Czujniki światłowodowe - wykorzystanie w automatyce

Czym jest i jak działa czujnik światłowodowy?

Dynamiczny rozwój techniki światłowodowej oraz optoelektroniki sprawił, że światłowody oraz czujniki światłowodowe coraz intensywniej wykorzystywane są w wielu sektorach gospodarczych i branżach: od elektrotechniki i telekomunikacji, przez szeroko pojęty przemysł i robotykę, aż po branżę medyczną i spożywczą. Rozwiązania z zakresu techniki światłowodowej stosowane są głównie w zakresie aparatury pomiarowej i kontrolnej, także w formie medium transmisyjnego.

Czujnik światłowodowy to nic innego jak przetwornik albo zespół przetworników umieszczonych na początku toru pomiarowego. Przetworniki te mogą określać wartość mierzonej wielkości i przetwarzać ją w zmiany parametrów sygnału wyjściowego. Określając sposób działania czujnika światłowodowego, należy określić działanie modulacji wewnętrznej i zewnętrznej.

Modulacja wewnętrzna fali świetlnej płynącej w światłowodzie występuje wówczas, gdy bezpośrednio przez światłowód oddziałuje na nią czynnik zewnętrzny. Modulacją zewnętrzną nazywa się natomiast oddziaływanie na falę świetlną już wyprowadzoną ze światłowodu.

Czujnik światłowodowy z modulacją wewnętrzną działa w taki sposób, że ograniczony odcinek światłowodu pełni funkcję głowicy czujnika, w której czynniki zewnętrzne oddziałujące na światłowód zmieniają parametry propagowanej fali świetlnej. Sposób modulacji parametrów fal świetlnych uzależniony jest od rodzaju światłowodu zintegrowanego z czujnikiem światłowodowym.

Czujniki w automatyce można podzielić na urządzenia pasywne i aktywne. Czujnik światłowodowy aktywny ma konstrukcję, która zawiera źródło sygnału optycznego, natomiast czujnik światłowodowy pasywny, aby działać, wymaga doprowadzenia energii. Lwia część aplikacji światłowodowych w automatyce opiera się na czujnikach pasywnych, zwanych również parametrycznymi.

Rodzaje czujników światłowodowych

Istnieje wiele kryteriów podziału czujników światłowodowych, a wśród najistotniejszych z nich wymienia się: miejsce przetwarzania sygnału przez czujnik światłowodowy, sposób odbierania informacji o mierzonej wielkości oraz postać sygnału wyjściowego.

Podział ze względu na miejsce przetwarzania sygnału. Według tego kryterium można wymienić czujniki światłowodowe z przetwarzaniem zewnętrznym (hybrydowe), w których sygnał jest doprowadzany i odprowadzany z czujnika za pomocą światłowodu i czujniki światłowodowe z przetwarzaniem wewnętrznym (całkowicie światłowodowe).

W tych czujnikach światłowód pełni jednocześnie funkcję przetwornika optycznego i falowodu. Do czujników hybrydowych zalicza się m.in.: elementy ze zmianą transmisji i odbiciowe czy wielomodowe czujniki polarymetryczne. Czujnikami całkowicie światłowodowymi są m.in.: czujniki mikrozgięciowe, czujniki z siatkami Bragga i czujniki interferometryczne.

Podział ze względu na sposób informacji o mierzonej wielkości. W ramach tego kryterium wyróżnia się: czujniki światłowodowe jednopunktowe, wielopunktowe i z odbiorem ciągłym w przestrzeni. Czujniki jednopunktowe wykorzystują straty stopnia sprzężenia w relacji światłowód-światłowód, są to np. czujniki odbiciowe. Czujniki wielopunktowe działają na zasadzie wykorzystywania zmian strat, polaryzacji natężenia fl uorescencji czy natężenia wstecznego rozpraszania. Do czujników zmian strat należą m.in. czujniki światłowodowe mikrozgięciowe przesunięcia, siły oraz ciśnienia.

Czujniki z odbiorem ciągłym w przestrzeni są czujnikami służącymi w automatyce głównie do pomiaru rozkładu temperatury w zbiornikach, urządzeniach i maszynach.

Możliwości techniki światłowodowej

Rozwiązania z zakresu techniki światłowodowej - a zwłaszcza czujniki światłowodowe - są obecnie stosowane głównie w zakresie aparatury pomiarowej. Minimalne straty wzdłuż długości linii przy transmisji sygnałów światłowodowych, całkowita odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, a także szybkość przesyłu informacji powodują, że możliwości techniki światłowodowej wychodzą przed szereg dotychczas stosowanych konwencjonalnych technik optycznych. Do podstawowych zalet czujników światłowodowych i techniki światłowodowej zaliczyć można:

• odporność na zakłócenia EM,
• znaczną czułość przetwarzania,
• możliwość sprzęgania z systemami telekomunikacyjnymi dzięki temu, że sygnał optyczny jest nieelektrycznym sygnałem wyjściowym,
• możliwość pracy w niebezpiecznych i niekorzystnych środowiskach (środowisku agresywnym chemicznie, środowisku palnym czy środowisku zagrożonym wybuchem),
• kompaktowe gabaryty,
• wysoką czułość, dokładność oraz niezawodność,
• możliwość pracy bezdotykowej,
• szerokie pasmo umożliwiające bardzo szybki transfer informacji.

Stąd też specyfika światłowodów oraz czujników światłowodowych sprawia, że znajdują one zastosowanie w automatyce m.in. w:

• inteligentnych strukturach (smart structures), które są czujnikami zaimplementowanymi bezpośrednio w materiałach kompozytowych i wykorzystuje się je do detekcji: wibracji, temperatury i naprężeń,
• detekcji anomalii pól elektromagnetycznych w systemach dystrybucji mocy,
• detekcji wycieków,
• monitorach temperatur i naprężeń,
• precyzyjnych pomiarach emisji akustycznej,
• mechanizmach chwytu oraz innych aplikacjach w manipulatorach przemysłowych i robotach mobilnych,
• systemach pomiarów wielopunktowych jednej wielkości oraz systemach pomiaru kilku wielkości w różnych punktach pomiarowych.

Ogromne możliwości czujników światłowodowych sprawiają, że z powodzeniem wykorzystywane są one również w: energetyce, przemyśle, nauce, medycynie, przemyśle obronnym i lotnictwie czy w przemyśle spożywczym i badaniu żywności.

TME