3.
DOLGI OPTIČNI VLAKENSKI SENZORJI VZDOLŽNEGA RAZTEZKA IN TEMPERATURE NA OSNOVI FAZNE PRIMERJAVE RF MODULIRANEGA OPTIČNEGA NOSILCAMatjaž Linec, 2010, doktorska disertacija
Opis: Optični vlakenski senzorji za merjenje vzdolžnih raztezkov in temperature so aktualna tema razvoja že več kot 30 let. Kljub temu lahko danes na tržišču najdemo le omejeno število tovrstnih merilnih sistemov, ki v večini temeljijo na Braggovih rešetkah, interferometrih, Rayleightovem, Ramanovem in Brillouinovemu sipanju svetlobe. Slabost teh rešitev, kljub številnim prednostim pred električnimi rešitvami senzorjev za merjenje omenjenih pojavov, je cenovna neučinkovitost. Zato danes najdemo optične vlakenske senzorje večinoma v posebnih vejah industrije ali laboratorijih, ne pa tudi v vsakdanjem življenju.
Če želimo izdelati cenovno učinkovit merilni sistem pomeni, da moramo izbrati tudi ustrezno merilno metodo za merjenje fizikalnega pojava. Intenzivnejši razvoj v optičnih komunikacijah in mobilni telefoniji pred dobrim desetletjem je vplival na znižanje cen visokofrekvenčnih elektronskih in opto-elektronskih komponent, zaradi česar so postale primerne tudi za uporabo v cenovno učinkovitih aplikacijah. S tem so se odprle tudi nove možnosti za razvoj merilnih sistemov, ki temeljijo na merilnih metodah, ki vključujejo RF signale. Te merilne metode so bile tema intenzivnejšega razvoja že v 80. letih, a so zaradi visoke cene komponent pri razvoju zaostala. Med te prištevamo tudi metodo na osnovi fazne primerjave merilnega in referenčnega signala v RF področju.
V disertaciji sta predstavljeni dve rešitvi merilnih sistemov z optičnimi vlakenskimi senzorji za merjenje vzdolžnega raztezka in temperature na osnovi primerjave faze amplitudno moduliranega merilnega signala z referenčnim amplitudno moduliranim signalom iz RF oscilatorja. Pri meritvi vzdolžnega raztezka in temperature izkoriščamo vpliv merjene fizikalne veličine na mehanske kakor tudi optične lastnosti optičnega vlakna. Izkaže se, da je lahko vpliv na spremembo optičnih lastnosti v primerjavi z mehanskimi lastnostmi veliko večji. Vplivi na optične lastnosti optičnega vlakna izhajajo iz termo-optičnega in opto-mehanskega pojava, ki sta v disertaciji tudi podrobneje predstavljena. Omenjeni pojavi neposredno vplivajo na dolžino optične poti optičnega signala v senzorskem segmentu, kar se odraža v spremembi faznega kota med merilnim in referenčnim signalom.
Predstavljeni rešitvi merilnih sistemov se razlikujeta v senzorskem segmentu in načinu procesiranja signalov. Prva rešitev temelji na merilnem sistemu, ki ima le en senzorski segment, na katerem merimo povprečen vpliv merjenega pojava in je realiziran s klasičnim plastičnim optičnim vlaknom ESKA CK40, s premerom 1 mm, ki ima stopnični lomni lik. Pri tej rešitvi je en konec optičnega vlakna priklopljen na optični vir, drugi konec pa na optični detektor. Izbira plastičnega vlakna v merilnem sistemu z enim senzorskim segmentom predstavlja cenovno učinkovito rešitev, saj so opto-elektronske komponente za plastična vlakna veliko cenejša, kot za steklena optična vlakna. Prav tako so temperaturne in mehanske lastnosti plastičnega optičnega vlakna v določenih primerih boljše od steklenih optičnih vlaken, kar je tudi razlog, da so plastična vlakna vse bolj zanimiva v senzorskih aplikacijah. Maksimalna dolžina senzorskega segmenta, zaradi vpliva rodovne disperzije v ESKA CK40 optičnem vlaknu je 3.5 m. Visokofrekvenčni del procesne enote merilnega sistema smo izdelali v LVPECL logiki, saj je v primerjavi z LVDS ali CML logiko, dostopna široka paleta različnih elektronskih komponent, ki smo jih potrebovali v naši aplikaciji (laserski gonilnik, omejevalni ojačevalnik,...). Optični vir v oddajno/sprejemnem 1.25 Gbit/s modulu EDL1000T-220 smo modulirali z RF signalom iz oscilatorja. Fazni kot merilnega signala, ki se je razširjal po senzorskem segmentu smo na sprejemni strani z E-ALI vrati primerjali z referenčnim signalom iz RF oscilatorja. Za faznim primerjalnikom sledi nizkoprepustni filter 4. reda ter ojačevalno vezje.
Ključne besede: dolgi optični vlakenski senzorji, senzor raztezka, senzor temperature
Objavljeno v DKUM: 09.06.2010; Ogledov: 3645; Prenosov: 464
Celotno besedilo (29,63 MB)
