Sensoren gebaseerd op optische vezels

Transcriptie

1 Sensoren gebaseerd op optische vezels Introductie [1], [2] Glasvezeloptica heeft een grote impact gehad op de communicatie-industrie. Midden de jaren 60 werd ingezien dat optische signalen langs glasvezel konden getransporteerd worden met een verlies dat lager is dan in koper. Verder bleek ook dat het skin-effect, waar men bij koper veel problemen mee ondervond bij basisbandcommunicatie, onbestaande is in glasvezel. Hierdoor kon men dus bij glasvezel met alle mogelijk denkbare golflengtes moduleren. Glasvezeloptica was niet nieuw toen. Glasvezels werden reeds toegepast in decoratieve lampen en het model van de diëlektrische golfgeleider was reeds goed gekend. Men gebruikte in die tijd al glasvezel om licht van en naar de plaats van een meting te leiden, bijvoorbeeld in toepassingen waar de omgeving van de meting tot beschadiging van de meetapparatuur kon leiden. In de jaren 90 is er een grote interesse en sponsoring van de telecomsector gekomen en zijn er grote vorderingen gemaakt op het gebied van opto-elektronica en glasvezeloptica. Hoewel sommige van de sectoren die veel geïnvesteerd hebben het nu iets slechter doen, zijn er andere sectoren gekomen die de vruchten plukken van de investeringen. Vooral de bedrijven in de markt van de kleine fotonische applicaties hebben hun succes hieraan te danken. Sensoren, gebaseerd op glasvezeloptica, hebben bijvoorbeeld een grotere performantie gekregen door zowel verbeteringen in de vezel zelf, als door de verbeteringen van de laser en de fotodetector. Optische vezelsensoren zijn een populair onderzoeksdomein, zo getuigen de vele conferenties die georganiseerd worden. Tussen 1983 en 2004 werden er al 16 georganiseerd, waar het enkel en alleen over optische vezelsensoren ging. Andere types sensoren worden doorgaans niet op een afzonderlijke conferentie besproken. Er zijn momenteel optische vezelsensoren beschikbaar om volgende grootheden te meten: Temperatuur Chemische stoffen Druk Krachten Debiet Straling Vloeistofniveau ph Verplaatsing (positie) Vochtigheid Vibratie Rek Rotatie Snelheid Magnetisch veld Elektrisch veld Acceleratie Akoestisch veld Tabel 1: Toepassingen van optische vezelsensoren We bekijken de basis van de glasvezel als sensor en enkele toepassingen ervan. Pagina 1/12

2 Basics: Wat is glasvezel sensing? [3] Sensors gebaseerd op optische vezels gebruiken veranderingen in de eigenschappen van het licht dat door een vezel gestuurd wordt om de externe factoren die de veranderingen veroorzaken te meten. Zo kunnen externe factoren er bijvoorbeeld voor zorgen dat de vezel lichtjes van vorm verandert, dat de brekingsindex of de lengte wijzigt. Deze veranderingen zullen hun invloed hebben op de geleiding van licht door deze vezel. Door dat licht en de variaties erop te meten kunnen we een verband leggen met de externe factoren die er de oorzaak van zijn. Figuur 1: Basisprincipe v/e optische vezelsensor Men kan optische vezelsensoren opdelen in verschillende klassen. Een eerste mogelijke opdeling onderscheidt 2 belangrijke types optische sensoren namelijk de zogenaamde extrinsieke en intrinsieke sensoren. De extrinsieke sensoren gebruiken optische vezels om licht te geleiden van en naar de sensor. De sensing gebeurt niet in de vezel zelf maar in een gecontroleerde omgeving in de sensor. De wijzigingen die in deze gecontroleerde omgeving optreden zullen hun invloed hebben op de fotonen die door de sensor passeren. Op die manier zijn de wijzigingen te meten aan de hand van het licht dat uit de vezel komt. De intrinsieke sensoren daarentegen gebruiken de vezel zelf om de omgeving op te meten. Veranderingen in deze omgeving zullen de parameters van de vezel wijzigen en zo het licht dat door de vezel stroomt beïnvloeden. Intrinsieke optische vezelsensoren zijn veel gevoeliger dan extrinsieke. Dit heeft het nadeel dat ze ook gevoeliger zijn aan ruis. Intrinsieke vezels zijn dan weer wel bruikbaarder in distributed sensing applicaties, waar een groter gebied moet bestreken worden met meerdere sensoren op een lange vezel. Dit is omdat de interconnecties, tussen de vezels die als sensor dienst doen, goede en eenvoudige splices zijn, met weinig verliezen, in plaats van connectors met grotere verliezen. Soms wordt zelfs een glasvezel uit 1 stuk gebruikt! Extrinsieke sensoren vinden hun toepassing in positioneringssystemen voor luchtvaarttoepassingen of in monitoring-toepassingen voor bijvoorbeeld druk, temperatuur, vloeistofniveau of debietmetingen. Intrinsieke sensoren worden gebruikt om trillingen, rotaties, geluidsgolven en rek te meten. Optische vezelsensoren kunnen ook opgedeeld worden volgens de parameter die ze moduleren of demoduleren. Voorbeelden van deze parameters zijn amplitude/intensiteit, fase of frequentie. Door de parameters te vergelijken van licht Pagina 2/12

3 dat naar de sensor gestuurd is en licht dat terugkomt van de sensor, kan je meetbare data bekomen. Het makkelijkste te bouwen zijn de optische vezelsensoren die de intensiteit moduleren. De beste resolutie en gevoeligheid wordt bereikt door sensoren die fase of frequentie moduleren. Deze laatste worden ook interferometrische sensors genoemd omdat ze gebaseerd zijn op interferometrische technieken. Basics: Distributed sensing [3] Omdat optische vezelsensoren dikwijls punt-sensoren zijn, zijn er heel veel sensoren nodig om een gebied te kunnen bestrijken aangezien je enkel discrete punten kan meten. Daarom is distributed sensing een betere oplossing want daarmee kan men, rekening houdend met de resolutie van de toepassing, een willekeurig punt op de vezel als sensor gebruiken. Er zijn 2 gangbare technieken om informatie uit de verschillende meetpunten in zulk een distributed sensor te onderscheiden. Een eerste techniek is OTDR 1. Bij deze techniek wordt een korte laserpuls in de glasvezel gestuurd. Als de vezel ergens een variatie ondergaat, bijvoorbeeld een brekingsindexwijziging, dan treedt er reflectie op. De afstand tot deze reflectie en dus ook de plaats waar de verandering optrad, kan nauwkeurig gemeten worden door de vertraging te meten waarmee de gereflecteerde puls de ontvanger terug bereikt. Door te kijken naar de mate waarin het licht gereflecteerd werd op die plaats, kan je informatie halen over de externe oorzaak die deze reflectie heeft veroorzaakt. Een andere techniek is FMWC 2. Hierbij wordt frequentiemodulatie gebruikt voor plaatsbepaling van het geëxciteerde punt. Laserlicht wordt voor een gedeelte in een referentie-arm gekoppeld. De rest van het licht koppelt men in de vezel die als sensor dienst doet. Reflecties van geëxciteerde punten op de vezel, worden in de ontvanger gemixt met licht dat gereflecteerd is op het einde van de referentie vezel. Als het optisch weglengte verschil tussen beide vezels kleiner is dan de coherentielengte van het laserlicht, zal er interferentie optreden. Door de interferentie te bekijken, kunnen we bepalen van welk punt de data afkomstig is. Figuur 2: Principeschets FMCW 1 Optical Time Domain Reflectometry 2 Frequency Modulated Continious Wave Pagina 3/12

4 Wat zijn de voordelen van optische vezelsensoren? [3] Optische vezelsensoren hebben veel voordelen ten opzichte van hun elektronische tegenhangers. Meestal zijn ze licht en klein, hebben ze een zeer goede gevoeligheid en een superieure bandbreedte. Verder kunnen signalen in een vezel niet gestoord worden door elektromagnetische interferentie omdat de vezel bestaat uit een diëlektrisch materiaal. Een ander heel belangrijk voordeel is dat ze geen vonken of warmte genereren. Hierdoor kunnen ze veilig ingezet worden in gevaarlijke omgevingen met bijvoorbeeld brand- of explosiegevaar. Tenslotte verliest glasvezel zijn eigenschappen niet bij hoge temperatuur of in een corrosief milieu. Ondanks alle voordelen zijn optische vezelsensoren nog niet overal aanwezig. Helaas zijn de sensoren nog complex, kwetsbaar en duur. Toepassingen 1. Fiber Bragg grating [4], [5], [6] Een fiber Bragg grating (FBG) is een optische vezel waarbij de brekingsindex van de kern gewijzigd is volgens een periodisch of quasi-periodisch profiel. Een smalle band van het spectrum van het optisch signaal zal hierdoor reflecteren op deze plaats, terwijl de rest van het spectrum doorgezonden wordt. Deze gratings kunnen worden geproduceerd door middel van het photosensitivity effect. Dit effect komt erop neer dat bij bestraling van de glasvezel met UV licht, er een blijvende stijging in de brekingsindex optreedt bij bepaalde gedopeerde glassoorten. Deze stijging is in orde van 10-6 tot 10-3 en kan mits speciale behandeling worden opgedreven tot Meestal wordt enkel de kern van de vezel met UV licht bestraald. Figuur 3: UV belichting om fiber Bragg grating te vormen Pagina 4/12

5 Toepassingen hiervan vinden we onder andere in filters voor Wavelength Division Multiplexing, waar een selectie van golflengtes moet worden tegengehouden. Nog veel interessanter zijn de sensoren die op basis van de FBG kunnen worden gemaakt. In een toepassing voor de luchtvaart gaat men de vermoeiing van vliegtuigonderdelen onder invloed van temperatuur en druk continu opmeten. Mogelijke invloeden zijn bijvoorbeeld de decompressie van de cabine, de buiging en de vibratie tijdens de vlucht. Vroeger werden de vliegtuigen periodisch onderzocht waarbij men gebruik maakte van elektrische sensoren die overal op het vliegtuig geplaatst werden en die de rek in de romp opmaten. Aan elke sensor hingen enkele draden en het gewicht van de kabels kon tot meer dan een ton oplopen. Bij een nieuwe methode, op basis van glasvezel, wordt er een glasvezel aan het toestel gelijmd. Deze glasvezel is met UV licht behandeld en bestaat eigenlijk uit duizenden fiber Bragg gratings. Wanneer er dan spanning of rek ontstaat, zal op die plaats de brekingsindex van de vezel beïnvloed worden. Hierdoor zal op zijn beurt de FBG die zich op die plaats bevindt, een andere golflengte reflecteren en zal het spectrum van het licht dat door de vezel gaat, veranderen. Dit kan men onderaan op figuur 3 goed zien. Daar treedt een verschuiving in golflengte van de gereflecteerde piek uit, veroorzaakt door rek op de vezel. Door dit te detecteren met een OTDR, is dit systeem in staat om overal en continu de spanning en rek te meten. De winst in gewicht is zeer groot bij het gebruik van glasvezel ten opzichte van de vorige generatie sensoren met koperdraad. Een ander gebied waar de optisch gebaseerde reksensors duidelijke voordelen hebben tegenover hun elektrische broertjes, zijn de ruimtetuigen, waar gewicht en hoge performantie zeer belangrijk zijn. Mogelijke oorzaken van degradatie van het ruimtetuig kunnen vibraties zijn, afkomstig van koelers, schokken of impact van objecten op de romp. Het is dus logisch dat men deze wenst te meten. De optische vezelsensoren winnen hier veel terrein, vooral omdat ze een hogere gevoeligheid hebben en ook immuun zijn aan elektromagnetische interferentie. 2. Hydrofoon [7] Ultrasone hydrofoons worden gebruikt om medische en industriële ultrasone geluidsvelden te karakteriseren. Een bestaande techniek is om de hydrofoons te bouwen op basis van piëzo-elektrische kristallen. Een duidelijk nadeel hiervan is hun gevoeligheid aan elektro-magnetische interferentie. Men is terecht gekomen bij de hydrofoon uitgevoerd als optische vezelsensor. Het systeem bestaat uit een laserdiode, een photodetector en een coupler. De sensor zelf is een single mode fiber waar het laserlicht ingestuurd wordt. Aan het uiteinde van de fiber is een 25 µm dikke parylene film aangebracht die dienst doet als akoestisch element en die vacuüm bevestigd is op de vezel. De wanden van de film hebben een reflecterende coating, waardoor hij werkt als Fabry-Pérot interferometer. Een invallende geluidsgolf zal de film induwen aangezien geluid drukgolven zijn en dus de lengte van de interferometer wijzigen. Hierdoor is het mogelijk de akoestische golf te meten. Pagina 5/12

6 Figuur 4: Hydrofoon Enkele voordelen tegenover de aanpak met piëzo-elektrische kristallen zijn: Relatief lage prijs voor de sensor-heads (dit is de vezel met de film erop), vergeleken met de piëzo-elektrische kristallen. Tegelijkertijd kan de temperatuur en de druk worden opgemeten: de temperatuur kan de lengte van de interferometer veranderen en dit zal bijgevolg ook opgemeten worden In omgevingen waar de kans bestaat dat het materiaal beschadigd wordt door vb. corrosieve vloeistoffen, zal men minder graag de piëzo-elektrische hydrofoon gebruiken. Bij beschadiging hiervan moet een nieuwe sensor aangekocht worden. Bij de fibersensor hydrofoon liggen de zaken anders: bij metingen op schepen bijvoorbeeld, kan men de laser en de photodetector aan boord laten en enkel stukken fiber in het water laten zakken. Op die manier kan de dure laserapparatuur beschermd worden tegen beschadigingen. 3. Fotonische sensor [8] Figuur 5: Fotonische sensor Pagina 6/12

7 Een andere optische vezelsensor, is de fotonische sensor. Deze wordt gebruikt om verplaatsingen van objecten te meten. De werking is redelijk eenvoudig. Een aantal fibers worden aan een lichtbron gekoppeld, deze worden de transmitting fibers genoemd. De rest van de glasvezels worden de receiving fibers genoemd en deze zijn gekoppeld aan een lichtdetector, die een voltage aan zijn output heeft, evenredig met de intensiteit van het binnenkomende licht in de vezel. Als we dus de verplaatsing van een object willen meten, zal er licht uitgestuurd worden in de transmitting fibers. Dit licht reflecteert op het oppervlak van het te meten object en een deel ervan komt binnen in de receiving fiber en zal zo invallen op de lichtdetector. Wanneer het object verder verwijderd wordt, zal de intensiteit van het licht dat invalt op de detector, minder zijn. De intensiteit van het gereflecteerde licht op het oppervlak is immers een functie van de afstand tussen de probe en het object. Dit type sensor kan zelfs gebruikt worden om de ruwheid van materialen te bestuderen, op voorwaarde dat de afstand tussen de receiving en de transmitting fibers van dezelfde grootte-orde is als de ruwheid van het te meten object. Een voordeel van deze sensor is dat er geen bewegende onderdelen aanwezig zijn en er dus minder kans is dat de sensor stuk gaat. Daarbij komt ook nog dat bij de meting geen contact met het object moet worden gemaakt, waar dit bij andere verplaatsingssensoren wel nodig is. Een nadeel is dat de sensor telkens opnieuw moet gekalibreerd worden als de brekingsindex van het te meten object verandert. 4. Temperatuursensor [9], [10] Temperatuursensoren vormen de grootste klasse van de commercieel beschikbare optische vezelsensoren. Verschillende fenomenen uit de fysica worden aangewend om temperaturen op te meten en er zijn dus ook verschillende realisaties van dit type sensor. Er moet opgemerkt worden dat de sensoren die beschikbaar zijn maar in bepaalde temperatuurbereiken kunnen meten. Er bestaan sensoren voor kleinere bereiken tussen 50 C en 1000 C. We zullen de 3 voornaamste technieken bespreken die commercieel gebruikt worden: a. Pyrometrie op afstand Deze techniek maakt gebruik van optische fibers om het blackbody stralingsspectrum van een klein object, vb. een saffier, door te sturen naar een meettoestel. Dit is vooral populair bij het meten van hoge temperaturen. b. Fabry-Pérot interferometer Deze temperatuursensoren meten de wijziging in de lengte van het optische pad van een stukje materiaal waarvan de brekingsindex en uitzettingscoëfficiënt in functie van de temperatuur bekend zijn. Soms maakt men ook gebruik van meerdere golflengtes om neveneffecten zoals rek op de vezel te kunnen negeren. Afhankelijk van het verpakkingsmateriaal, gaan deze sensoren tot ongeveer 400 C. Pagina 7/12

8 c. Meten op basis van het verval Figuur 6: Excitatie en exponentieel verval Figuur 7: Temperatuursensor op basis van het verval Als we de fiber doperen met vb. Neodymium en hem exciteren met een puls (figuur 6), zal er een verval optreden van de lichtintensiteit met een exponentiële vorm. Dit verval is afhankelijk van de temperatuur en na calibratie van onze sensoren, zullen we nauwkeurig de temperatuur kunnen uitlezen met een resolutie van 0.1 C. Het bereik van dit type sensor gaat van -30 C tot 500 C. Deze techniek is de meest populaire bij de fabrikanten. d. Gedistribueerde systemen Als laatste punt willen we opmerken dat er ook gedistribueerde temperatuursensoren bestaan. Er is een geval bekend waar een Erbium-gedopeerde glasvezel van 30 km lang die een plaatsresolutie van 6.5 m en een temperatuurresolutie van 2.3 C had. Dit systeem vindt ook toepassingen in de brandveiligheid: Een firma, Sensa genaamd, specialiseert zich in brandbeveiliging in tunnels, gebaseerd op optische vezel temperatuursensoren. Pagina 8/12

9 Figuur 8: Branddetectiesysteem op basis van optische vezelsensoren Voor kritische toepassingen wordt er een zogenaamde SensorTube gebruikt, hetgeen multimode glasvezel is die in een 6.4 mm diameter buis wordt geschoten. De buis is gemaakt van roestvrij staal, met een additief van titanium. Op die manier is er een goede thermische gevoeligheid omdat metalen goede geleiders zijn van warmte en is er ook voldoende stevigheid. De aangegeven DTS-unit op de tekening is een volledig meetsysteem om de thermische veranderingen te detecteren aan de hand van het spectrum dat uit de vezel komt. Verder wordt de vezel in een lus gelegd, opdat het detectie systeem nog zou functioneren na een fiberbreuk. 5. Optische vezelgyroscoop [11] De optische vezelgyroscoop is gebaseerd op het Sagnac effect, zoals in de figuur uitgelegd. Figuur 9: Sagnac effect Het Sagnac effect is een relativistisch effect. Neem aan dat een spoel met vezel met N windingen en straal R draait met de wijzers van de klok met hoeksnelheid Ω en dat 2. π.r.n licht ingebracht wordt in de lus op tijdstip t=0. Op tijdstip t = komt de straal c die kloksgewijs ging de andere straal tegen op het oorspronkelijke startpunt (gestreepte lijn). Maar omwille van de rotatie van de spoel hebben beide stralen een andere weglengte afgelegd gezien vanuit een inertieel assenstelsel. Dit weglengteverschil geeft aanleiding tot een faseverschil dat afhankelijkheid van de hoeksnelheid Ω. Op dit effect is de optische vezelgyroscoop gebaseerd (zie figuur). Pagina 9/12

10 Figuur 10: Optische gyroscoop 3 De werking is als volgt: het laserlicht wordt opgedeeld in 2 gelijke stralen gesplitst door de beamsplitter. De ene straal zal kloksgewijs door de lus gaan, de andere tegen de klok in. Na het doorlopen van de lus komen ze elkaar tegen en zullen ze met elkaar interfereren aangezien ze een andere optische weglengte hebben afgelegd en er dus een faseverschil zal optreden. De resulterende straal wordt naar de fotodiode geleid en daar kan uit dit faseverschil de rotatiesnelheid worden afgeleid. De optische vezelgyroscoop is superieur aan zijn mechanisch equivalent omdat hij geen bewegende onderdelen heeft en dus geen onderhoud vereist. Dit type van gyroscoop heeft veel toepassingen, vooral in de luchtvaart en in GPSontvangers. 6. Opmeten van elektrische velden [2] Door gebruik te maken van gepolariseerd licht, kunnen elektrische velden opgemeten worden met een optische vezelsensor. Het Faraday-rotatie effect zorgt ervoor dat de polarisatie van het licht wijzigt onder invloed van de aanwezige elektromagnetische velden, ofwel in de vezel zelf, ofwel in speciale materialen zoals dubbelbrekende kristallen. Door de wijziging in de polarisatie van het licht te meten kunnen we de bijhorende velden meten. De detectie van de polarisatie kan omgezet worden in de detectie van intensiteit door een aangepast, gepolariseerd filter te gebruiken. Hier kan onder verstaan worden dat we een filter gebruiken die enkel de oorspronkelijke polarisatie van het licht doorlaat. Stel dat een rotatie in de polarisatierichting optreedt, dan zal het filter slechts de component van het licht doorlaten die evenwijdig is aan het ingestuurde licht. Hierdoor treedt een intensiteitvermindering op die meetbaar is en in verband staat tot de rotatie en dus tot het aanwezige veld. 3 CW = clockwise; CCW = counter-clockwise. Pagina 10/12

11 Figuur 11: Wijziging van polarisatie door Faraday-rotatie-effect Conclusie We mogen besluiten dat sensoren gebaseerd op optische vezels veel voordelen hebben ten opzichte van hun elektrische equivalenten. Zowel qua gevoeligheid, bandbreedte, ruis, prestaties en inzetbaarheid overtreffen ze hun concurrenten. Dit alles is mogelijk dankzij veel onderzoek in het glasvezeldomein. Hoewel deze sensoren nog kwetsbaar en duur zijn, zijn we ervan overtuigd dat ze voor high-end toepassingen de hele markt zullen veroveren. Bibliografie [1] Optical Sensor Technologies : [2] CULSHAW B Fiber Optics in Sensing and Measurement IEEE Journal of selected topics in quantum electronics vol. 6 no.6 p [3] JIANG S., BRAK P Fiber Lasers advance sensing applications Laser Focus World June 2004 p [4] Fiber Bragg gratings: [5] SKAAR J. Synthesis and characterization of fiber Bragg gratings [6] FRIEBELE E.J. et al. Optical Fiber sensors for spacecraft applications [7] Optical Fiber Hydrophone: us-detection/opticalfibrehp/optical_fibre_hydrophone.htm [8] efunda: Introduction to Fiber Optic Sensors [9] Fibre Optic Sensors for Temperature Monitoring [10] SENSA: Optical Fiber Distributed Sensing: [11] Sagnac interferometer: node11.html Pagina 11/12

12 Figuren [1] CULSHAW B Fiber Optics in Sensing and Measurement IEEE Journal of selected topics in quantum electronics vol. 6 no.6 p [2] ~ KEEY SEAH L., CHIN WON P. Distributed Strain Sensing Using Frequency Modulated Continous-wave Reflectometric Optical Technique [3] SKAAR J. Synthesis and characterization of fiber Bragg gratings [4] Optical Fiber Hydrophone: us-detection/opticalfibrehp/optical_fibre_hydrophone.htm [5] efunda: Introduction to Fiber Optic Sensors [6] Fibre Optic Sensors for Temperature Monitoring [7] Fibre Optic Sensors for Temperature Monitoring [8] SENSA: Optical Fiber Distributed Sensing: [9] Sagnac interferometer: node11.html [10] Sagnac interferometer: node11.html [11] CULSHAW B Fiber Optics in Sensing and Measurement IEEE Journal of selected topics in quantum electronics vol. 6 no.6 p Tabellen [1] Optical Sensor Technologies: Pagina 12/12