FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

0 PERFORMANCE ANALYSIS FOR TEMPERATURECOMPENSATED WHITELIGHT INTERFEROMETRIC FIBER SENSORS
1 RS232RS485RS422 FIBER OPTICAL MODEM U SER’S MANUAL VERSION
15A NCAC 02D 0963 FIBERGLASS BOAT MANUFACTURING MATERIALS (A)

6 REVISION OF SECTION 614 FIBER OPTIC CABLE (SINGLE
ADDITIONAL INFORMATION FILE 1 FOR “SYNAPSABLEQUADRUPLEX MEDIATED GFIBERS” BY
AFTALE OM FIBERINTERNETADGANG I AB VALDEMARSGADE 1820 AB

Fiber Sensoren

Fiber Sensoren

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

























Fiber Sensoren


Studieopdracht bij het vak H245

Optische Communicatie”

Prof. J. Engelen





















Academiejaar 2000 - 2001

Bastian Piepers

Sven Van Hemel

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

1. Inleiding


Deze studieopdracht handelt over optische sensoren, meer bepaald over sensoren geconstrueerd met behulp van fibers. Eerst zullen we deze sensoren trachten in te delen in een aantal grote klassen. Daarna zullen we een aantal voorbeelden bespreken en aan de hand van deze voorbeelden de belangrijkste werkingsprincipes van optical fiber sensors proberen uit te leggen. Het is echter niet onze bedoeling om een volledig overzicht te geven gezien dit een nogal ruim domein betreft. Tot slot zullen we twee voorbeelden van in de handel verkrijgbare sensoren geven, om aan te tonen dat fiber sensoren reeds intensief gebruikt worden in de industriële omgeving.



2. Indeling van de sensoren


De fiber optische sensoren kunnen gebruikt worden voor het meten van nogal uiteenlopende grootheden zoals temperatuur, druk, rotatie, magnetische velden en dergelijke. We delen de sensoren echter niet in naar de te meten grootheden maar veeleer naar de meettechnieken die hiervoor gebruikt worden [1]. Hierin onderscheiden we als eerste categorie de manier waarop de sensing wordt uitgevoerd. Een tweede indeling gebeurt volgens de verdeling van de posities van de sensoren en tenslotte als laatste onderverdeling hebben we de rol van de optische vezels in dit meetproces.


In het algemeen kunnen we drie werkingsprincipes onderscheiden voor optical fiber sensors. Het eerste principe maakt gebruik van het opmeten van een verandering in lichtintensiteit in één of meer lichtbundels. Deze categorie van sensoren noemen we intensiteitssensoren. Het bepalen van een vloeistofniveau kan gebeuren met behulp van deze categorie sensoren. Een tweede principe, spectrale analyse sensoren, steunt op een verandering in spectrale eigenschappen, veroorzaakt door de op te meten grootheid.Het laatste algemene principe kijkt naar de faseverschillen in lichtbundels door ze met elkaar te laten interfereren. Vandaar de naam interferometrische sensoren. Een voorbeeld van een dergelijke sensor is de "fiber gyroscope", die later nog aan bod komt. Deze indeling op basis van werkingsprincipes is de meest fundamentele, en daarom zullen we onze bespreking vooral hierop baseren. We dienen nog wel op te merken dat deze indeling niet absoluut is, en dat er tegenwoordig al wordt gesproken over hybride sensoren, die twee of meer van voorgaande principes trachten te combineren [2].


De sensing zelf kan gebeuren op één enkele plaats of kan verdeeld zijn over een aantal punten. In het eerste geval spreken we over punt sensoren en in het tweede geval over gedistribueerde sensoren. Bij de gedistribueerde sensoren kunnen we dan nog eens twee gevallen onderscheiden. De sensing kan gebeuren in een aantal discrete punten waar telkens een sensor staat opgesteld en waarna de signalen van deze sensoren worden gemultiplexed, bijvoorbeeld op tijdsbasis. Dit is het principe van point sensor multiplexing. Op deze wijze zou je op een aantal posities de druk kunnen bepalen en deze beurtelings inlezen. In het andere geval hebben we een werkelijke sensing over de gehele fiberlengte. Dit treffen we bijvoorbeeld aan bij bepaalde types van spannings- en temperatuursensoren.


Het laatste onderscheid wordt gemaakt aan de hand van de invloed van de te meten grootheid op de vezel. De vezel kan bijvoorbeeld enkel dienen als een transportmedium voor de signalen van een externe sensor. Dit noemen we extrinsieke sensoren. Dit kunnen bijvoorbeeld interferometers zijn die aan het uiteinde van een vezel bevestigd zijn om de temperatuur te meten. Wanneer de sensoren ingewerkt zijn of gewoon een deel zijn van de vezel hebben we het over interne of intrinsieke sensoren. Een voorbeeld hiervan is een sensor die gebruik maakt van microbending verliezen om spanningen in een materiaal op te meten.



3. Intensiteitssensoren


Dit type van sensoren is meestal goedkoop en gemakkelijk te produceren, wat de wijde verspreiding ervan in de industrie verklaart. Hoewel de principes waarop intensiteits-gemoduleerde sensoren gebaseerd zijn vrij eenvoudig zijn, dient men toch de nodige aandacht te besteden aan het ontwerp, vermits allerlei neveneffecten in beschouwing moeten worden genomen.

De prijs wordt onder meer gedrukt door gebruik van relatief goedkope lichtbronnen (vb. LED's), detectoren (vb. PIN diodes) en vezels (multimode vezels). Met bronvermogens boven 100 µW kunnen intensiteitsveranderingen boven op een basisverzwakking van 40 à 60 dB gemeten worden.

De manier waarop de intensiteitsveranderingen bekomen worden, leidt tot een classificatie in verschillende klassen [4]. De meeste sensoren zijn hier voorgesteld als puntsensoren, hoewel ze ook d.m.v. de multiplexechnieken (zie hoger) tot gedistribueerde sensoren kunnen gecombineerd worden. Vermits meestal de eigenschappen van de vezel zelf worden aangewend om een effect te bekomen dat afhankelijk is van de te meten grootheid, gaat het in het algemeen om sensoren van het intrinsieke type.

Het meten van intensiteitsverschillen kan, zoals reeds vermeld, gebeurden d.m.v. PIN diodes. Als we echter geen speciale aandacht bestenden aan het intensiteitsverloop van de bron (LED), zullen deze intensiteitsveranderingen doorheen de sensor propageren en een foutieve detectie veroorzaken. Dit probleem kan op verschillende manieren opgelost worden, vb. door gebruik te maken van een gebalanceerde brug, bundelsplitsing of dubbele golflengte detectie.


3.1. Intensiteitsveranderingen op basis van verplaatsing


Het concept is vrij eenvoudig. Een bron zendt licht uit in een glasvezel. Dit licht wordt in de vrije ruimte uitgezonden en opgevangen door een andere glasvezel, die het licht naar de detector leidt. Een eerste mogelijkheid is dat beide vezels relatief t.o.v. elkaar verplaatsbaar zijn. Hierdoor verandert de ontvangen intensiteit omdat de ontvanger wegens de relatieve verplaatsing minder of meer licht waarneemt. Figuur 1a toont een voorbeeld van een verplaatsingssensor, waarbij beide vezels gemonteerd zijn op lichamen die t.o.v. elkaar kunnen bewegen. Een andere mogelijkheid is dat beide vezels niet t.o.v. elkaar kunnen bewegen, maar dat de ontvangen intensiteit wordt gemoduleerd door de beweging van een derde lichaam, dat zich in het pad van de directe lichtstraal kan bewegen. Een voorbeeld van zulke sensor wordt getoond in figuur 1b.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 1a : Detector voor

hoekverplaatsing

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 1b : Verplaatsingsdetector met

optische wig


3.2. Intensiteitsveranderingen op basis van reflectie


Het principe is dat de intensiteit van het ontvangen, gereflecteerde signaal functie is van de afstand tot het lichaam waarop gereflecteerd wordt (zie figuur 2a). Een voorbeeld van een sensor die werkt volgens dit principe is getoond in figuur 2b.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 2a : Gereflecteerde intensiteit in fuctie

van afstand tot het doel

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 2b : Verplaatsingssensor


3.3. Intensiteitsveranderingen op basis van verliezen


Intensiteit kan ook gemoduleerd worden door de transmissie-eigenschappen van de glasvezel te veranderen. Een specifiek voorbeeld hiervan zijn de technieken van vezelbuiging of microbuiging. Deze maken gebruik van het feit dat hogere orde modi onderhevig zijn aan grotere verliezen in gebogen vezels. Dit kan men bijvoorbeeld merken aan verhoogde intensiteit in de bochten van gekromde glasvezels. (Dit wijst immers op grotere lekverliezen.) Een voorbeeld van deze techniek is de krachtsensor uit figuur 3a. De kracht die wordt uitgeoefend op het uiteinde van de vezel geeft aanleiding tot veranderingen in de buiging van de vezels, wat een veranderingen in verlies en dus in intensiteit met zich meebrengt.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 3a : Krachtsensor met principe

van microbuiging

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 3b : Vloeistofniveau-sensor


Een ander voorbeeld is de vloeistofniveau-sensor uit figuur 3b. Wanneer de vloeistof aan zekere voorwaarden voldoet wat betreft de brekingsindex, zullen hogere orde modes gemakkelijker in de vloeistof lekken, wat leidt tot een verlies aan licht in de vezel. De mate waarin dit gebeurt, is afhankelijk van de weg die de vezel in de vloeistof aflegt en kan dus gerelateerd worden met het vloeistofniveau.

3.4. Intensiteitsveranderingen op basis van uitwaaierend veld


Wanneer een elektromagnetische golf op de scheidingswand tussen twee materialen invalt, zal een deel gereflecteerd worden en een deel zal door de wand gaan. Een eerste techniek bestaat erin een deel van dit veld te absorberen, zodat de intensiteit van de gereflecteerde golf vermindert naarmate de afstand tussen absorberend materiaal en prisma vermindert (zie figuur 4a). Een andere techniek bestaat erin een reflecterend materiaal aan te brengen dat de intensiteit van de teruglopende golf moduleert (zie figuur 4b).

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 4a : Absorptie van uitwaaierend veld

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 4b : Reflectie van uitwaaierend veld


3.5. Intensiteitsveranderingen op basis van absorptie en verstrooiing


De temperatuursafhankelijkheid van de absorberende eigenschappen van sommige gassen kunnen gebruikt worden om een temperatuursensor te maken (zie figuur 5a). De absorptie en dus het gereflecteerde licht is afhankelijk van de temperatuur van het gas.

Een ander voorbeeld is de olie-in-water sensor. Hier wordt de verstrooiing van licht in water gemeten, wat een aanduiding is voor de aanwezigheid van olie (zie figuur 5b).

Nog een ander voorbeeld is de lichtintensiteitssensor van figuur 5c. Men laat licht invallen op een speciale glasvezel met reflecterende, verstrooiende of fluorescerende deeltjes. Afhankelijk van de intensiteit van het licht worden modes opgewekt die in tegengestelde richting propageren van de straal die in de vezel wordt getransporteerd. Hierdoor vermindert de ontvangen intensiteit in de fotovoltaïsche cellen.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 5a : Absorptiesensor

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 5b : Olie-in-water sensor

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Fibuur 5c : Lichtintensiteitssensor


3.6. Intensiteitsveranderingen op basis van brekingsindex


Twee glasvezels met verschillende brekingsindex worden in een vloeistof met te bepalen brekingsindex gehouden. De hoek van de uittredende bundel uit de eerste vezel is functie van de brekingsindex van de vloeistof. Kleinere uittreedhoeken geven dus aanleiding tot een grotere koppeling met de tweede vezel, wat wordt waargenomen als een hogere intensiteit aan de detector (zie figuur 6).

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 6 : Brekingsindexsensor



4. Spectrale analyse sensoren


Sensoren van dit type worden minder frequent gebruikt vermits het ontwerp en de bouw ervan vrij ingewikkeld is. Zo zijn er meestal een demodulatiemethode en een spectrometer nodig om het spectrum van het ontvangen signaal te kunnen analyseren. Toch zijn er enkele toepassingen waarvoor deze klasse van sensoren interessante resultaten kan bieden. Dit type van sensoren geeft aanleiding tot zowel extrinsieke als intrinsieke sensoren.

Een voorbeeld van een extrinsieke sensor is de stralingswarmte-sensor van figuur 7. Elk voorwerp op een bepaalde temperatuur zendt straling uit in een welbepaald golflengtespectrum (stralingswet van Planck). Door dit spectrum op te meten op verschillende discrete punten, kan men de temperatuur van een object bepalen. Een glasvezel vertrekt van een zwarte straler die zich op de te meten temperatuur bevindt. Het "licht" (eigenlijk geen zuiver licht, maar ook IR stralen) wordt naar de sensor gevoerd, waar het d.m.v. bundelsplitsing en smalbandfiltering opgesplitst wordt in verschillende componenten. De intensiteit van deze componenten wordt gefit aan het verwachte stralingsspectrum, waaruit de temperatuur kan worden bepaald.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 7 : Optische warmtestralingssensor


Een ander voorbeeld zijn fotoluminescente temperatuursensoren. Ook deze behoren tot de klasse van de extrinsieke sensoren. Bij deze techniek wordt er licht vanuit een bron via een vezel naar een fluorescente sensor geleid. Vervolgens worden opnieuw bundelsplitsers en smalbandfilters aangewend om het spectrum dat door de fluorescente sensor wordt uitgezonden op de meten, waardoor na fitting de temperatuur kan bepaald worden (zie figuur 8).

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 8 : Fluorescente temperatuursensor


Andere fysische eigenschappen die kunnen worden toegepast om sensoren te bouwen, zijn de temperatuursafhankelijke karakteristieken van sommige materialen. Zo is de absorptiekarakteristiek van neodymium gedopeerde vezels sterk afhankelijke van de temperatuur. Bij deze intrinsieke sensor worden twee vezels gebruikt, waarvan slechts één voor een deel bestaat uit voorgenoemde neodymium vezel. Het verschil in spectrum tussen het licht in beide vezels is een maat voor de specifieke absorptie in de neodymium vezel zodat na spectrale analyse de temperatuur kan worden bepaald. Andere mogelijkheden zijn temperatuursafhankelijke spectrumverschuiving (vb. van een kobaltchloride oplossing in een water-isopropylalcohol mengsel) of de temperatuursafhankelijke doorlaatkarakteris-tieken van sommige filters. Zoals men kan merken geeft de vorige categorie van sensoren meestal aanleiding tot temperatuursensoren, vermits men op basis van een meting en op basis van de kennis van de temperatuursafhankelijkheid van de meting de temperatuur gaat trachten te bepalen.

Voor sensoren die niet de temperatuur, maar een andere grootheid trachten te meten, is het eveneens zeer belangrijk de temperatuursafhankelijkheid te kennen. Temperatuur is immers één van de belangrijkste grootheden die de karakteristieken van een sensor kunnen doen verlopen. Daarom moet voor haast elke sensor hieraan speciaal aandacht besteed worden.


Het voorgaande kan verkeerdelijk de indruk geven dat spectrale methoden alleen kunnen gebruikt worden om temperatuursensoren te bouwen. Hoewel dit inderdaad een toepassingsgebied uitmaakt, kunnen ook andere grootheden opgemeten worden op basis van spectrale eigenschappen. Zo kunnen de luminescentiesensoren ook gebruikt worden om chemische elementen te detecteren, wanneer deze optreden in reacties waarbij fluorescente stoffen betrokken zijn.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 9 : Verplaatsingssensor op basis van spectrale eigenschappen


Een andere grootheid die men kan opmeten is verplaatsing. Figuur 9 toont een verplaatsingssensor. Hier wordt meestal gebruik gemaakt van prisma of achromatische lenzen om wit licht in verschillende kleuren op te splitsen. Aan de hand van de waargenomen kleuren (golflengtes), kan de verplaatsing bepaald worden.



5. Interferometrische sensoren


5.1. Sagnac effect


We zullen dit effect uitleggen aan de hand van een toepassing ervan: de "fiber gyroscope". De functie van een gyroscoop is het detecteren van een rotatie. De klassieke mechanische uitvoering bestaat uit een snel ronddraaiende schijf. Door deze snelle draaibeweging wil de rotatieas van de gyroscoop zijn positie behouden. Een rotatie kan dan gedetecteerd worden door de tegenwerkende krachten die optreden doordat de positie van de schijf veranderd wordt. Een gyroscoop wordt vaak gebruikt voor het bekomen van stabiliteit, bijvoorbeeld bij de automatische piloot van een vliegtuig.


Met behulp van het Sagnac effect is het nu mogelijk om een gyroscoop te construeren die opgebouwd is met behulp van optische vezels. Dit levert een eenvoudiger en dus goedkoper te produceren toestel dan een even goed presterend mechanisch equivalent.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 10 : Sagnac interferometer


We zullen eerst het fenomeen uitleggen voor de toestand in vacuüm. De Sagnac interferometer, zie figuur 10, bestaat uit een splitter die de lichtgolf uit de bron verdeelt in twee tegengesteld lopende lichtgolven. Deze twee golven komen in rusttoestand in fase aan op het scherm nadat ze de volledige Sagnac interferometer in tegengestelde richtingen doorlopen hebben. Wanneer de interferometer nu geroteerd wordt, zie figuur 11, ziet een waarnemer, die zich in een stilstaand assenkruis bevindt, het licht de interferometer binnentreden in het punt M. De beide lichtgolven ziet hij nog steeds bewegen aan de constante lichtsnelheid. Gedurende de rotatie beweegt de splitter zich naar een punt M'. Aangezien de lichtgolven zich beiden aan de dezelfde snelheid voortplanten, zal de golf volgens de draairichting er langer over doen om de splitter opnieuw te bereiken dan de golf die zich voortplant tegen de draairichting in. Hierdoor krijgen we een faseverschuiving die we niet hebben bij stilstand van de Sagnac interferometer. De waarnemer merkt dit fenomeen niet alleen op in het stilstaande assenkruis, maar ook in het bewegende assenkruis omdat de beide gebeurtenissen, het terugkeren van de twee tegengesteld lopende golven op de splitter, zich voordoen in hetzelfde punt van het bewegend assenstelsel.


Bij het gebruik van een medium, wat bij een praktische vezel het geval is, kan aangetoond worden dat het Sagnac effect onveranderd is. Stel dat het medium een brekingsindex n heeft. Dan zal de voortplantingssnelheid van de golven met een faktor n verminderen en zal de splitter n maal verder zijn vooraleer de twee tegengesteld lopende golven elkaar weer ontmoeten. Hierdoor zou het weglengteverschil een stuk groter zijn dan in vacuüm. De twee golven planten zich nu voort in een bewegend medium. Hierdoor worden de twee golven als het ware meegesleept door het medium zoals beschreven door Fizeau.

De voortplantingssnelheid van de golf lopend volgens de rotatierichting van de ringinterferometer wordt groter en deze van de tegengesteld lopende golf kleiner zodat het effect van het medium volledig gecompenseerd wordt en we de situatie krijgen alsof we ons in vacuüm bevinden.


Het Sagnac effect vertaalt zich dus in een tijdsvertraging TS die evenredig is met de flux van de rotatievector doorheen de oppervlakte A begrensd door de twee golven [4].


FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Het principe van een fibre gyroscope is nu om een kern te nemen en de vezel een aantal keren rond deze kern te wikkelen om zo het Sagnac effect te vergroten. Dit kan tot een factor 104. De faseverschuiving die door de rotatie van de gyroscoop wordt bekomen, wordt gegeven door:

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Hierin is L de lengte van de vezel, D de diameter van de kern, de golflengte in vacuüm en // de de component van de flux evenwijdig met de kern.


5.2 Het magnetisch optisch effect


Bij een monitor kan je, als je de grootte van een invallend magnetisch veld kent, een systeem ontwikkelen dat de vervorming van het beeld, veroorzaakt door dat invallend veld, compenseert. Hiervoor is het nodig een sensor te ontwikkelen waarmee je dergelijke velden kan detecteren en meten. Fiber sensoren bieden hiertoe de mogelijkheid.


Het fysisch effect waarop we steunen is het Faraday magnetisch optisch effect, zie figuur 12. Dit komt erop neer dat een longitudinaal magnetisch veld een verdraaiing veroorzaakt van de circulair gepolariseerde ingangsgolf wat overeenstemt met een faseverschuiving. De reden voor deze verdraaiing is dat de elektronen van de atomen gemakkelijker in de ene richting rond de veldrichting draaien dan in de andere richting door de invloed van de Lorenzkrachten. Dit veroorzaakt een veldafhankelijke circulaire dubbele refractie.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 12 : Magneto-optisch effect


De polarisatieverdraaiing is evenredig met de lijnintegraal van het magnetisch veld langs het propagatiepad [3].

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Hierin is V, de Verdet constante, een vaste materiaaleigenschap voor een gegeven vezel. Met behulp van deze eigenschap is het dus mogelijk om een interferometer te maken waarmee je de magnetische velden kan opmeten. Een voorwaarde is wel dat we gebruik maken van een materiaal met een voldoende grote Verdet constante zodat de faseverschuivingen merkbaar zijn. Normale optische vezels voor telecommunicatie voldoen niet. We gebruiken hiervoor speciale materialen zoals yttrium - ijzer - garnet (YIG) met een constante van 0.007 rad/A. Gebruik makend van een stuk gallium gedopeerd YIG van 25mm samen met flux concentrators kunnen we een gevoeligheid bekomen voor magnetische velden van 1.4 pT/Hz.


5.3 Het laser - Doppler effect


In een aantal medische toepassingen is het wenselijk om de snelheid van de bloedstroom te kennen. Die kan bepaald worden door gebruik te maken van een laser - Doppler snelheidsmeter.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 13 : Laser-Doppler snelheidsmeter voor bloedstroom


Een dergelijke sensor is weergegeven in figuur 13. Laserlicht wordt in de sonde gestuurd en het weerkaatste licht wordt in frequentie verschoven door verstrooiing door de bewegende bloedcellen. De Dopplerverschuiving wordt gegeven door [4]:

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

In deze vergelijking is n = 1.33 de brekingsindex van bloed, de snelheid van het bloed en de hoek aangegeven op de figuuur. De Dopplerverschuiving wordt bekeken op een spectrumanalyzer. Omdat deze verschuiving niet zo groot is, overlappen de spectra van het oorspronkelijke signaal en de weerkaatste lichtbundel. Om het Doppler effect toch duidelijk te kunnen waarnemen wordt het spectrum van het oorspronkelijke signaal verschoven. Met dit systeem is het mogelijk om snelheden te meten van 4 tot 100 cm/s met een nauwkeurigheid van 0.5%.


5.4. Bragg-rooster sensoren


Dit type van sensoren werkt volgens het principe van Bragg-reflectie [5]. Hiervoor wordt een Bragg-rooster geëtst in de kern van een speciale vezel. In dit deel van de vezel bekomt men aldus een periodische verandering van de brekingsindex, wat aanleiding geeft tot een zeer smalbandig reflectie-filter (zie figuur 14). Door de invloed van externe parameters kunnen de eigenschappen van het rooster wijzigen, wat een verschuiving in de gereflecteerde Bragg golflengte tot gevolg heeft. Op deze manier kunnen grootheden als temperatuur en spanning gemeten worden. Een groot voordeel is de lineaire responskarakteristiek en het feit dat niet bij elke meting een calibratie dient te worden uitgevoerd. De calibratie zit immers vervat in het etsen van het rooster bij fabricage.

FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK

Figuur 14 : Principe van de Bragg-rooster sensor



6. Industriële voorbeelden


6.1 Temperatuursensor


Fabrikant

FISO Technologies [6]


Temperatuurbereik

-40 tot 250 °C


Resolutie

0,1 °C


Nauwkeurigheid

±1 °C of 1%


Respontietijd

minder dan 1,5 s


Optische vezel

Teflon


Probe Afmetingen

1,45 mm


FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK


6.2 Fiber Optical Gyroscope


Fabrikant

Litton G&CS [7]

Herhaalbaarheid

1°/uur tot 10°/uur

Random verloop

0,04 tot 0,1 °/uur1/2

Schaalfactor stabiliteit

100 ppm

Bias variatie

0,35 °/uur, 100 s correlatie-tijd

Niet-orthogonaliteit

20 boogseconden

Bandbreedte

> 500 Hz


FIBER SENSOREN FIBER SENSOREN  STUDIEOPDRACHT BIJ HET VAK



7. Referenties


[1] 1996, “JTEC Panel on Optoelectronics in Japan and the United States.”, http://itri.loyola.edu/opto/


[2] 1998, “Fiber Sensors Go For The Black Gold”, ECE News, The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech, http://monkey.ee.vt.edu/ecenews/ar98/index.html


[3] Dakin J, en Culshaw B, 1988, “Optical Fiber Sensors 1 : Principles and Components.”, Artech House Boston


[4] Culshaw B, en Dakin J, 1989, “Optical Fiber Sensors 2 : Systems and Applications.”, Artech House Boston


[5] “Science of Fibre Optic Sensors”, Future Fibre Technologies Pty. Ltd., http://www.fft.com.au/backgrnd.html


[6] FISO Technologies, http://www.fiso.com/page_sensors.htm


[7] Litton Guidance & Control Systems, http://www.littongcs.com/products/2guidance/fiber/03ln200/overview.html

13


ASSIUT UNIVERSITY RESEARCHES FIBER OPTIC AND LIGHT SCATTERING SENSORS
“SINGLE MODE FIBER COUPLING SENSITIVITIES AND TOLERANCING” LORI MOORE
BESTÄLLNING AV FIBERANSLUTNING AVTAL NR   GÄLLANDE


Tags: fiber sensoren, “optical fiber, sensoren, fiber, studieopdracht