Laserul (amplificarea luminii prin emisie stimulată a radiației) produce radiații electromagnetice în benzile ultraviolet, vizibilă sau infraroșu ale spectrului. Un laser poate furniza o sursă de lumină monocromatică cu o singură frecvență. Mai mult, radiația electromagnetică dintr-un laser este coerentă în sensul că toate undele generate au unghiuri de fază constante. Laserul utilizează oscilații ale atomilor sau moleculelor diferitelor elemente. Laserul este util în fibre optice. Dar poate fi folosit direct și în aplicații de detectare și de calibrare. Laserul heliu-neon (He–Ne) și laserul semiconductor sunt utilizate uzual în aplicații cu senzori optici.

Componenta caracteristică a unui senzor cu fibră optică este un pachet de fibre de sticlă (de obicei câteva sute) care pot transporta lumină. Fiecare fibră optică poate avea un diametru de ordinul a câțiva μm până la aproximativ 0,01 mm. Există două tipuri de bază de senzori cu fibră optică. Într-un tip - „indirect” sau extrinsec - fibra optică acționează numai ca mediul în care se transmite lumina senzorului. În acest tip, elementul senzor în sine nu constă din fibre optice. În cel de-al doilea tip - „direct” sau intrinsec - fibra optică însăși acționează ca element senzor. Când condițiile mediului sesizat se schimbă, proprietățile de propagarea luminii a fibrelor optice se schimbă (de exemplu, datorită micro-îndoirii unei fibre drepte ca urmare a unei forțe aplicate), oferind o măsurare a modificării condițiilor. Exemple de primele tipuri (extrinseci) de senzori includ senzori de poziție cu fibră optică, senzori tactili și senzori de proximitate. Al doilea tip (intrinsec) de senzor se găsește, de exemplu, în giroscoape cu fibră optică, hidrofoane cu fibră optică și unele tipuri de dispozitive MEMS senzori de micro-deplasare sau de forță.

6.10.1 Senzor de poziție cu fibră optică

În figura 6.36 este arătată o schemă bloc a unui senzor de poziție cu fibră optică (sau senzor de proximitate sau de deplasare).

FIGURA 6.36 Un senzor de poziție cu fibră optică

Pachetul de fibre optice este împărțit în două grupuri: fibre de transmisie și fibre receptoare. Lumina de la sursa de lumină este transmisă de-a lungul primului pachet de fibre către obiectul țintă a cărui poziție este măsurată. Lumina reflectată (sau difuzată) pe fibrele receptoare de suprafața obiectului țintă este transportată la un fotodetector. Intensitatea luminii primite de fotodetector va depinde de poziția x a obiectului țintă. În particular, dacă x = 0, pachetul de transmisie va fi complet blocat, iar intensitatea luminii la receptor va fi zero. Pe măsură ce x este crescut, intensitatea luminii primite va crește, deoarece din ce în ce mai multă lumină se va reflecta pe vârful pachetului de primire. Aceasta va atinge un vârf la o anumită valoare x. Când x este crescut peste această valoare, din ce în ce mai mult se va reflecta lumina în afara pachetului de primire; prin urmare, intensitatea luminii primite va scădea. În general, deci, curba proximitate-intensitate pentru un senzor optic de proximitate va fi neliniară și va avea forma prezentată în figura 6.37. Folosind această curbă (calibrare), putem determina poziția (x) când intensitatea luminii primit la fotosenzor este cunoscută. Sursa de lumină ar putea fi un laser (lumină structurată), sursă de lumină în infraroșu sau un alt tip, cum ar fi un LED. Senzorul de lumină (fotodetector) ar putea fi un dispozitiv cum ar fi o fotodiodă sau un fototranzistor cu efect de câmp (foto-FET). Acest tip de senzor cu fibră optică poate fi utilizat cu un dispozitiv frontal adecvat (cum ar fi burduf, arcuri etc.) pentru a măsura presiunea, forța etc.

FIGURA 6.37 Principiul unui senzor de proximitate cu fibră optică

6.10.2 Interferometru laser

Acest senzor este util în măsurarea exactă a deplasărilor mici. În acest senzor de poziție cu fibră optică, același pachet de fibre este utilizat pentru trimiterea și primirea unui fascicul de lumină monocromatică (de obicei, un laser). Alternativ, fibrele monomod, care transmit numai lumină monocromatică (cu o lungime de undă specifică) pot fi utilizate în acest scop. În ambele cazuri, așa cum se arată în figura 6.38, un divizor (splitter) de fascicul (A) este utilizat astfel încât o parte a luminii să fie direct reflectată înapoi la vârful pachetului, iar cealaltă parte să ajungă la obiectul țintă (ca în figura 6.36) și să fie reflectată înapoi din acesta (folosind un reflector montat pe obiect) pe vârful pachetului. În acest mod, o parte a luminii care se întorcea prin pachet nu s-a deplasat dincolo de divizorul de fascicul, în timp ce cealaltă parte a călătorit între divizorul de fascicul (A) și obiect (printr-o distanță suplimentară egală cu de două ori separarea dintre divizorul de fascicul și obiect). Ca urmare, cele două componente ale luminii vor avea o diferență de fază ϕ, care este dată de

unde
x este distanța obiectului țintă de la divizorul de fascicul
λ este lungimea de undă a luminii monocromatice

Lumina de întoarcere este direcționată către un senzor de lumină folosind un splitter de fascicul (B). Semnalul detectat este procesat folosind principii de interferometrie pentru a determina ϕ și din ecuația 6.41, distanța x. Rezoluții foarte fine, mai bune decât o fracțiune dintr-un micrometru (μm), pot fi obținute folosind acest tip de senzor de poziție cu fibră optică.

Avantajele fibrelor optice includ insensibilitatea la zgomotul electric și magnetic (datorită cuplării optice); operare sigură în medii explozive, cu temperaturi ridicate, corozive și periculoase; și sensibilitate ridicată. În plus, nu există probleme de încărcare mecanică și de uzură, deoarece senzorii de poziție cu fibră optică sunt dispozitive fără contact și fără părți mobile. Dezavantajele includ sensibilitatea directă la variațiile intensității sursei de lumină și dependența de condițiile de mediu (temperatură, murdărie, umiditate, fum etc.). Dar, poate fi făcută compensația în ceea ce privește temperatura. Un encoder optic este un traductor de mișcare digital (sau generator de impulsuri), despre care vom discuta mai târziu în acest capitol. Aici, un fascicul de lumină este interceptat de un disc în mișcare care are un model de ferestre transparente. Lumina care trece prin el, așa cum a fost detectată de un fotosenzor, oferă ieșirea traductorului. Acești senzori pot fi, de asemenea, considerați în categoria extrinsecă.

FIGURA 6.38 Senzor de poziție cu interferometru laser

Ca o aplicație intrinsecă a fibrelor optice în detectare, considerați un element de fibră optică dreaptă care este susținut la cele două capete. În această configurație, aproape 100% din lumina de la capătul sursei se va transmite prin fibra optică și va ajunge la capătul detectorului (receptorului). Acum, să presupunem că o mică sarcină este aplicată segmentului de fibre optice la intervalul său mediu. Acesta se va deflecta ușor din cauza sarcinii și, ca urmare, cantitatea de lumină primită la detector poate scădea semnificativ. De exemplu, o microdeflecție de doar 50 μm poate duce la o scădere a intensității la detector cu un factor de 25. Astfel de aranjament poate fi utilizat în detectarea deflecției, forței și tactilă. O altă aplicație intrinsecă este giroscopul cu fibră optică, așa cum este descris în continuare.

6.10.3 Groscopul cu fibră optică

Acesta este un senzor de viteză unghiulară care folosește fibră optică. Contrar implicației numelui său, însă, nu este un giroscop în sensul convențional. Două bucle de fibre optice înfășurate în jurul unui cilindru sunt utilizate în acest senzor și se rotesc cu cilindrul la aceeași viteză unghiulară, care trebuie detectată. O buclă poartă un fascicul de lumină monocromatică (sau laser) în direcția acelor de ceasornic (cw); cealaltă buclă poartă un fascicul din aceeași sursă de lumină (laser) în direcția inversă acelor de ceasornic (ccw) (vezi figura 6.39). Deoarece fasciculul laser care se deplasează în direcția de rotație a cilindrului atinge o frecvență mai mare decât cea a celuilalt fascicul, diferența de frecvențe (cunoscută sub numele de efect Sagnac) a celor două fascicule laser receptate într-o locație comună va măsura viteza unghiulară a cilindrului. Acest lucru se poate realiza prin interferometrie, deoarece semnalul combinat este un ritm (beat) sinusoidal. Drept urmare, în lumina detectată vor fi prezente modele de lumină și întuneric (franjuri) și vor măsura diferența de frecvență și, prin urmare, viteza de rotire a fibrelor optice.

FIGURA 6.39 Un giroscop laser cu fibră optică

Într-un giroscop (inel) cu laser, nu este necesar să existe o cale circulară pentru laser. Căile triunghiulare și pătrate sunt frecvent utilizate de asemenea. În general, frecvența bătăii Δω a luminii combinate de la două fascicule laser care se deplasează în direcții opuse este dată de

unde
A este aria închisă pe calea de deplasare (πr² pentru un cilindru cu raza r)
p este lungimea (perimetrul) traseului parcurs (2πr pentru un cilindru)
λ este lungimea de undă a laserului
Ω este viteza unghiulară a obiectului (sau fibra optică)

Lungimea fibrei optice înfășurată în jurul obiectului rotativ poate depăși 100 m și poate fi de aprox. 1 km. Deplasările unghiulare pot fi măsurate cu un gyro laser, prin simpla numărare a numărului de cicluri și a fracțiilor de tact ale ciclurilor. Accelerația poate fi determinată prin determinarea digitală a ratei de variație a vitezei. Într-un gyro cu laser, există o alternativă pentru a utiliza două bucle separate de fibră optică, înfășurate în direcții opuse. Aceeași buclă poate fi folosită pentru a transmite lumină de la același laser de la capetele opuse ale fibrei. În acest caz trebuie utilizat un splitter de fascicul, așa cum se arată în figura 6.39.

6.10.4 Interferometru Doppler Laser

Interferometrul Doppler cu laser este utilizat pentru măsurarea exactă a vitezei. Pentru a înțelege funcționarea acestui dispozitiv, ar trebui să explicăm două fenomene: efectul Doppler și interferența undelor luminoase. Ultimul fenomen este folosit în senzorul de poziție interferometru cu laser, despre care am discutat anterior. Considerați o sursă de undă (de exemplu, o sursă de lumină sau o sursă de sunet) care se mișcă în raport cu un receptor (observator). Dacă sursa se deplasează spre receptor, frecvența undei primite pare să fi crescut; dacă sursa se îndepărtează de receptor, frecvența undei primite pare să fi scăzut. Modificarea frecvenței este proporțională cu viteza sursei în raport cu receptorul. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect Doppler. Considerăm acum o undă de lumină monocromatică (cu o singură frecvență) de frecvență f (să zicem 5 × 10¹⁴ Hz) emis de o sursă laser. Dacă această rază este reflectată de un obiect țintă și recepționată de un detector de lumină, frecvența undei primite ar fi f2 = f + Δf. Creșterea frecvenței Δf va fi proporțională cu viteza v a obiectului țintă, care se presupune a fi pozitivă atunci când vă deplasați către sursa de lumină. Specific,

unde c este viteza luminii în mediul particular (de obicei, aerul). Comparând acum frecvența f2 a undei reflectate cu frecvența f1 = f a undei originale, putem determina Δf și, prin urmare, viteza v a obiectului țintă.

Modificarea frecvenței Δf datorită efectului Doppler poate fi determinată prin observarea modelului de franjuri datorită interferenței undelor de lumină. Pentru a înțelege acest lucru, considerați cele două unde v1 = asin 2πf1t și v2 = asin 2πf2t. Dacă adunăm aceste două unde, unda rezultată ar fi v = v1 + v2 = a (sin 2πf1t + sin 2πf2t), care poate fi exprimată ca

FIGURA 6.40 Un interferometru laser-Doppler pentru măsurarea vitezei și deplasării

Rezultă că semnalul combinat bate la frecvența de ritm Δf/2. Deoarece f2 este foarte aproape de f1 (deoarece Δf este mic în comparație cu f), aceste bătăi vor apărea sub formă de linii întunecate și luminoase (franjuri) în unda de lumină rezultată. Aceasta este cunoscută sub numele de interferențe de undă. Rețineți că Δf poate fi determinat prin două metode: prin măsurarea spațierii franjurilor și prin numărarea bătăilor într-un interval de timp dat sau prin cronometrarea bătăilor succesive folosind un semnal de tact de înaltă-frecvență.

Viteza obiectului țintă este determinată în acest mod. Deplasarea poate fi obținută simplu prin integrare digitală (sau prin acumularea numărului). În figura 6.40 este prezentată o diagramă bloc pentru interferometrul Doppler cu laser. Interferometrele industriale utilizează de obicei un laser He–Ne, care are unde de două frecvențe strâns apropiate. În acest caz, aranjamentul prezentat în figura 6.40 trebuie modificat pentru a ține cont de cele două componente de frecvență.

Rețineți că interferometrul cu laser discutat anterior (Figura 6.38) măsoară direct deplasarea, mai degrabă decât viteza. Se bazează pe măsurarea diferenței de fază dintre fasciculele laser direct și retur, nu efectul Doppler (diferența de frecvență).

6.11 Senzori cu ultrasunete