Každá respektovaná laboratoř má svůj vědecký polygon, který není jen doplněním prováděných simulací nebo výroby, ale slouží pro návrh reálných modelů, testování a optimalizaci navrhovaných řešení.
3.1 Optoelektronické interferometry
Přechod z techniky ve volném prostoru na vláknovou optiku
Značná část optoelektronických senzorů využívá princip interference optického záření ve volném prostoru, ale vmoderní bezpečnostní technice sepoužívají optovláknové interferometry mnohem častěji než interferometry ve volném prostoru.
Přestože výkon optických senzorů je srovnatelný s klasickými hydrofony, přechod na optiku je motivován odolnosti proti elektromagnetickému rušení. Mezi další výhody lze zařadit malé fyzické rozměry, snadnou konfiguraci sondy, robustnost a poměrně nízké finanční náklady na komponenty.
Princip fungování interferometru
-
Na vazebním článku dojde k fázovému rozdílu mezi vlnami o π/2 už defaultně.
-
Následně dojde také v interferometru k dalšímu fázovému rozdílu mezi vlnami vlivem působení měřeného objektu.
-
Dodatečné změny fáze jsou tedy úměrné měřené veličině.
-
Pokud se tedy fáze v interferometru změní o dalších π/2, vlny budou ve fázi a dochází ke změnám rozložení interferenčních proužků, které se promítnou do střední hodnoty výkonu měřeného fotodiodou, jehož časový vývoj se zaznamenává.
Myšlenka interferometrického senzoru pracujícího ve volném prostoru.
Výhodou optovláknových distribuovaných senzorů je možnost pokrytí velkých oblastí a práce ve venkovních podmínkách, ve kterých není možná mechanická stabilizace a přímá viditelnost systému, které jsou kritická pro systémy ve volném prostoru.
Snad největším problémem je nemožnost vizuální kontroly interferenčních proužků uoptovláknových systémů. Uinterferometrů pracujících ve volném prostoru lze použit lasery pracující ve viditelném spektru a vizuálně kontrolovat vznik, rozložení, hustotu asměr interferenčních proužků. Uoptovláknových interferometru se používají zejména lasery pracující na vlnové délce 1300 a 1550 nm mimo viditelnou oblast, na kterých mají optická vlákna vyrobena z oxidu křemičitého minimum útlumu. Na těchto vlnových délkách vizuální kontrola není možná a musí se provádět pozorováním zákmitu časového vývoje výkonu záření detekovaného fotodiodou a zobrazeného na osciloskopu.
Pokud signál zobrazený na osciloskopu je v konstantní v čase a nejeví známky reakce na vibrace, snejvětší pravděpodobnosti není zobrazen výkon interferenčních proužků, ale odkloněný výkon laseru, který neinterferuje. Tato informace nahrazuje vizuální kontrolu přítomnosti proužků u interferometrů ve volném prostoru.
3.2 Optoelektronické interferometry
Pokud jde o vlastní návrh optického perimetru, nejjednodušší senzor se skládá ze čtyřportového optického vazebního článku, laseru a obvodu pro analýzu výsledků. Vazební článek představuje obdobu u Michelsonova interferometru v prostorové interferometrii.
Optovláknový Michelson interferometr s vláknovými zrcátky
Optovláknový interferometr se zpětným odrazem.
Optovláknový Sagnacův interferometr se smyčkou
U Sagnac interferometru jsou odstraněna vláknová zrcátka a obě ramena jsou spojena do smyčky, obě vlny se tedy šíří proti sobě a délka obou optických drah je v klidovém stavu praktický stejná.
Optovláknový interferometrický senzor s vláknovou smyčkou.
3.3 Oživení měření
Oživení interferometru
-
Pokud je použit DFB laser, v laboratorních podmínkách docílení interference by mělo být velice snadné a potenciální problémy jsou téměř vždy způsobeny těmito problémy:
-
Slabým přenosem měřené veličiny na změny optické dráhy
-
Nesprávnou interpretaci měřeného signálu
-
Špatným nastavením osciloskopu (v případě měření frekvence nutno přepnout na analýzu FFT)
-
Pokud interferometr nereaguje na vibrace okolí, problémem může být nízký kontrast proužků
Problémem nekvalitních laserů je překročení koherenční délky, pro kterou dojde k interferenci, a kvůli které není možné instalovat dlouhá vlákna perimetru.
Praktické poznatky když nelze pozorovat interferenci...
-
Provést rozbor interferometru a prozkoumat vliv každé komponenty na měřený signál „per partes“
-
Zkontrolovat nastavení osciloskopu
-
Změřit výkon na výstupu interferometru a zkontrolovat, zda fotodioda a zesilovač, na který je připojená, detekuje tak slabý výkon
-
Identifikovat zdroje útlumu
3.4 Interferogram, interferenční proužky
Interferenční proužky ve viditelném elektromagnetickém spektru.
Počet a šířka proužku na jednotku plochy jsou funkcí nastavení rozdílu délek obou ramen Michelsonova interferometru.
Izolace referenčního ramene od měřicího ramene
-
Když se rozkmitá jedno rameno interferometru - na interferogramu se budou objevovat interferenční proužky a jejich počet je úměrný amplitudě kmitání.
Jak často se ten počet bude měnit? Rychlost změny uspořádání proužků je úměrná frekvenci. Toto platí pravděpodobně i pro druhé rameno. Pokud se tedy rozkmitají obě ramena, tak měření amplitudy bude již nepoužitelné, ale pro účely měření frekvence bude přesnost dostatečná.
3.5 Typické R&D bezpečnostního systému na zakázku
Pracoviště pro vývoj modelu senzoru otřesu
Pracoviště pro vývoj modelu senzoru otřesu – kancelář Dr. Luckého. 1 – osciloskop, 2 – generátor signálů, 3 – elektrický zesilovač, 4 – kontrolér proudu laseru, 5 – kontrolér teploty, 6 – zkoumaný objekt – reproduktor jako model zdroje vibrací, 7 – fotodioda pro konvenční telekomunikační pásmo, 8 – optická lavice, 9 – optický vazební článek, 10 – polarizátor, 11 – DFB laser, 12 – optovláknové dielektrická zrcátka.
Měření na interferometru.
3.6 Vývoj optovláknového interferometrického perimetru a senzoru vibrací
Komponenty
Univerzální laserové pouzdro značky Thorlabs s elektronickými obvody a zdířky pro laserovou diodu.
Laserová dioda – laser DFB s optickým konektorem.
Doporučuji používat pouze DFB lasery s výkonem větším než 2 mW. Použití FP laserů se nedoporučuje. Tyto lasery jsou výkonově často lepší než jiné polovodičové lasery, pracují na stejných vlnových délkách, vyznačují se podobnou teplotní stabilitou a bývají zapouzdřené do stejných pouzder jako DFB lasery, od kterých jsou mnohem levnější. Přesto mají mnohem kratší koherenční délkou (spíše desítky ane stovky metrů), která většinou není uvedená v katalogovém listu.
Mikrorotátor pro nastavení rozdílu optických drah ramen interferometru s přesnosti poloviny vlnové délky v řadu stovek nanometru.
Optovláknová dielektrická zrcátka.
3.7 Měřený objekt
Měřený objekt – reproduktor jako model zdroje vibrací
Měřený objekt – reproduktor jako model zdroje vibrací, rezonance, amplitudy a frekvence.
Spektrální charakteristika měřeného reproduktoru – patrná rezonance na 30 Hz.
Charakteristika reproduktoru ukazuje rezonanci v oblasti nízkých frekvencí (33 Hz) a pracovní pásmo > 20 Hz a < 20 kHz, které pokrývá celé řečové pásmo v telefonní technice 300 Hz do 3400 Hz, proto jej lze považovat za dobrý model zdroje zvuku.