El-Hami M., Finkelstein L., Grattan K.T.V., Palmer A.W., Expert system

application using optical-fibre sensor clasification data, Elsevier Sequoia, Vol.

39, 1993, pg.181-189.

24. Hartford E., Fiber Optic Temperature Sensors, Optical Fiber Sensors, 1987,

pg.

185-199.

25. R. Onodera, Y. Ishii, N. Ohde, Y. Takahashi, And T. Yoshino - Effect of

Laser-Diode Power Change on Optical Heterodyne Interferometry - Journal of

Lightwawe Technology, Number 4, Volume 13, April 1995, pg. 675-681.

26. K. Kråkenes And K. Bløtekjoer - Comparison of Fiber-Optic Sagnac and

Mach-Zehnder Interferometers with Respect to Thermal Processes in the Fiber

- Journal of Lightwawe Technology, Number 4, Volume 13, April 1995, pg.

682-686.

27. T.-L. Wu And H.-C. Chang - Rigorous Analysis of Form Birefringence of

Weakly Fused Fiber-Optic Couplers - Journal of Lightwawe Technology,

Number 4, Volume 13, April 1995, pg. 687-691.

28. E. E. Kriezis And A. G. Papagiannakis - A Joint Finite-Difference and FFT

Full Vectorial Beam Propagation Scheme - Journal of Lightwawe

Technology, Number 4, Volume 13, April 1995, pg. 692-699.

29. C.-X. Shi And K. Hotate - Bias Of A Resonator Fiber Optic Gyro Composed

Of A Polarization-maintaining Fiber Ring Resonator With The Photoinduced

Birefringent Grating - Journal Of Lightwawe Technology, Number 9,Volume13,

September 1995, pg. 1853-1857.

30. J. P. Von Der Weid, R. Passy, And N. Gisin - Mid-range Coherent Optical

Frequency Domain Reflectometry With A Dfb Laser Diode Coupled To An

External Cavity - Journal Of Lightwawe Technology, Number 5, Volume 13,

May 1995, pg. 954-960.

31. D. N. Wang, Y. N. Ning, A. W. Palmer, K. T. V. Grattan, And K. Weir - An

Alternative To White Light Interferometric Sensing - Journal Of Lightwawe

Technology, Number 5, Volume 13, May 1995, pg. 961-966.

62

32. F. Ansari And J. Wang - Rate Sensitivity Of High Birefringent Fiber Optic

Sensors Under Large Dynamic Loads - Journal Of Lightwawe Technology,

Number 10, Volume 13, October 1995, pg. 1992-1997.

33. K. Iwatsuki, K. Suzuki, S. Nishi, And M. Saruwatari - 80 Gb/s Optical Soliton

transmission Over 80 Km With Time/polarization Division Multiplexing -

Photonics Technology Letters, Number 2, Volume 5, February 1993, pg. 245-

247.

34. H. Toba, K. Nakanishi, K. Oda, K. Inoue, And T. Kominato - A 100 Channel

Optical fdm Six-stage In-line Amplifier System Employing Tunable Gain

Equalizers - Photonics Technology Letters, Number 2, Volume 5, February

1993, pg. 248-250.

35. Y. Hakamata, K. Takemoto, T. Nakanishi, And J. Nakano - 5 Gb/s

Transmission Experiment Using 1300 Nm Fabry-perot Ld Transmitter Module

With GaAs Mesfet Ld Driver And P-i-n Pd Receiver - Photonics Technology

Letters, Number 2, Volume 5, February 1993, pg. 251-253.

36. K. H. Calhoun, C. B. Camperi-Ginestet, And N. M. Jokerst - Vertical Optical

Communication Through Stacked Silicon Wafers Using Hybrid Monolithic Thin

Film InGaAsP Emitters And Detectors - Photonics Technology Letters, Number

2, Volume 5, February 1993, pg. 254-256.

37. J. R. Wullert Ii And J. S. Patel - Optical Communications Over A Wide

Temperature Range Using A Tunable Liquid-crystal Filter - Photonics

Technology Letters, Number 2, Volume 5, February 1993, pg. 257-259.

38. K. R. Baker, A. W. Yu, And M. A. Krainak - Direct-detection Free-space

Optical Communications Link Using A 1 µM Wavelenght Laser Diode

Transmitter - Photonics Technology Letters, Number 2, Volume 5, February

1993, pg. 260-262.

39. S. M. Melle, A. T. Alavie, S. Karr, T. Coroy, K. Liu, And R. M. Measures -

A Bragg Grating-tunes Fiber Laser Strain Sensor System - Photonics

Technology Letters, Number 2, Volume 5, February 1993, pg. 263-266.

40. G. A. Ball, W. W. Morey, And P. K. Cheo - Single- And Multipoint Fiber-

laser Sensors - Photonics Technology Letters, Number 2, Volume 5, February

1993, pg. 267-270.

41. I. Schneider, G. Nau, T. V. V. King, And I. Aggarwal - Fiber-optic Near-

infrared Reflectance Sensor For Detection Of Organics In Soils - Photonics

Technology Letters, Number 1, Volume 7, January 1995, pg. 87-89.

42. S. Knudsen, A. B. Tveten, And A. Dandrige - Measurements Of Fundamental

Thermal Induced Phase Fluctuations In The Fiber Of A Sagnac Interferometer -

Photonics Technology Letters, Number 1, Volume 7, January 1995, pg. 90-92.

43. E. Ranalli And H. P. Lee - Demonstration Of A Fiber-optic Tapped Delay Line

Spectrometer - Photonics Technology Letters, Number 5, Volume 6, May 1994,

pg. 668-670.

44. G. N. De Brabander, J. T. Boyd, And G. Beheim - Integrated Optical Ring

Resonator With Micromechanical Diaphragm For Pressure Sensing - Photonics

Technology Letters, Number 5, Volume 6, May 1994, pg. 671-673.

63

45. X. Zhou, K. Iiyama, And K. Hayashi - Detection Scheme Of

Coherence-multiplexed Sensor Signals Using An Optical Loop With A

Frequency Shifter: Sensitivity Enhancement - Photonics Technology Letters,

Number 6, Volume 6, June 1994, pg. 767-769.

46. D. N. Wang, Y. N. Ning, A. W. Palmer, K. T. V. Grattan, And K. Weir - An

Optical Scanning Technique In A White Light Interferometric System -

Photonics Technology Letters, Number 7, Volume 6, July 1994, pg. 855-857.

47. G. Murtaza And J. M. Senior - Methods For Providing Stable Optical Signals In

dual Wavelenght Referenced Led Based Sensors - Photonics Technology

Letters,

number 8, Volume 6, August 1994, pg. 1020-1022.

48. R. M. Narayanan And S. E. Green - Field Measurements Of Natural And

Artificial Targets Using A Mid-infrared Laser Reflectance Sensor - Photonics

Technology Letters, Number 8, Volume 6, August 1994, pg. 1023-1026.

49. W. V. Sorin And D. M. Baney - Multiplexed Sensing Using Optical Low-

coherence Reflectometry - Photonics Technology Letters, Number 8, Volume 7,

August 1995, pg. 917-919.

50. T. Suhara, T. Taniguchi, M. Uemukai, H. Nishihara, T. Hirata, S. Iio, And M.

Suehiro - Monolithic Integrated-optic Position/Displacement Sensor Using

Waveguide Gratings And Qw-dfb Laser - Photonics Technology Letters,

Number 10, Volume 7, October 1995, pg. 1195-1197.

51. V. J. Kardos And G. J. Sonek - A Dewpoint Temperature Sensor Based On

Nd3+

-Doped Fiber Fluorescence - Photonics Technology Letters, Number 10,

Volume 7, October 1995, pg. 1198-1200. 52. Anghel F., 53. Maeda M., In-Situ Fiber Optic SensingTechnique for Chemical Composition and Temperature of Gas at Elevated temperatures by Infrared Spectroscopy, pg. 185- 201. 54. Brosig J. A., Anderson B. L., New approach to microbending fiber optic sensors: varying the spatial frequency, Optical Engineering, Volume 34, Number 1, January 1995, pg. 208-213. 55.