• Nie Znaleziono Wyników

Czujniki o rozłożonym polu detekcji

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Czujniki o rozłożonym polu detekcji"

Copied!
13
0
0

Pełen tekst

(1)

Światłowodowe czujniki

o

(2)

Zakres wykładu

• Wprowadzenie

• Czujnik rozproszenia wstecznego na bazie OTDR:

• Rozłożony termometr na bazie efektu Anti-Stokes-Ramana (DART) • Wykorzystanie metody modulacji częstotliwości fali ciągłej (FMCW) • Reflektometr optyczny w dziedzinie częstotliwości (OFDR)

• Detekcja rozłożona wykorzystująca wzmocnienie przeciwnie propagującego się impulsu

(3)

• Zasadniczo istnieją jedynie dwie możliwości pomiaru

rozłożonego:

• wykorzystanie rozproszenia wstecznego

• układ interferometru Sagnaca.

W wykładzie omówione zostaną jedynie idee tych rozwiązań, zaś pełny aparat matematyczny zostanie w całości pominięty

(co nie należy utożsamiać z lenistwem wykładowcy)

(4)

• Źródłem zastosowania układu OTDR były badania zaburzeń tłumienności wytwarzanych a następnie instalowanych światłowodów o różnej strukturze.

• Zastosowanie czujnikowe od 1983 r. (Theocharous), jako wykorzystanie tej techniki do pomiaru temperatury:

sygnał powrotny rozróżniany jest w dziedzinie czasu, a następnie celem określenia tłumienności normalizowany (dzielenie sygnału przez zaburzenie wartości sygnału) – stąd jeśli zastosowano włókno którego tłumienność jest zależna od temperatury, to zaburzenie temperatury wzdłuż włókna mogą być monitorowane!!!

• Kolejna aplikacja OTDR to układ rozłożonego dozymetru (Geabler i Brauning 1983). W tej metodzie, krótkie odcinki włókna są poddawane jonizującemu działaniu promieniowania które to powoduje lokalny wzrost tłumienności włókna, co pozwala na ciągły monitoring tak miejsca jak i natężenia promieniowania.

(5)

• Zastosowanie OTDR do monitoringu tłumienności włókna bazuje na stałości współczynnika rozproszenia wstecznego Rayleigh’a wzdłuż włókna.

• W przypadku włókna jednomodowego, istnieje możliwość wykorzystania własności polaryzacyjnych jednakże wymaga to spolaryzowanego źródła światła oraz detekcji czułej na polaryzację.

• Zasugerowana przez prof. A. Rogera (1980r) metoda nazwana POTDR -Polarization Optical Time-Domain Reflectometry, bazuje na zachowaniu wysokiego stopnia polaryzacji w krzemowych światłowodach światła rozproszonego na bazie rozproszenia Rayleigh’a i Rayleigh-Gansa

• Jednakże, POTDR pomimo potencjalnych możliwości jest także niezwykle czuła na zaburzenia zewnętrzne w tym odkształcenia i wibracje, zatem trudno ją bezpośrednio stosować

• POTDR wymaga włókna jednomodowego, które przy zastosowaniu wąsko-widmowego źródła nie będzie prowadziło do występowania koherentnego rozproszenia wstecznego oddziaływującego z rozproszeniem Rayleigha.

(6)

Rozłożony anti-Stockes-Raman termometr (DART)

Obserwacja widmowa zaburzenia roz-proszenia wstecznego w domieszko-wanym germanem włóknie krzemowym pokazuje występowanie silnej linii cen-tralnej pochodzącej od rozproszenia Rayleigh’a (lub Rayleigh-Gans) ale za-wierającej także nierozróżnialny wkład od rozproszenia Brillouina.

W przypadku rozproszenia Ramana, występują także dwa oddzielne tłumie-nia wsteczne, pochodzące od wstecz-nego promieniowania:

- Stockesa

- anti-Stockesa

Fig. Raman backscatter spectrum of Ge-doped silica fiber

(7)

Pomiar stosunku rozproszenia wstecznego Stokesa i anti-Stokesa, pozwala na określenie bezwzględnej temperatury ośrodka, który to pomiar jest nieza-leżny od natężenia światła, warunków pobudzenia włókna, jego geometrii a nawet składu struktury.

W praktyce, konieczna jest mała korekcja wyników ze względu na różnice w długości fal rozproszenia Sotkesa i anti-Stokesa

(8)

Metoda częstotliwościowo zmodulowanej CW (FMCW)

FMCW może być użyta do lokalizacji dyskretnych punktów w których zachodzi sprzężenie dwu modów światłowodowych o różnej prędkości fazowej (wykorzystanie włókna Hi-Bi).

Powyżej pokazano implementacje tej techniki dla pobudzenia jedmomodowego z zastosowaniem pomiaru polarymetrycznego.

Zaleta: w PMF niewielka różnica prędkości fazowej modów polaryzacyjnych włókna pozwala ją zastosować na długości znacznie przekraczającej drogę koherencji źródła.

Wady: 1. Naprężenia mechaniczne o pewnej krytycznej amplitudzie mogą wywoły-wać wielokrotne sprzęganie mocy pomiędzy polaryzacjami we włóknie i niwelowywoły-wać sygnał zdudnieniowy charakterystyczny dla badanego zaburzenia.

2. Zaburzenia kierunku osi polaryzacyjnej wzdłuż włókna mogą być przyczyną nie wystąpienia zjawiska sprzężenia mocy od badanego zaburzenia.

(9)

Reflektometr optyczny w dziedzinie częstotliwości (OFDR)

• Jest to technika podobna do OTDR.

• System OFDR działa w modzie rozproszenia wstecznego, gdzie wytwarzany na detektorze użyteczny sygnał zdudnieniowy generuje wzrost częstotliwości wprost-porcjonalny do odległości zaburzenia od początku włókna.

• Zobrazowanie sygnału zdudnieniowego na klasycznym analizatorze widma, pozwala na określenie poziomu światła rozproszonego na danym odcinku włókna jako mocy przypadającej na daną wartość częstotliwości, podczas gdy odległość określana jest poprzez pomiar obserwowanego przesunięcia częstotliwości.

• Główny problem OFDR - uzyskanie źródła o odpowiedniej spójności, gdyż koherencji źródła może wywoływać modulacje odbieranego widma a zatem zaburzać pomiar przesunięcia częstotliwościowego.

(10)

Pomiar rozłożony z wykorzystaniem wzmocnienia

przeciwnie propagującego się impulsu pompy optycznej

• Gdy sygnał optyczny od stałego źródła CW jest transmitowany wzdłuż włókna to poziom mocy odbierany przez detektor jest uzależniony od całkowitej stratności włókna.

• Jednakże, jeśli natężeniowy impuls jest wprowadzony w kierunku przeciwnym, to detekowany sygnał jest czuły na każde nieliniowe wzmocnienie które może być generowane poprzez pompowanie optyczne

Experimental arrangement of system for stress location using Raman amplification by counter propagation pump pulse

(11)

Interferometr Sagnaca

• Światłowodowy interferometr Sagnaca zawiera jedno włókno w którym propagują się dwie wiązki w przeciwnych kierunkach. W układzie tym tylko dla punktu centralnego pętli obie wiązki dochodzą w tym samym momencie, w każdym innym miejscu wiązki docierają w różnych chwilach. Stąd zaburzenie wzdłuż pętli będzie wytwarzać zmianę fazy która to jest proporcjonalna do:

1. Szybkości zmian dΦ/dt, sygnału optycznego indukowanego w pkt. P, przez zewnętrzne zaburzenie,

(12)

rzystanie dodatkowej drogi optycz-nej umiejscowiooptycz-nej blisko źródła tak by układ Sagnaca występował w parze z dodatkowym odbiorczym interferometrem, np. MZI.

• Wyjście z MZI daje sygnał propor-cjonalny do Φ, którego zróżniczko-wanie prowadzi do wymaganego dΦ/dt. Proste podzielenie przesunię-cia sygnału z IS przez dΦ/dt daje

poszukiwana odległość Z. Mach-Zehnder reference interferometerModified Sagnac interferometer with

for disturbance location

Główne żródła błędu pomiaru fazy w FOG powodują zaburzenia pomiaru odległości, zwłaszcza mechaniczne i termiczne oddziaływanie na włókno

(13)

Obraz

Fig. Raman backscatter spectrum of  Ge-doped silica fiber
Fig. Raman backscatter signal Fig. Raman temperature profile equipment

Cytaty

Powiązane dokumenty

The typical shape of the received acoustic pulses: in gas (time in ms) (a) and in water (time in µs) (b).. Moment wykrycia sygnału wejściowego zależy od poziomu szumu oraz

Szczególna cecha sygnału cyfrowego, jaką jest ściśle określona liczba wartości wielkości będącej nośnikiem informacji ułatwia poprawną transmisję i

polaryzacji i kierunku propagacji fali radiowej spowodowane nieregularnością zmian wskaźnika refrakcji – czyli nieregularnymi zmianami wilgotności, temperatury i ciśnienia

Urządzenie do pomiaru czasu opóźnienia sygnału w dalmierzach, które posiada układ gene- ratora wzorcowego, licznik pierścieniowy, układ generatora o regulowanej

Odczekać, aż program dokończy wszystkie rozpoczęte pętle pomiarów (przycisk powróci do postaci )..

Jednak ze względu na relatywnie niski poziom hierarchii przez oprogramowanie komputera w obsłudze danych czasu, szczególnie w przypadku dużego ruchu informatycznego oraz

Widma (częstotliwościowe) są równoważnym opisem do analitycznego zapisu w dziedzinie czasu tego sygnału - jest to jego reprezen- tacja widmowa.. Prawostronne widma amplitudowe

Filtrem częstotliwości nazywamy układ o strukturze czwórnika (czwórnik to układ mający cztery zaciski – jedna z par zacisków pełni rolę wejścia, zaś druga wyjścia),