| 0,0 → 1,285 |
|---|
| \documentclass[12pt,czech]{article} |
| |
| \usepackage[czech]{babel} |
| \usepackage[utf8]{inputenc} |
| \usepackage{times} |
| \usepackage{geometry} |
| \geometry{verbose,a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=2cm,rmargin=2cm} |
| |
| \usepackage{array} |
| |
| \usepackage{graphicx} |
| %\usepackage{multirow} |
| %\usepackage{bigstrut} |
| %\usepackage{amsbsy} |
| |
| %\pagestyle{plain} |
| |
| %\renewcommand{\tan}{\textrm{tg}} |
| \newcommand{\tg}{\textrm{tg}} |
| \newcommand{\cm}{\textrm{cm}} |
| \newcommand{\m}{\textrm{m}} |
| \newcommand{\mm}{\textrm{mm}} |
| \newcommand{\nm}{\textrm{nm}} |
| |
| |
| \begin{document} |
| \noindent \begin{tabular}{|>{\raggedright}b{4cm}|>{\raggedright}b{13cm}|} |
| \hline |
| \textbf{Název a \v{c}íslo úlohy}& Úloha č. 8 Vlastnosti optických vláken a optické |
| senzory |
| |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \textbf{Datum m\v{e}\v{r}ení}& 5. 4. 2011 |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \textbf{M\v{e}\v{r}ení provedli}& Tomáš Zikmund, Jakub Kákona |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \textbf{Vypracoval}& Jakub Kákona |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \textbf{Datum}& |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \textbf{Hodnocení}& |
| \tabularnewline |
| \hline |
| \end{tabular} |
| |
| %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% |
| |
| \section{Navázání He-Ne LASERu do vlákna} |
| Nejdříve bylo třeba navázat do vlákna co největší optický výkon z He-Ne laseru, který jsme v úloze měli k dispozici. Na optickém stole byl předpřipravený přípravek skládající se z křížového stolku s drážkou pro vlákno a justovacího stolku s mikroobjektivem skrz který procházel svazek z LASERu. |
| |
| Zkoušeli jsme několik metod včetně uchycení pomocí přiložených magnetů, ale vzhledem k tomu, že drážka v džáku pro vlákno byla podstatně větší než průměr vlákna, tak nejlepšího výsledku jsme dosáhli, když jsme odizolované a na lamačce zalomené vlákno uchytili na dně drážky pomocí dvou papírových polštářků přilepených samolepkou k držáku. Tím se nám podařilo navázat do vlákna výkon 107uW. |
| |
| |
| |
| \section{Útlum vlákna v závislosti na ohybu} |
| |
| Útlum ohybu na vlákně jsme měřili tak, že jsme plastový světlovod postupně navíjeli na válečky různých průměrů. Naměřené výkony a vypočtené hodnoty útlumů jsou uvedeny v tabulce. |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Útlum vlákna v závislosti na ohybu.} |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|c|} |
| \hline |
| & Váleček 12/6 – vnější průměr 5 cm & \\ \hline |
| počet ohybů & přenesený výkon [uW] & Útlum [dB] \\ \hline |
| 0 & 5810 & 0 \\ \hline |
| 1 & 5650 & -0,12 \\ \hline |
| 2 & 5620 & -0,14 \\ \hline |
| 3 & 5580 & -0,18 \\ \hline |
| 4 & 5570 & -0,18 \\ \hline |
| 5 & 5550 & -0,2 \\ \hline |
| \multicolumn{1}{|l|}{} & Váleček 12/5 – vnější průměr 4 cm & \\ \hline |
| počet ohybů & přenesený výkon [uW] & Útlum [dB] \\ \hline |
| 0 & 5750 & 0 \\ \hline |
| 1 & 5580 & -0,13 \\ \hline |
| 2 & 5550 & -0,15 \\ \hline |
| 3 & 5540 & -0,16 \\ \hline |
| 4 & 5520 & -0,18 \\ \hline |
| 5 & 5480 & -0,21 \\ \hline |
| \multicolumn{1}{|l|}{} & Váleček 12/4 – vnější průměr 3 cm & \\ \hline |
| počet ohybů & přenesený výkon [uW] & Útlum [dB] \\ \hline |
| 0 & 5712 & 0 \\ \hline |
| 1 & 5243 & -0,37 \\ \hline |
| 2 & 5176 & -0,43 \\ \hline |
| 3 & 5103 & -0,49 \\ \hline |
| 4 & 5047 & -0,54 \\ \hline |
| 5 & 4947 & -0,62 \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \centering |
| \includegraphics[width=150mm]{zavity.png} |
| \caption{Útlum vlákna navinutého na válečky různých průměrů} |
| \label{zavity} |
| \end{figure} |
| |
| \section{Mikroohyby na vlákně} |
| |
| Mikroohyby na vlákně jsme vytvořili zavedením dvou závitů sklěněného vlákna mezi destičky ovinuté drátem. Zatěžování závažím pak způsobovalo deformaci vlákna a útlum procházejícího záření. Měření jsme prováděli na dvou destičkách s různou hustotou závitů drátu. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \centering |
| \includegraphics[width=150mm]{desticky.png} |
| \caption{Útlum vlákna stlačeného mezi dvě drátem ovinuté destičky v závislosti na zátěži} |
| \label{mrizka} |
| \end{figure} |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Útlum vláken v závislosti na zatížení mikroohybových destiček.} |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|} |
| \hline |
| & \multicolumn{ 2}{c|}{Destička 11/2} & \multicolumn{ 2}{c|}{Destička 11/1} \\ \hline |
| hmotnost závaží [kg] & přenesený výkon [uW] & Útlum [dB] & přenesený výkon [uW] & Útlum [dB] \\ \hline |
| 0 & 107 & 0 & 109 & 0 \\ \hline |
| 1 & 99 & -0,34 & 102 & -0,29 \\ \hline |
| 1,2 & 95 & -0,52 & 100 & -0,37 \\ \hline |
| 1,3 & 93,5 & -0,59 & 100 & -0,37 \\ \hline |
| 1,4 & 92 & -0,66 & 99 & -0,42 \\ \hline |
| 1,5 & 91 & -0,7 & 98 & -0,46 \\ \hline |
| 1,6 & 89 & -0,8 & 97,5 & -0,48 \\ \hline |
| 1,7 & 89 & -0,8 & 97 & -0,51 \\ \hline |
| 1,8 & 87 & -0,9 & 95,5 & -0,57 \\ \hline |
| 1,9 & 85 & -1 & 95,5 & -0,57 \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| Výsledky měření vypovídají, že na destičce s větší hustotou závitů drátu docházelo při stejné zátěži k menšímu útlumu. Což je zřejmě způsobeno rozkladem síly do větší plochy a tím snížení velikosti ohybů jádra a toto zlepšení převažuje nad zvíšením počtu ohybů. |
| |
| \section{Clona v průřezu vlákna} |
| |
| Pro toto měření jsme mezi dva konce platových světlovodů umístili clonu, připevněnou na šroub tak aby s ní bylo možné posouvat a tím měnit zastínění vláken. |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Přenos mezi vlákny oddělenými clonkou.} |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|} |
| \hline |
| Pozice [mm] & přenesený výkon [uW] \\ \hline |
| 0 & 1,145 \\ \hline |
| 0,2 & 1,145 \\ \hline |
| 0,4 & 1,131 \\ \hline |
| 0,6 & 1,097 \\ \hline |
| 0,8 & 1,012 \\ \hline |
| 1 & 0,852 \\ \hline |
| 1,2 & 0,597 \\ \hline |
| 1,4 & 0,223 \\ \hline |
| 1,6 & 0,033 \\ \hline |
| 1,8 & 0,026 \\ \hline |
| 2 & 0,015 \\ \hline |
| 2,2 & 0,015 \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \centering |
| \includegraphics[width=150mm]{clona.png} |
| \caption{Průběh přenosu rozděleného vlákna vzhledem k pozici clony} |
| \label{clona} |
| \end{figure} |
| |
| |
| |
| \section{Vliv prostředí na přenos vlákna} |
| |
| Vliv prostředí na přenos vlákna jsme zkoumali ponořením ohybu z plastového vlákna do kapalin s různým indexem lomu. Naměřené výsledky jsou uvedeny v tabulce. |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Vliv typu kapaliny obklopující vlánko na přenesený výkon.} |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|c|} |
| \hline |
| & přenesený výkon [uW] & Index lomu [-] \\ \hline |
| ethanol & 0,888 & 1,36 \\ \hline |
| voda & 0,965 & 1,33 \\ \hline |
| Olej 1,520 & 0,735 & 1,52 \\ \hline |
| Olej 1,515 & 0,730 & 1,52 \\ \hline |
| neznámá kap. & 0,780 & (1,455 -/+ 0,05) (Glycerol 1,473) \\ \hline |
| vzduch & 1,524 & 1 \\ \hline |
| IPA (isopropylalkohol) & 0,825 & 1,38 \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| Lineární interpolací naměřených hodnot jsme určili index lomu neznámé kapaliny jako n=(1,455 -/+ 0,05) a běžná bezpečná kapalina s nejbližsím indexem lomu je glycerol n=1,473. |
| |
| |
| |
| \section{Vyzařovací charakteristika zakončení vlákna} |
| |
| Pro toto měření byl použit demonstrační plastový vlnovod zakončený kolmo na svojí osu. Umístěný byl v pevném držáku okolo nějž bylo možné otáčet jiným vláknem stejného typu, které bylo odvedeno do snímače výkonu. |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Vyzařující charakteristika konce vlákna měřená jiným optickým vláknem.} |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|} |
| \hline |
| úhel [^\circ] & přenesený výkon [uW] \\ \hline |
| 0 & 1,880 \\ \hline |
| 5 & 1,706 \\ \hline |
| 10 & 1,522 \\ \hline |
| 15 & 1,245 \\ \hline |
| 20 & 1,039 \\ \hline |
| 25 & 0,619 \\ \hline |
| 30 & 0,410 \\ \hline |
| 35 & 0,237 \\ \hline |
| 40 & 0,131 \\ \hline |
| 45 & 0,079 \\ \hline |
| 50 & 0,051 \\ \hline |
| 55 & 0,043 \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \centering |
| \includegraphics[width=150mm]{apertura.png} |
| \caption{Průběh výkonu vyzařovaného z plastového vlákna do prostoru v závislosti na úhlu} |
| \label{clona} |
| \end{figure} |
| |
| Z polynomialniho fitu naměřených dat lze určit hodnotu maximalniho vykonu 1,88 uW . Pak 5\% maximalniho vykonu (Pozadavek na měření numerické apartury) odpovídá 0,094 uW a tato hodnota se nachází na 42,56$^ \circ$ od osy vlákna. A výsledná naměřená numerická apertura vlákna tedy je NA = 0,676. |
| |
| |
| \section{Typy optických senzorů} |
| |
| Lze snadno ověřit, že v praxi se běžně používají minimálně tyto typy vláknových senzorů |
| Tlak |
| http://www.opsens.com/en/industries/products/pressure/ |
| |
| Teplota |
| http://www.opsens.com/en/industries/products/temperature/ |
| |
| Napětí |
| http://www.opsens.com/en/industries/products/strain/osp-a/ |
| |
| A posuv |
| http://www.opsens.com/en/industries/products/displacement/odp-a/ |
| |
| I když tato čidla nejsou založena přímo na vlastnotech změny indexu lomu tak, jak je tomu v obsahu úlohy. |
| |
| Dalším zajímavým čidlem využívající optické vlákno je také vláknový gyroskop |
| |
| http://www.tritech.co.uk/products/products-fibre-optic-gyro.htm |
| |
| \section{Diskuse} |
| \begin{enumerate} |
| \item Do vlákna se nám pomocí přípravku podařilo navázat optický výkon 107uW. Pravděpodobně by mohlo být dosaženo lepšího výsledku lepším seřízením horizontální roviny LASERu a vlákna. Neboť nyní musel být fokusační objektiv mírně sklonněný, aby ohnisko dopadalo na jádro vlákna. A v důsledku toho došlo ke zhoršení podmínek navázání na vlákno. |
| |
| \item Měřením jsme ověřili, že přenos optického platového světlovodu silně klesá se zmenšujícím se poloměrem ohybů. |
| |
| \item Defeormací vlákna pomocí destiček jsme ověřili, že pro útlum vlákna není tolik podstatná velikost příčného tlaku, ale poloměr způsobených ohybů na vlákně. |
| |
| \item Posouváním pozice clonky mezi rozděleným vláknem jsme zjistili, že takovýto transmisní senzor je relativně vhodný pro zjištění přítomnosti předmětu. Ale nehodí se příliš na měření jeho pozice, rozsah měření polohy je příliš nízký a navíc není lineární vzhledem k pozici předmětu. |
| |
| \item Měřením útlumu ohybu v různých kapalinách jsme určili neznámou látku jako glycerol. Pro lepší přesnost měření by ale bylo třeba, aby odraz v ohybu byl lépe definovaný a neducházelo snadno ke změnám při manipulaci se senzorem. |
| |
| \item Zjistili jsme že numerická apertura plastového světlovodu je celkem očekávatelně poměrně velká (0,676). |
| |
| \item Optické senzory mohou pracovat s různými principy detekce a jsou často konstruovatelné i pro extrémní podmínky a mají proto široké uplatnění v různých oblastech průmyslu. |
| |
| \end{enumerate} |
| |
| \begin{thebibliography}{99} |
| |
| \bibitem{navod} Kolektiv KFE FJFI ČVUT: \emph{Úloha č. 8 - Vlastnosti optických vláken a optické senzory }, [online], [cit. 13. dubna 2011], http://optics.fjfi.cvut.cz/files/pdf/ZPOP\_08.pdf |
| |
| \end{thebibliography} |
| |
| \end{document} |