senzori fibra optica

Cuprins

1. Introducere.............................................................................................................................3

1.1. Clasificarea fibrelor optice...........................................................................................3

1.2. Fibre optice speciale.....................................................................................................4

2. Senzori cu fibre optice...........................................................................................................6

2.1. Mărimi măsurabile prin metode optice...........................................................................6

2.2. Clasificarea senzorilor cu fibre optice.............................................................................6

2.3. Fenomene fizice întâlnite la senzorii cu fibre optice.......................................................8

2.3.1. Reflexia....................................................................................................................8

2.3.2. Absorbţia..................................................................................................................9

2.3.3. Luminiscenţa............................................................................................................9

2.3.4. Împrăştierea..............................................................................................................9

2.3.5. Birefringenţa.............................................................................................................9

2.3.6. Câmpul evanescent.................................................................................................11

2.3.7. Efectul electro-optic...............................................................................................11

2.3.8. Efectul fotoelastic...................................................................................................12

2.3.9. Efectul magneto-optic............................................................................................12

3. Senzori de marcaj colorat şi RGB.......................................................................................13

3.1. Principiul de funcţionare............................................................................................13

3.2. Modul de lucru............................................................................................................15

3.3. Măsurarea. Senzori de deplasare................................................................................16

3.3.1. Aplicaţii...............................................................................................................16

3.3.2. Instalare...............................................................................................................17

3.3.3. Rezoluţie şi linearitate.........................................................................................17

4. Senzori de culoare...............................................................................................................18

4.1. Principiul de funcţionare............................................................................................18

4.2. Folosirea senzorilor cu fibră optică............................................................................19

4.3. Amplificatoare cu fibră optică E3X-DAC-S..............................................................20

4.3.1. Schema montajulul experimental........................................................................20

Bibliografie...............................................................................................................................23

1

1. Introducere

Utilizarea fibrei optice în circuitele de măsură permite o creştere importantă a vitezei de lucru

şi a imunităţii la perturbaţii electromagnetice, precum şi o izolare electrică totală între obiectul de

măsură şi aparatul de măsură ceea ce simplifică mult problemele de ecranare, de conectare la masă şi

de protecţie a operatorului.

1.1. Clasificarea fibrelor optice

Fibra optică este un ghid de undă dielectric cilindric, care constă dintr-o regiune centrală

numită miez care are indicele de refracţie mai mare decât al materialului dielectric care înconjoară

miezul şi care formează cămaşa fibrei. Miezul, respectiv cămaşa sunt înconjurate de un înveliş cu rol

de protecţie împotriva forţelor exterioare şi care oferă o bună rezistenţă mecanică. Capacitatea ghidării

luminii în fibră este dependentă de proprietăţile miezului şi ale cămăşii. Sunt cele mai folosite ghiduri

de undă din zilele noastre. Principiul de funcţionare al acestor ghiduri de undă este bazat pe reflexia

totală a razelor de lumină la o suprafaţă de separaţie.

Figura 1.1. Structura de bază a unei fibrei optice

Sursă: http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

Există mai multe criterii de clasificare ale fibrelor optice. Ele se clasifică după materialele

dielectrice folosite la realizarea lor, după indicele de refracţie şi după modul de transmitere a radiaţiei

luminoase.

Funcţie de modul de trasmitere a radiaţiei luminoase fibrele pot fi multimodale şi

monomodale. Principalul parametru prin care se controlează numărul de moduri de ghidare a luminii

este indicele de refracţie.

2

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

După modul de variaţie al indicelui de refracţie al miezului fibrele optice pot fi cu variaţie

treaptă a indicelui de refracţie (step index) sau cu variaţie graduală a indicelui de refracţie (graded

index). Mai există şi alte configuraţii ale indicilor de refracţii: tip W, tip V, etc întâlnite la fibrele

monomodale.

Fig. 1.2 Tipuri de fibre optice

Figura 1.2. a) fibră optică monomodală; b) fibră optică multimodală

Sursă: http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

După materialele dielectrice folosite fibrele optice pot fi: cu miezul şi cămaşa din sticlă

(amestec în care predomină SiO2), cu miezul din sticlă şi cămaşa din plastic (polimer), cu miezul şi

cămaşa din plastic. În cazul fibrelor cu miez din sticlă, deşi sticla pură are atenuarea minimă, pentru

realizarea unor profile speciale ale indicelui de refracţie se folosesc diverse substanţe dopante, cele mai

uzuale fiind fosfor, fluor, germaniu. Pentru fibrele cu miez din plastic cel mai utilizat polimer este

polimetilmetacrilatul (PMMA).

1.2. Fibre optice speciale

Fibrele optice au fost dezvoltate mai întâi pentru aplicaţii privind transmisiile pe distanţe mari.

Oricum, deşi la marea majoritate a senzorilor se foloseau în mod curent acest tip de fibre, în mare

măsură datorită faptului că erau disponibile, această politică a dus la un compromis în design şi în

multe cazuri la performanţe marginale, sau chiar de neconceput datorită sensibilităţii excesive a

mediului de transmisie. În consecinţă, atenţia a fost îndreptată spre realizarea unor senzori cu fibre

optice de construcţie specială de sensibilitate mare specifică măsuranzilor.

Câteva fibre speciale sunt în prezent disponibile. Poate cele mai cunoscute sunt fibrele cu

birefringenţă ridicată. Asemenea fibre sunt folosite pentru realizarea giroscoapelor, şi sunt în cercetare

pentru utilizarea în sistemele coerente de comunicaţii. Ritmul dezvoltării este în creştere şi apar un

număr din ce în ce mai mare de aplicaţii specifice cu fibre optice. De exemplu, proprietăţile de

propagare neobişnuite ale fibrelor cu birefringenţă circulară sunt potrivite pentru detectarea câmpului

magnetic.

3


Se fac eforturi considerabile de a modifica proprietăţile fibrelor bazate pe sticlă prin

încorporarea potrivită cu dopanţi pentru îmbunătăţirea efectelor date. Astfel, coeficienţii acustooptici,

magnetooptici, electrooptici şi neliniari care sunt mici în cazul fibrelor din siliciu pot fi crescuţi prin

adăugarea de metale de tranziţie şi ioni de pământuri rare. Cu toate acestea ar trebui notat, că în

general, cele mai mari îmbunătăţiri în domeniul senzorilor, modulatorilor şi a altor echipamente pot fi

obţinute prin renunţarea întrutotul la materialele de bază şi folosirea de sticle compozite, polimeri.

Creşterea pierderilor care poate rezulta din folosirea sticlelor alternative nu este o problemă în mod

normal, întrucât este posibil o îmbunătăţire cu câteva ordine de mărime în sensibilitate a

echipamentului. Fibrele optice cu birefringenţă scăzută (LoBi) sunt fibrele în care radiaţia optică se

propagă şi îşi menţine starea de polarizare pe distanţe mari. Ideal ar trebui ca fibrele să aibă o

geometrie perfectă şi să fie complet simetrică de-a lungul axelor. De asemenea, ar trebui să fie

omogenă de-a lungul axelor. Fiecare stare de polarizare liniară poate fi reprezentată de două moduri

liniare ortogonale. În fibrele LoBi ideale aceste moduri se vor propaga cu viteză identică. În cele reale

există un număr de imperfecţiuni ca elipticitate, excentricitate, indoire, etc., care se traduc printr-o

diferenţă de viteză între cele două moduri de polarizare şi o diferenţă de fază între ele. Se folosesc în

cele mai populare configuraţii de senzori. Sunt disponibile pentru diametre între 80 125 m, la

lungimi de undă 633 nm, 850 nm, 1300nm, 1550 nm. Detecţia câmpului magnetic şi a curenţilor

electrici prin efectul Faraday necesită fibre cu birefringenţă liniară foarte scăzută pentru a permite

observarea rotaţiilor mici ale planului de polarizare induse de câmp. Acest lucru este în mod particular

important la senzorii de curent, unde câteva fibre optice sunt înfăşurate în jurul unui conductor prin

care circulă curent electric. Unghiul cu care planul de polarizare este rotit este proporţional cu integrala

câmpului magnetic în direcţia axială de-a lungul fibrei.

4

2. Senzori cu fibre optice

2.1. Mărimi măsurabile prin metode optice

Cele şase forme de energie exploatabile în domeniul senzorilor, determină categoriile de

mărimi măsurabile prin metode optice, după cum urmează:

mărimi mecanice (deplasare, rotaţie, forţă, viteză, acceleraţie, efort, presiune, debit, vibraţii,

câmp acustic);

mărimi electrice (curent, tensiune, câmp electric);

mărimi magnetice (câmp magnetic);

mărimi termice (temperatură);

mărimi chimice (pH, specii chimice, umiditate);

mărimi de tip radiant (radiaţie optică).

Datorită apariţiei unei varietăţi de senzori optoelectronici de uz medical, se poate adăuga o

nouă categorie de mărimi măsurabile, şi anume:

mărimi biologice.

Din punct de vedere energetic, mărimile biologice nu sunt pentru diferitele categorii menţionate

mai sus, dar caracteristicile senzorilor utilizaţi pentru măsurarea acestora diferă considerabil de cele ale

senzorilor pentru mărimile de tip industrial.

2.2. Clasificarea senzorilor cu fibre optice

În domeniul senzorilor cu fibre optice există, în momentul de faţă, o cantitate mare de

informaţii, deoarece acest domeniu a căpătat o extindere mare. Descoperirile s-au făcut necoordonat,

iar rezultatul acestui proces este un mozaic de soluţii de senzori cu fibre optice din cele mai diverse,

pentru aplicaţii la fel de diverse. Definirea unor criterii de clasificare semnificative pentru toate

categoriile de specialişti ce au legătură cu domeniul senzorilor cu fibre optice poate ajuta la

dezvoltarea mai rapidă a acestuia.

Clasificarea senzorilor cu fibre optice se face:

în funcţie de locul unde are loc procesul de interacţiune dintre mărimea de măsurat şi radiaţia

optică:

senzori intrinseci, la care interacţiunea are loc în fibră;

senzori extrinseci, la care interacţiunea are loc în afara fibrei;

senzori evanescenţi, la care interacţiunea are loc în proximitatea miezului fibrei.

în funcţie de parametrii radiaţiei optice modulate:

senzori cu fibre optice cu modulare în amplitudine (intensitate);

senzori cu fibre optice cu modulare în fază (senzori interferometrici);

5

senzori cu fibre optice cu modulare în frecvenţă (culoare);

senzori cu fibre optice cu modularea stării de polarizare.

Figura 2.1. Diagramă schematică a senzorilor cu fibre optice

Sursă: http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_2.pdf

Deşi majoritatea covârşitoare a senzorilor sunt de tip parametric la nivelul secţiunii optice,

există şi soluţii de senzori cu fibre optice de tip generator, care funcţionează pe baza radiaţiei corpului

negru.

Localizarea interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi radiaţia optică este un criteriu de

clasificare a senzorilor cu fibre optice cu caracter tehnologic devenit clasic şi va fi menţinut în

continuare, cu mici completări.

O definire riguroasă a acestor categorii se poate face pe baza soluţiilor ecuaţiilor de propagare a

luminii în zona activă a senzorului.

Există o categorie de senzori cu fibre optice intrinseci la care mărimea de măsurat nu

interacţionează direct cu radiaţia optică. În acest caz are loc o transformare intermediară a mărimii de

intrare într-o mărime mecanică (presiune, deplasare, etc). Se definesc două categorii de astfel de

senzori:

senzori intrinseci direcţi – mărimea de măsurat interacţionează direct cu lumina;

senzori intrinseci indirecţi – mărimea de măsurat suferă o transformare intermediară.

În funcţie de felul în care are loc modularea luminii senzorii intrinseci pot fi:

cu modularea fazei (senzorii interferometrici);

cu modularea polarizării (senzorii polarimetrici).

6

În marea majoritate a cazurilor senzorii intrinseci sunt realizaţi cu fibre optice monomodale.

Avantajul utilizării fibrelor monomodale este acela că sunt potrivite pentru realizarea de configuraţii

cu sensibilităţi şi precizii ridicate.

Mărimile care se pot măsura cu ajutorul acestor senzori sunt:

mărimi electrice (curent, tensiune, câmp electric);

mărimi magnetice (câmp magnetic);

mărimi termice (temperatură);

mărimi mecanice (rotaţie, effort, deplasare);

mărimi chimice.

Efectele care stau la baza senzorilor intrinseci cu fibre optice sunt:

efectul Faraday (senzori de curent, de câmp magnetic);

efectul Sagnac (giroscoape);

birefringenţa reciprocă datorată deformărilor elastice ale fibrei, care poate creşte odată cu

aplicarea unei forţe directe, a unei creşteri de temperatură (efectul magnetostrictiv).

Mulţi dintre senzorii intrinseci sunt încă în faza de cercetare, în laborator sau prototipuri.

Echipamentele disponibile comercial, cele mai răspândite sunt giroscoapele cu fibre optice. Senzorii de

curent cu fibre optice sunt o alternativă viabilă la transformatoarele de curent tradiţionale pe liniile de

înaltă tensiune. Şi senzorii pentru măsurarea presiunii, temperaturii, eforturilor sunt competitivi cu

senzorii tradiţionali.

Piaţa senzorilor intrinseci se va dezvolta şi va creşte odată cu exploatarea proprietăţilor

specifice fibrelor optice, ca imunitatea electromagnetică, extinderea lărgimii de bandă, realizarea de

reţele cu senzori integraţi. Aceasta presupune studierea tehnicilor de multiplexare corespunzătoare şi a

arhitecturii reţelelor pentru realizarea unui set complet de echipamente pentru măsurarea unor mărimi

fizice în aplicaţii tipice (construcţia de maşini, distribuţia energiei electrice).

2.3. Fenomene fizice întâlnite la senzorii cu fibre optice

Senzorii cu fibre optice utilizează pentru modularea semnalelor optice diferite fenomene fizice.

Dacă asupra unui fascicul luminos emis de o sursă optică acţionează o mărime de măsurat (direct sau

indirect) acesta îşi modifică proprietăţile. În continuare se vor prezenta câteva dintre aceste fenomene.

2.3.1. Reflexia

Aproape toţi senzorii cu fibre optice funcţionează pe baza reflexiei unui fascicul de lumină la

interfaţa dintre fibra optică şi zona activă a acesteia. Ea poate fi normală (care apare la suprafaţa de

separaţie dintre fibra optică şi zona activă a senzorului) şi difuză (atunci când lumina penetrează parţial

mediul activ al senzorului şi este parţial reflectată în urma fenomenului de împrăştiere). Reflexia

difuză trebuie să fie cea mai puternică pentru a se obţine sensibilităţi cât mai bune.

7

2.3.2. Absorbţia

Modificarea intensităţii luminoase prin absorbţie este determinată de numărul şi concentraţia

speciilor absorbante din drumul optic (legea Lambert-Beer).

unde:

I0, I – intensitatea fluxului luminos incident şi respectiv modulat;

T - transmitanţa;

x – lungimea drumului optic si - coeficientul de absorbţie al substanţei absorbante.

2.3.3. Luminiscenţa

Acest fenomen se bazează pe faptul că atomii sau moleculele care absorb energia unor fotoni

trec într-o stare excitată. Aceste specii prezintă un timp de viaţă scurt, eliberând energii pe diverse căi,

şi anume: relaxare prin conversie internă, relaxare prin ciocniri, prin conversie încrucişată, relaxare

prin luminiscenţă.

Se cunosc două tipuri de luminiscenţă: fluorescenţa (are un timp de viaţă de 1 100 ns) şi

fosforescenţa (persistă după un timp de 1 1000 ns, când sursa de excitare dispare).

2.3.4. Împrăştierea

Împrăştierea luminii nu implică o tranziţie de energie între nivele energetice ale atomilor şi ale

moleculelor, ca în cazul absorbţiei şi luminiscenţei. Ea implică o redistribuţie şi chiar o modificare

aleatoare a direcţiei fluxului luminos.

2.3.5. Birefringenţa

Indicele de refracţie n este unul dintre cei mai importanţi parametrii care caracterizează fibrele

optice. În general se consideră că indicele de refracţie are o valoare constantă pentru un material dat

(materialul izotrop).

În realitate, indicele de refracţie este o mărime tensorială, ceea ce înseamnă că, teoretic, toate

mediile optice pot fi birefringente. Aceasta înseamnă că propagarea luminii într-o fibră optică, este

dependentă de direcţia de propagare.

Se spune că unda electromagnetică este liniar polarizată, dacă aceasta poate fi caracterizată de

un singur vector de câmp electric perpendicular pe direcţia de propagare a undei.

8

Orice vector de câmp care reprezintă o undă plan polarizată poate fi descompusă în două

componente perpendiculare care definesc un plan x-y ale unui vector de câmp electric al cărei unde se

deplasează după direcţia z, perpendiculară pe planul amintit.

Figura 2.2. Starea de polarizare liniară a undelor luminoase

Dacă există însă două componente perpendiculare (două unde) de aceeaşi amplitudine defazate

cu 90, unda rezultată este o undă luminoasă circular polarizată. Starea de polarizare - circulară – se

caracterizează printr-un sens de rotaţie al vectorului de câmp electric (sens orar). Dacă defazajul dintre

componentele Ex şi Ey se modifică cu 180, va rezulta o undă circular polarizată spre stânga (sens

trigonometric). În concluzie polarizarea circulară a luminii se caracterizează prin amplitudinea undei şi

prin sensul de polarizare (stânga sau dreapta).

Figura 2.3. Starea de polarizare circulară a undelor luminoase

Sursă: http://facultate.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

Dacă cele două componente ale câmpului Ex şi Ey nu sunt egale ca amplitudine rezultă o

polarizare eliptică a luminii. Unda polarizată eliptic se caracterizează prin amplitudine, elipticitate şi

prin orientarea semiaxelor elipsei raportate la axele de referinţă, x-y. Uneori este convenabil să se

considere că lumina polarizată eliptic reprezintă suma vectorială a două componente, una liniar

polarizată şi una circular polarizată.

Când lumina polarizată traversează un mediu birefringent, la ieşire lumina va avea starea de

polarizare modificată.

Detecţia gradului de modificare a polarizării constituie o metodă de realizare a unor senzori cu

fibre optice intrinseci, măsuranzii fiind aceia care, direct sau indirect, provoacă modificarea polarizării.

9

Figura 2.4. Starea de polarizare eliptică a undelor luminoase

Sursă: http://facultate.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

2.3.6. Câmpul evanescent

Existenţa câmpului evanescent este strâns legată de fenomenul de reflexie internă totală. Astfel,

când o rază de lumină cade pe suprafaţa de separaţie dintre două medii cu indicii de refracţie diferiţi,

pentru un unghi de incidenţă mai mare decât unghiul critic, toată lumina este reflectată. Prin

interacţiunea dintre fluxul luminos incident cu cel reflectat, apare o undă de interferenţă la suprafaţa de

separaţie .

2.3.7. Efectul electro-optic

Dacă este aplicat un câmp electric pe un cristal optic, rezultă o modificare a valorii indicelui de

refracţie a acestuia. Un model matematic care descrie acest fenomen este următorul:

unde ij şi ij reprezintă coeficienţii de ordinul unu, respectiv doi, ai intensităţii câmpului electric.

Indicii i şi j sunt indicii tensorului, valorile acestuia modificându-se odată cu orientarea cristalului.

Termenul de ordinul I, ijE, pune în evidenţă efectul Pockel, iar termenul de ordinul al II-lea,

ijE2, pune în evidenţă efectul Kerr. Ambele pot fi utilizate pentru modularea semnalului optic. În

funcţie de structura şi orientarea cristalului, poate fi observat efectul electro-optic longitudinal,

respectiv transversal.

Aplicarea unui câmp electric de-a lungul direcţiei de propagare a undei luminoase produce o

birefringenţă liniară. Efectul Pockel se poate utiliza pentru măsurarea tensiunii electrice. Acest efect a

fost iniţial utilizat pentru realizarea unor modulatoare externe în sistemele cu fibre optice. Întrucât un

senzor cu fibre optice presupune o modulare similară (modificarea birefringenţei unui cristal), acest

efect poate fi utilizat cu rezultate foarte bune.

10

http://facultate.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

Efectul Kerr presupune o dependenţă neliniară (pătratică) şi deci, în general, este evitat, are

însă avantajul că este foarte rapid. Prin efect Kerr poate fi indusă birefringenţă în toate materialele

optice.

Indicii de refracţie, în această situaţie, se consideră că au două componente: una “paralelă” (n)

şi una “perpendiculară” (n), care se manifestă în funcţie de direcţia de aplicare a câmpului electric.

Printr-o alegere corectă a orientării cristalului în raport cu direcţia de propagare a luminii, se poate

obţine o variaţie a indicelui de refracţie după legea:

unde K este constanta Kerr.

2.3.8. Efectul fotoelastic

Dacă aplicăm o tensiune mecanică asupra unui cristal pe o direcţie perpendiculară pe direcţia

de propagarea a unei unde luminoase care trece prin el aceasta va provoca o creştere a permitivităţii

electrice relative a cristalului, r, (de-a lungul direcţiei pe care este aplicată solicitarea mecanică). În

materialele anizotropice, acest efect devine direcţional, provocând birefringenţă în cristal.

Modificarea indicelui de refracţie, în acest caz, este dat de relaţia:

unde:

p - constanta foto-elastică;

- densitatea;

vs - viteza sunetului prin material;

Ia - intensitea presiunii acustice;

n - valoarea iniţială a indicelui de refracţie

2.3.9. Efectul magneto-optic

Prezenţa câmpului magnetic în unele materiale poate afecta proprietăţile optice ale acestora. Un

exemplu simplu este efectul Faraday care poate fi utilizat pentru realizarea unui modulator extern într-

un sistem cu fibre optice. În această situaţie, planul de polarizare se va roti cu un unghi proporţional cu

intensitatea câmpului magnetic aplicat paralel cu direcţia de propagare a undei luminoase.

Sensul de rotaţie al planului de polarizare este independent de direcţia de propagare a luminii, astfel

încât unghiul de rotaţie poate fi dublat prin reflexia fasciculului incident în dispozitivul Faraday.

Factorul de proporţionalitate se numeşte constantă Verdet.

11

3. Senzori de marcaj colorat şi RGB

3.1. Principiul de funcţionare

Senzorii de marcaj sunt un tip special de senzori cu difuzie, care sunt proiectaţi pentru detecţia

marcajelor pe baza contrastului dintre marcaj şi fundal.

Figura 3.1.

Sursă: Senzori OMRON - dr.ing. Mitică MANEA, Colegiul Tehnic « Dumitru Mangeron » Bacău

Dispunerea lentilei este puţin diferită de cea de la senzorii cu difuzie standard, datorită modului

de focalizare. Pentru a putea detecta schimbările de culoare, unitatea de amplificare diferă de cea

obişnuită, având o sensibilitate mai mare.

Sensibilitatea acestor tipuri de senzori este şi ea influenţată de sursa de lumină folosită. Sursa

de lumină roşie (folosită la cei mai mulţi senzori cu difuzie) asigură o distanţă de sesizare acceptabilă,

dar nu poate fi folosită decât în cazul anumitor combinaţii de culoare. Cu o sursă de lumină verde

distanţa de sesizare devine mai mică, însă creşte sensibilitatea în domeniul color, fiind mai potrivită

pentru sesizarea culorilor apropiate (de ex. când contrastul dintre marcaj şi fundal este mic).

Figura 3.2.


12

Tabelul 3.1. arată ce culoare a sursei de lumină este cea mai potrivită pentru sesizarea culorii

marcajului respectiv. Când culoarea fundalului este similară cu cea a marcajului (tonuri apropiate),

sesizarea marcării devine dificilă sau chiar imposibilă (chiar reglând sensibilitatea), deoarece diferenţa

nivelului de gri al culorilor este foarte mică. Atunci se foloseşte senzorul RGB.

Tabelul 3.1. Culoare a sursei de lumină


Senzorii fotoelectrici cu difuziune prezentaţi până acum funcţionează pe baza cantităţii de

lumină primită, şi nu pe baza componenţei luminii. De fapt, lumina constă din foarte multe

componente, iar gama vizibilă este numai o mică parte a acestora. Cu ajutorul unei prisme putem

observa că de fapt, culoarea albă este compusă din mai multe culori diferite. Lumina ce trece prin

prismă se descompune în şapte componente (culori) principale: roşu, orange, galben, verde, albastru,

albastru indigo, violet (R O G V A I V).

Când ne uităm la o culoare, de fapt vedem reflexia cauzată de o anumită culoare. Dacă obiectul

privit este sesizat de noi ca fiind de culoare albastră, atunci componenta albastră a luminii este

reflectată de obiect, iar celelalte componente sunt absorbite. Situaţia este similară şi în cazul celorlalte

culori. Desigur, lucrurile nu sunt atât de simple în realitate, deoarece diferite componente ale luminii

sunt reflectate, respectiv absorbite în diferite măsuri şi din această cauză ochiul uman poate vedea mai

multe milioane de culori diferite.

13

În realitate, fiecare culoare poate fi compusă din 3 componente: roşu (R – Red), verde (G –

Green), albastru (B – Blue). Când aceste trei culori sunt combinate, se obţine culoarea albă (fig. 3.3.).

Acest fapt poate fi simulat uşor cu un disc în rotaţie rapidă, pe care am vopsit cele trei culori.

Figura 3.3. Obţinerea culoarii albe

Sursă: Senzori OMRON - dr.ing. Mitică Manea, Colegiul Tehnic « Dumitru Mangeron » Bacău

Pentru sesizarea precisă a culorilor putem evalua componentele luminii reflectate. Senzorul

E3MC dispune de trei surse de lumină (LED roşu, verde, albastru).

3.2. Modul de lucru

Lumina reflectată este detectată de dioda fotoelectrică, evaluând conţinutul ei în componentele

R, G, B. Funcţionarea senzorului depinde de modul de lucru ales de operator. Senzorul examinează

raportul dintre aceste componente. Acest mod este mai puţin sensibil la distanţa de sesizare, deoarece

raportul componentelor nu este influenţat de distanţă, deşi intensitatea lor se schimbă. Astfel, detecţia

este stabilă chiar şi în cazul unor obiecte aflate la o distanţă variabilă. Este posibilă şi sesizarea unei

diferenţe infime dintre culori, dar detecţia este influenţată de intensitatea componentelor RGB

reflectate. Se pot detecta bine chiar diferenţe mai mici între culori, metoda este sensibilă la poziţia

obiectului de detectat.

Figura 3.4.


14

3.3. Măsurarea. Senzori de deplasare

De cele mai multe ori, senzorii de deplasare utilizează lumină laser în loc de LED, care asigură

o sursă de lumină foarte precisă.

Lumina este focalizată cu ajutorul unei lentile, apoi proiectată pe obiectul de detectat. Lumina

este reflectată de obiect pe un senzor de sesizare a distanţei. Când obiectul de detectat este deplasat

mai aproape sau mai departe, unghiul luminii reflectate se schimbă, astfel incidenţa luminii va avea loc

la un alt punct al suprafeţei de detecţie a senzorului. În cazul unei surse de lumină laser foarte precise,

poziţia sursei de lumină reflectate poate fi determinată foarte exact, deci o deplasare ori cât de mică

poate fi detectată foarte bine. Rezultatul măsurării este transmis printr-o iesire analogică spre unitatea

de prelucrare.

De cele mai multe ori, măsurarea deplasării obiectelor cu suprafaţă reflectantă sau lucioasă nu

poate fi efectuată în mod stabil de către cea mai mare parte a senzorilor cu laser. În astfel de cazuri, se

foloseşte un alt senzor, de tip Z4MN30V, care este proiectat pentru a sesiza ireproşabil razele

luminoase reflectate de pe suprafeţele strălucitoare.

Cu un alt tip de senzor laser se poate sesiza dimensiunea obiectelor şi anume prin proporţia

acoperirii razei de lumină. Emiţătorul emite o lumină laser, transmisă spre receptor. Receptorul

dispune de o fantă înaltă de 10 mm. După fantă, în receptor, se găseşte o cameră CCD, care măsoară

înălţimea luminii de incidenţă. Dacă între emiţător şi receptor nu se găseşte obiectul de detectat, atunci

ieşirea are o valoare prestabilită. Însă dacă un obiect este adus între perechea de senzori, valoarea

ieşirii se schimbă. Ieşirea este lineară analogică, având semnalul proporţional cu acoperirea sursei de

lumină.

3.3.1. Aplicaţii

Cu ajutorul senzorilor cu laser, se pot măsura şi deplasări foarte mici, deci pot fi folosite în

multe domenii unde verificarea dimensională a produselor este necesară.

Grosimea piesei este verificată cu doi senzori, care măsoară şi totalizează cele două distanţe.

Senzorii, aflaţi la poziţii cunoscute, măsoară distanţa independent unul de altul, astfel încât pe baza

celor două valori cunoscute se poate calcula cu uşurinţă grosimea piesei.

Figura 3.5. Detectarea grosimii piesei


15

3.3.2. Instalare

În cazul folosirii pentru măsurări a senzorilor cu laser, precizia de măsurare este influenţată

mult de poziţia senzorilor. Rezoluţia şi rezultatul măsurărilor la senzorii cu laser poate fi de ordinul

micronilor (tipic 0,015 mm). Dacă avem nevoie de precizii atât de mari, trebuie să acordăm o atenţie

deosebită atât fixării senzorilor, cât şi raportării măsurătorilor la puncte de referinţă fixe. Putem lua

exemplul măsurării grosimii unei plăci, care soseşte pe o bandă transportoare. Putem presupune că

dorim să lucrăm cu o rezoluţie de 1/10 mm. Dacă senzorul se găseşte aproape de o rolă a benzii

transportoare care este puţin excentrică, atunci placa de măsurat va oscila între poziţia superioară şi cea

inferioară. O oscilaţie de numai 1 mm este mai mare cu un grad de mărime decât rezoluţia preconizată.

Deci măsurarea în astfel de condiţii nu are nici un sens.

3.3.3. Rezoluţie şi linearitate

În cazul măsurării unei piese verticale, tensiunea de ieşire analogică poate să aibă puţine

fluctuaţii din cauza zgomotului intern. Mărimea acestor fluctuaţii se numeşte rezoluţie.

Cu cât mai mică este fluctuaţia, cu atât mai bună este rezoluţia.

Figura 3.6.Sursă: Senzori OMRON - dr.ing. Mitică Manea, Colegiul Tehnic « Dumitru Mangeron » Bacău

Iesirea analogică a senzorului creşte proporţional în funcţie de distanţa măsurată. În cazuri

ideale, acest lucru poate fi reprezentat cu o linie dreaptă. În practică, măsurătoarea diferă de linia

dreaptă într-o măsură foarte mică.

Factorul de linearitate face referinţă la limitele toleranţei faţă de dreapta ideală. Acest lucru este

determinat în procente cu referire la întreaga gamă de măsurare.

Figura 3.7. Factorul de linearitate


16

4. Senzori de culoare E3X-DAC-S

4.1. Principiul de funcţionare

Senzorii cu fibră optică au două părţi principale, amplificatorul şi capul de detecţie.

Amplificatorul conţine unitatea de emisie (sursa luminoasă) şi cea de recepţie, inclusiv

electronica aferentă, iar fibra optică transmite lumina la capul de detecţie.

Figura 4.1.


Razele luminoase emise de o sursă de lumină (LED) sunt transmise prin fibra optică, fiind

reflectate de repetate ori între miezul şi mantaua cablului. La capătul fibrei, lumina va ieşi cu o

anumită dispersie (fig. 4.2.).

Figura 4.2.


Se formează astfel o rază de lumină foarte similară cu cea ieşită dintr-un senzor obişnuit, numai

că este de mărime mai mică. Sursa de lumină mai redusă precum şi o suprafaţă mai mică a lentilei

conduc la o suprafaţă, respectiv distanţă de detecţie mai mică (fig. 4.3.).

Figura 4.3.


17

4.2. Folosirea senzorilor cu fibră optică

Avantajul principal al senzorilor fotoelectrici cu fibră optică este dimensiunea redusă. Ca

urmare, ei pot fi instalaţi şi în acele locuri unde nu mai încap senzorii obisnuiţi. Unele fibre optice

dispun de un cap de sesizare cu diametrul foarte mic, de până la 0,8 mm. Însă, ca urmare a dimensiunii

lor mai reduse şi rezistenţa mecanică va fi mai mică.

Datorită compactităţii extraordinare a capetelor de sesizare, aceşti senzori se pretează la

sesizarea în mod stabil a unor obiecte mici (fig. 4.4.).

Figura 4.4.


Capetele de detecţie ale senzorilor fotoelectrici cu fibră optică pot fi dispuse şi într-un mediu

periculos, unde instalarea senzorilor obişnuiţi ar fi periculoasă sau imposibilă (fig. 4.5.). Acest lucru se

datorează faptului că fibra optică sau capul de detecţie nu sunt alimentate electric. Totodată, sunt total

imune la zgomotul de natură electrică (dacă amplificatorul este montat adecvat).

Figura 4.5.


Dacă zona are temperatura mai ridicată (max. până la 300°C), în locul fibrelor optice din

material plastic trebuie folosite fibre din sticlă. Obiectele extrem de mici se pot detecta cu senzori cu

difuzie şi cu lentile adiţionale (ce se comandă separat).

18

Cu ajutorul unor astfel de lentile, se pot sesiza chiar şi obiecte de 0,5 mm (fig. 4.6.).

Figura 4.6.


4.3. Amplificatoare cu fibră optică “E3X-DAC-S”

Seria de amplificatoare cu fibră optică E3X-DAC-S detectează culoarea şi intensitatea

luminoasă reflectată de pe marcaj sau obiect şi o compară cu o valoare RGB sau intensitate memorată.

Permite detecţia obiectelor colorate diferit sau cu nuanţe diferite de gri.

LED alb pentru impedanţa culorii

Timp de răspuns de 60 μs

Timer încorporat cu o întârziere de până la 5 secunde

Funcţie de învăţare cu ajutorul unui singur buton

4.3.1. Schema montajului experimental

Figura 4.7. Schema montajului

19

230 ~ 20 ~Fibre optice

Senzor

Lumina reflectată de marcaj este detectată de dioda fotoelectrică, evaluând conţinutul ei în

componentele R, G, B. Funcţionarea senzorului depinde de modul de lucru ales de operator (light,

dark). Senzorul examinează raportul dintre aceste componente. Acest mod este mai puţin sensibil la

distanţa de sesizare, deoarece raportul componentelor nu este influenţat de distanţă, deşi intensitatea

lor se schimbă. Astfel, detecţia este stabilă chiar şi în cazul unor obiecte aflate la o distanţă variabilă.

Este posibilă şi sesizarea unei diferenţe infime dintre culori, dar detecţia este influenţată de intensitatea

componentelor RGB reflectate. Se pot detecta bine chiar diferenţe mai mici între culori, metoda este

sensibilă la poziţia obiectului de detectat.

Senzorul are două moduri de lucru :

NPN (Figura 4.8.) care presupune ieşirea pe OFF când senzorul nu detectează nici un obiect

sau marcaj şi ON la detectare;

PNP (Figura 4.9.) care presupune ieşirea pe ON când senzorul nu detectează nici un obiect sau

marcaj şi OFF la detectare.

Figura 4.8. Mod de lucru NPN (light)

Sursă: OMRON – Catalog de produse 2005/2006

Figura 4.9. Mod de lucru PNP (dark)


20

Sub-display-ul verde din figura 4.10 reprezintă funcţia de setare a senzorului pe culoarea dorită,

iar display-ul roşu indică nivelul culorii detectate.

Dacă nivelul culorii detectate este mai mare decât nivelul setat, ieşirea trece pe ON sau OFF în

funcţie de setarea light sau dark.

Setarea senzorului se face în mod manual prin apăsarea tastelor stânga – dreapta sau automat

prin apăsarea tastei set din stânga display-ului timp de trei secunde.

Figura 4.10. Setarile senzorului


21

Bibliografie

1. http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_2.pdf

2. http://facultate.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

3. http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

4. http://www.megatech.ro/aplicatii

5. OMRON – Catalog de produse 2005/2006

6. Senzori OMRON - dr.ing. Mitică MANEA, Colegiul Tehnic « Dumitru Mangeron » Bacău,

note de curs

22

http://www.megatech.ro/aplicatii


http://facultate.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_2.pdf

Documents

senzori fibra optica