Senzori Optici [PDF]

Zitiervorschau

MINISTERUL EDUCATIEI si TINERETULUI R. M. UNIVERSITATEA TEHNICA A MOLDOVEI FACULTATEA RADIOELECTRONICA SI TELECOMUNICATII CATEDRA TELECOMUNICATII

PROIECT DE AN

Tema: Senzori optici La disciplina: Optoelectronica

A efectuat:

A verificat:

CHISINAU 2008

Cuprins: 1 Introducere…………………………………………………………………….…..3 2 Principiul constructiv al senzorului de tensiune…………………………………..5 3 Clasificarea senzorilor cu fibre optice…………………………………………….8 4 Senzori cu modulatie in faza………………………………………………………9 5 Realizarea senzorului de curent cu fibre optice………………………………….12 6 Senzor cu fibre optice cu modularea amplitudinii si autocompensare…………...13 7 Interferometre…………………………………………………………………….14 8. Aplicatii practice ale interferometrelor………………………………………….17 9 Fenomene fizice întâlnite la senzorii cu fibre optice……………………………..19 10 Modele de dispozitive noi………………………………………………………22 10.1 Fotorezistori……………………………………………………………….22 10.2 Celula fotovoltaica........................................................................................25 10.3 Celula solara.................................................................................................26 10.4 Fotodioda......................................................................................................27 10.5 Fototranzistorul.............................................................................................29 10.6 Optocuploare................................................................................................30 11 Concluzie.............................................................................................................32 12 Bibliografie.........................................................................................................33

2

Introducere Senzor - dispozitiv care masoara informatia din mediu si produce la iesire un semnal proportional cu marimea masurata (mecanica, termica, chimica, radiativa, magnetica, electrica). Senzorii optici au fost dezvoltaţi pentru aplicaţii in sistemele electrice de putere datorită imunităţii lor la interferenţele electromagnetice, a nivelului de izolaţie ridicat şi a unei largi benzi de frecvenţă. In secolul al XIX -lea au fost descoperite efectele electrooptice şi magnetooptice, oferind asftel prilejul utilizării lor la măsurarea tensiunii şi curentului. In 1845 Faraday a descoperit că sticla işi modifică indicele de refracţie a luminii polarizate circular, atunci cand este introdusă intr-un camp magnetic. Acest fenomen este cunoscut ca efectul magneto-optic şi este folosit pentru construirea senzorilor de curent. Dependenţa birefringenţei liniare de campul electric extern este cunoscut sub numele de effect electro-optic sau efect Pockels. Birefringenţa liniară este fenomenul prin care lumina se propagă cu viteze diferite pe două direcţii liniare ortogonale de polarizare a luminii intr-un mediu optic. Senzorii de tensiune au fost construiţi pe baza efectului electro-optic sau Pockels. In modulatoarele optice, campul electric aplicat mediului şi direcţia de propagare a luminii prin mediu pot fi paralele sau ortogonale. Aceste două cazuri se numesc efect Pockels longitudinal respectiv transversal. Ca mediu de propagare a luminii, este folosit germanatul de bismut (Bi4(GeO4)3 sau BGA) obţinut cu o structură de cristal cubică la care este prezent efectul Pockels transversal adică variaţia indicelui de refracţie in funcţie de valoarea campului electric aplicat. In figura 1 este prezentat schematic senzorul de tensiune cu fibră optică. Lumina care se propagă prin fibra optică trece prin componentele senzorului optic. Inainte de a ajunge la celula Pockels, lumina este focalizată cu un colimator, intr-un fascicul paralel, polarizată liniar şi trecută printr-o placă sfert de undă (λ/4), pentru a produce un fascicul polarizat circular.

3

Fig1.Schema senzorului optic de tensiune

Pentru a produce in cristalul celulei Pockels campul electric perpendicular pe fascicolul de lumină, se foloseşte tensiunea de ieşire a unui divizor capacitiv. Prin urmare, fascicolul de lumină este modulat in concordanţă cu semnalul de tensiune pulsatoriu de la intrarea divizorului, pentru a produce o polarizare eliptică. La trecerea fascicolului de lumină prin celula Pockels care are o distribuţie de camp electric, lumina are o intarziere de fază. Campul electric poate fi calculat prin detectarea intensităţii luminii prin analizor. Intarzierea de fază indusă δ, intre două componente ortogonale ale luminii poate fi calculată utilizand relaţia (1):  2 ⋅π  δ =  ⋅ ∆n ⋅ L  λ 

(1)

unde λ este lungimea de undă a luminii, Δn este birefringenţa indusă şi L este lungimea cristalului. Birefringenţa indusă poate fi calculată cu formula (1): ∆n = n 3 ⋅ k p ⋅ E

(2)

unde E este intensitatea campului electric, kP este coeficientul Pockels al cristalului BGO, n0 este indicele de refracţie ordinar sau indicele de refracţie fără camp electric aplicat. Dacă se folosesc două detectoare pentru a analiza lumina pe cele două direcţii (lungă S1 şi scurtă S2) ale elipsei de polarizare de ieşire, atunci se poate scrie următoarea relaţie [2]:  E S1 − S 2 = sin  S1 + S 2  E0

  

(3) 4

unde E0 este intensitatea campului electric care conduce la un defazaj de λ/4 şi este de ordinul 5...30 kV / cm pentru majoritatea materialelor optice uzuale. Trebuie pecificat că senzorii sesizează de fapt campul electric şi nu tensiunea. Totuşi, pe baza relaţiei dintre campul electric şi tensiune, valoarea tensiunii poate fi determinată. Cristalului optic i se poate aplica intreaga tensiune sau numai o parte din aceasta, utilizand un divizor capacitiv pentru a aplica doar o fracţiune din tensiunea ce urmează a fi măsurată. Principiul constructiv al senzorului de tensiune Dispozitivele electro-optice cu fibre optice pot fi folosite la măsurarea tensiunii, avand multiple avantaje faţă de transformatoarele de tensiune convenţionale, cum ar fi posibilitatea realizării unei structuri total dielectrice, imună la interferenţele electromagnetice, avand izolaţie totală, bandă de frecvenţă largă, dimensiune mică şi greutate redusă a senzorului. Primul senzor de tensiune a fost construit in varianta transversală folosind un cristal de BGO, fiind montat intr-un sistem optic de tip microbench. Cristalul BGO a fost ales datorită lipsei birefringenţei naturale şi a efectului piroelectric. Lumina a fost transmisă prin fibre plastice cu diametrul de 1 mm. Din cauza secţiunii mari a fibrei, cuplarea luminii de la LED la fibră a fost uşor de realizat. Pentru a măsura elipticitatea luminii la ieşire (cele două intensităţi S1 şi S2), s-au folosit două fibre. Legăturile dintre senzor şi detector au fost mai mici de 10 m din cauză că atenuarea luminii in celula Pockels a fost in exces cu 20 dB, iar absorbţia luminii in fibrele de plastic a fost de asemenea mare. Performanţele senzorului au fost studiate prin aplicarea unui puls de tensiune rapid

a unei tensiuni treaptă şi a unei tensiuni continue. Răspunsul senzorului a fost proporţional cu sin(V/Vo), unde Vo ≈ 6000V , pentru cristalul cu dimensiunile 30x5x5mm3. Deoarece indicele de refracţie se modifică foarte rapid ca urmare a efectului Pockels, viteza de răspuns a senzorului a fost limitată de fotodiodă şi un 5

amplificatorul electronic. Semnalul de tensiune măsurat nu a suferit perturbaţii electromagnetice. Senzitivitatea senzorilor electro-optici folosiţi in măsurătorile de inaltă tensiune trebuie ajustată, deoarece de obicei aceasta este mare in comparaţie cu tensiunile de sute de kilovolţi care apar in sistemele electrice de putere. Utilizarea practică a senzorilor electro-optici pentru măsurătorile directe poate fi limitată şi de rezonanţele acustice produse de efectele secundare piezoelectric şi elastooptic, care pot adăuga componente oscilatorii la semnalul obţinut din măsurători. Influenţa acestor efecte asupra semnalului măsurat poate fi eliminată prin schimbarea formei cristalului utilizat. Alte efecte secundare ce pot să apară sunt datorate influenţei tempe-raturii. Pentru a imbunătăţi caracteristicile dependente de temperatură ale senzorilor electro-optici, se foloseşte un separator cu acelaşi coeficient de dilatare termică ca al celulei Pockels, plasat intre celula Pockels şi placa sfert de undă sau analizor. Prin urmare au fost propuse două tipuri de senzori de tensiune electro-optici: un senzor cu direcţie de propagare non-axială şi un senzor multisegment. Senzorul Pockels foloseşte un cristal electro-optic sub forma unei tije lungi şi subţiri, cu diametrul de 1mm şi lungimea de 40mm, care necesită un sistem special de electrozi, precum in Figura 2.

Fig.2 Sistem special de electrozi pentru un cristal electro-optic

Senzorul Pockels a fost testat folosind instalaţia experimentală din Figura 3. Ca sursă de lumină a fost folosit un laser HeNe funcţionand cu lungimea de undă λ = 632,8nm . Rezultatele măsurătorilor la aplicarea unei tensiuni alternative de pană la 6

30kV cu frecvenţa 50Hz sunt prezentate in figura 4, comparativ cu măsurătorile făcute folosind divizorul rezistiv convenţional.

Fig.3 Instalatia experimentala pentru testarea

Fig.4 Comparatia formelor de unda masurat

Senzorului Pickels

Fascicolul de lumină colimat şi aliniat, trece printr-un sistem de electrozi, şi după ce traversează cristalul, este analizat prin alt polarizor orientat la π / 4 in raport cu axa cristalului. Folosind un sistem de lentile fascicolul de lumină este focalizat intr-o fibră multimod cu diametrul de 1mm. Fibra optică ghidează lumina către un detector de lumină cu diodă PIN, conectată la un osciloscop digital. Senzorii electrooptici necesită dispozitive electronice de comandă care să genereze fascicolul laser şi să extragă semnalul de lumină polarizată. Senzorii electro-optici de tensiune şi curent sunt utilizaţi impreună cu instrumente digitale de monitorizare şi protecţie care includ amplificatoare, convertoare numerice, procesoare numerice de semnal şi interfeţe de comunicaţie care permit integrarea acestora in sistemul global de monitorizare şi/sau protecţie. Senzorii optici de măsurare a tensiunii se bazează pe efectul electro-optic sau efectul Pockels. Intrucat tensiunea maximă este limitată la caţiva kV, senzorul de tensiune este folosit in combinaţie cu un divizor de inaltă tensiune. Fenomene secundare cum ar fi efectul piezoelectric sau elasto-optic sunt eliminate printr-o proiectare corespunzătoare a cristalului folosit ca material optic.

7

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. Sistematizarea domeniului este în momentul de faţă o necesitate. 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: 1 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. 2 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);

- senzori cu fibre optice cu modulare în frecvenţă (culoare); - senzori cu fibre optice cu modularea stării de polarizare.

Fig. 5 Diagramă schematică a senzorilor cu fibre optice 8

Mai exista si senzori pentru: deplasare, viteza, acceleratie liniara; presiune; masa; temperatura; viteza de curgere a unui lichid; nivel al unor lichide;valoarea intensitatii cimpului electric sau magnetic; compozitie chimica (O2, H2, pH, etc). Senzori optici cu modulatie in intensitate sunt senzorii optici pentru care perturbatia externa actioneaza asupra intensitatii fasciculului de fotoni. Structura unui sensor optic cu modulatie in intensitate este prezentata in fig.6 Clasificare: -senzori prin transmisie -senzori prin reflexive -senzori prin curbarea fibrei In general senzorii de intensitate sunt mai putin sensibili si necesita o intensitate mai mare pentru functionare, motiv pentru care se folosesc fibre cu miez gros (pina la 400 µm ), evident multimod.

Sursa laser

Detector

Material sau dispozitiv

perturbatie Fig. 6 Structura unui senzor optic cu modulatie in intensitate

Senzori cu modulatie in faza Senzorii optici cu modulatie in faza sunt senzorii optici pentru care perturbatia externa actioneaza asupra fazei fas

ciculului de fotoni.

Structura unui senzor optic cu modulatie in faza este prezentata in figura 7.

9

Sursa laser

Divisor de fascicul

Detector

Fibrin de referinta

Fibra senzor

Perturbatie Fig.7 Structura unui senzor optic cu modulatie in faza

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. Deoarece interacţiunea dintre mărimea de măsurat şi lumină are loc în interiorul fibrei optice a fost realizat un senzor cu fibră optică în variantă intrinsecă. Fibra optică folosită este de tip monomodală. S-a folosit fibră monomodală pentru că în interiorul ei se propagă un singur mod. Dacă am fi utilizat fibră multimodală lucrurile se complicau pentru că fiecare mod are o distribuţie proprie de polarizare a câmpului electric, o stare de polarizare la intrarea în fibră fiind rapid pierdută. Fibrele monomodale prezintă dezavantaje din cauza birefringenţei liniare şi circulare. Din această cauză a fost aleasă o fibră optică specială, cu birefringenţă scăzută (LoBi). O definire riguroasă a senzorilor cu fibre optice cu caracter tehnologic 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

10

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). 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 11

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).

Realizarea senzorului de curent cu fibre optice Elementul sensibil in senzorul de curent cu fibre optice îl reprezintă fibra

optică. Fibra optică utilizată este o fibră monomodală cu birefringenţă scăzută LoBi 600 care are următoarele caracteristici: -

diametrul miezului 75 µ m;

-

diametrul exterior 125 µ m;

-

raza minimă de curbură Rmin = 35 mm;

-

lungimea de undă λ = 633 nm;

-

atenuarea pe lungimea de undă A = 2 dB/km ( λ = 600 nm);

-

indicele de refracţie al miezului nm=1,460;

-

indicele de refracţie al camăşii nc = 1,457;

-

materialul din care sunt confecţionate miezul şi cămaşa este sticla (“silica”). Din fibra optică cu lungimea de 10 m a fost confecţionată o bobină cu 37 de

spire, având grijă ca raza de curbură sa nu fie mai mică decât raza minimă de curbură dată în catalog. Bobina din fibra optică a fost introdusă într-o cămaşă din plastic (colac) pentru protecţie. Pentru crearea câmpului magnetic în jurul bobinei din fibră optică, peste ea a fost realizată o bobina toroidală din conductor de cupru cu grosimea de 1 mm, în 4 straturi, cu 300 spire pe strat.

12

Pe o porţiune mică, a fost îndepărtat învelişul de protecţie al fibrei la capătul liber care iese din dioda laser, apoi a fost introdusă în conector, prin lipire cu adeziv epoxidic “Bison”. După montarea conectorului capătul fibrei a fost finisat prin şlefuire.

Fig. 8 Senzor de curent cu fibră optică

Conectorul utilizat este de tip SMA 905-405-5002 cu următoarele caracteristici: - diametrul interior al zonei active: 2,46 μm; - diametrul exterior al cilindrului 10 μm; - pierderi ~0,6 dB. Senzor cu fibre optice cu modularea amplitudinii si autocompensare

Senzorul prezentat in figura 9, constă dintr-o fibră de emisie E, cuplată la о sursă optică (diodă electroluminiscentă - de putere constantă) si două fibre optice de recepţie, Ri §i R2, cuplate la două detectoare optoelectronice (diode p-i-n). Cele trei fibre sunt plasate in faţa unui ecran reflectorizant paralel cu capetele fibrelor, care se poate apropia sau depărta de fibre. Fibrele de recepţie colectează un procent din lumina emisă de fibra de emisie si reflectată de ecran, proporţional cu gradul de suprapunere a conurilor de acceptare ale fibrelor si care depinde de distanţa ecranului fata de fibre d, si de distanţa dintre fibrele de recepţie si cea de emisie a, respectiv a+m. Prin urmare, puterea optică colectată de fiecare fibră este о măsură a poziţiei (deplasării) ecranului reflector fata de о poziţie iniţială de referinta.

13

Cele două fibre de recepţie nu sunt plasate simetric fata de fibra de emisie. Prin urmare, pentru aceeasj poziţie a ecranului se obţin două valori diferite ale puterii optice. Aceste valori sunt transformate оn tensiuni electrice оn fotodetectoarele detl si det2. Prin raportarea tensiunilor Tntr-un circuit electronic analogic de Tmpărţire, se realizează compensarea efectului mărimilor de influenta (Tndoirea fibrelor optice, fluctuaţiile intensitatii LED-lui etc.).

Fig. 9. Structura unui senzor de deplasare cu fibre optice.

Radiatia laser este splitata, fiind transmisa printr-o fibra de referinta si printr-o fibra senzor . Diferenta de faza dintre acestea este sesizata de un detector de faza. Se folosesc de regula fibre monomod si surse laser, rezultind precizii excelente. Detectia de faza foloseste interferometre.

Interferometre

Interferometrul este un dispozitiv optic, care divizeaza un fascicol de lumina in doua fascicole, pe unul il deplaseaza in faza, apoi cele doua fascicole vor suferi un fenomen de interferenta constructiva sau destructiva, in concordanta cu marimea deplasarii. Exist 4 tipuri de interferometre: 1 Interferometrul Fabry-Perrot In figura 10 este prezentata schema principiului de functionare a acestui tip de modulator. Exista o sursa S, care emite fascicole luminoase cu o inclinatie θ fata de 14

directia normala. Aceste fascicole vor urma un traseu (optical path) mai mare, datorita reflexiilor successive dintre doua oglinzi partial reflectoare. Se utilizeaza o lentila convergenta care face ca aceste raze sa sufere fenomenul de interferenta evidentiat prin aparitia franjelor de interferenta pe un panou.

Fig.10 Fabry-Perrot

Fig.11 aceeasi schema a interferometrului Fabry-Perrot

Conditia de interferenta constructiva este 2dcos θ=mλ, unde d este distanta dintre oglinzile partial reflectoare. Relatia dintre gradul de reflectanta si transmitanta al oglinzilor este data de relatia R+T=1, unde se neglijeaza coeficientul de absorbtie al materialului dintre cele doua oglinzi. 2. Interferometrul Mach-Zehnder (MZI) In figura 12 este prezentata schema de principiu al unui interferometru MZI, formata dintr-un divizor (ramura A si B) si respectiv un cuplor (ramura D).

15

Fig.12- interferometrul MZI – controlul fazei se realizeaza prin efectul electro-optic

In figura 18 este prezentata interfata programului care simuleaza modul de functionare al MZI unde controlul fazei pe una din ramuri sau pe ambele ramuri, in cazul modulatorului simetric se realizeaza prin aplicarea unei tensiuni V(t), care modifica indicele de refractie al materialului din ghidul de propagare pe ramura respectiva. Deoarece viteza de propagare este v=c/n, deci invers proportionala cu indicele de refractie, fascicolul isi va schimba viteza de propagare.

Fig.13 interferometrul MZI unde modificarea caii optice a fascicolelor se realizeaza prin doua oglinzi (Mirror 1 si 2) si doua divizoare de fascicol (Beam splitter 1 si 2) precum si un obiect de test, care intarzie una din fascicole

Imaginea de interferenta evidentiata diferenta de faza care se inregistreaza intre cele doua fascicole de lumina, care parcurg un drum optic diferit, datorita intarzierii induse de prezenta obiectului de test. 3. Interferometrul Michelson si Twyman-Green Principiul de functionare este asemanator cu cel al interferometrului Michelson, singurele diferente constau in faptul ca in cazul interferometrului Michelson exista o sursa de tip laser (lumina aproximativ monochromatica) iar in cazul Twyman-Green este o sursa punctiforma si a doua diferenta consta in faptul ca 16

oglinda fixa din schema de principiu a functionarii interferometrului Michelson este variabila in cazul Twyman- Green.

Fig.14

Aplicatii practice ale interferometrelor Una din aplicatiile des intalnite ale interferometrelor este cea de dispozitive de modulare in faza si amplitudine in retele DWDM. 1. Interferometrul Mach Zhender- Aplicatie Zemax

Fig.15

Se vizualizeaza interferograma pe toate suprafetele de detectare (1 sau 2): 17

Fig.16

2 Interferometrul Twyman-Green Cale: Non-seq – beam splytter - Twyman-Green.zmx

Fig.17

18

Aplicatia 3 - Modulator electro-optic al semnalului

Fig.18 Modulator MZ – (copyright Mircea Hotoleanu)

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.

1 Reflexia Aproape toţi senzorii cu fibre optice funcţionează pe baza reflexiei unui fascicul de lumina 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. 19

2 Absorbţia Modificarea intensităţii luminoase prin absorbţie este determinată de numărul şi concentraţia speciilor absorbante din drumul optic (legea Lambert-Beer). I = I 0 ⋅ 10 − αx A = lg(I 0 / I) = lg(T ) = α ⋅ x

(4)

unde: I0, I – intensitatea fluxului luminos incident şi modulat; T - transmitanţa; x – lungimea drumului optic si α - coeficientul de absorbţie al substanţei absorbante.

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).

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.

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. Birefringenţa poate fi intrinsecă sau indusă din exterior. În cazul în care acest 20

fenomen este utilizat pentru realizarea unor senzori intrinseci, fibrele optice trebuie să prezinte o birefringenţă intrinsecă cât mai redusă. Birefringenţa poate fi, de asemenea, liniară, circulară sau eliptică. Deşi toate tipurile pot fi utilizate, în cazul senzorilor intrinseci cu fibre optice este preferată birefringenţa liniară. Starea de polarizare a unei unde electromagnetice este caracterizată prin orientarea vectorului câmp electric E în raport cu direcţia de propagare a undei. 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. 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.

Fig. 19 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).

Fig.20 Starea de polarizare circulară a undelor luminoase 21

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.

Fig. 21 Starea de polarizare eliptică a undelor luminoase

Modele de dispozitive noi FOTOREZISTORI Una din formele de manifestare a efectului fotoelectric intern la materialele semiconductoare consta in aparitia purtatorilor de sarcina si,ca urmare,cresterea conductivitatii electrice a semiconductorului. Aceasta proprietate se numeste FOTOCONDUCTIVITATE iar dispozitivul optoelectronic

care

functioneaza

pe

baza

acestui

fenomen

se

numeste

FOTOREZISTOR. In functie de materialul semiconductor din care este realizat, sensibilitatea lui spectrala poate varia din ultraviolet pina in infrarosu.

22

Fotorezistorii se obtin prin depunerea unui strat din material semiconductor pe un suport izolator, prevazut la capete cu doua contacte ohmice pentru lipirea terminalelor.

Fig.22 Constructia unui rezistor

Suprafata fotosensibila a fotorezistorului poate varia intre 1mm2 si citiva centimatri patrati.Dispozitivul se incapsuleaza in plastic,metal,ceramica sau sticla.

Fig.23 Simbolul si modul de utilizare in circuitele electrice

Fig.24 C.V.A. pentru fotorezistor

Fotorezistorii au proprietatea de a-si modifica valoarea rezistentei electrice sub actiunea fluxului luminos intr-un circuit care contine un astfel de dispozitiv alimentat de la o sursa de tensiune constanta, curentul va creste odata cu iluminarea fotorezistorului. Parametrii unui fotorezistor sint : 23

-valoarea rezistentei electrice la intuneric ; -tensiunea maxima admisa la borne ; -puterea maxima disipata ; -sensibilitatea la lumina-reprezinta raportul dintre variatia curentului si variatia iluminarii, la o tensiune constanta.Se masoara in mA/lx. -sensibilitatea spectrala-depinde de natura materialului semiconductor utilizat si reprezinta dependenta sensibilitatii S de lungimea de unda a radiatiei incidente. Functionarea fotorezistoarelor nu depinde de semnul tensiunii aplicate. Valoarea curentului,la o tensiune data, depinde de nivelul de iluminare conform caracteristicii curent-tensiune din figura 24. EFECTUL FOTOVOLTAIC-este procesul fizic prin care energia radiatiei luminoase (fotonilor) este transormata direct in energie electrica. Pentru observarea efectului fotovoltaic, se impune ca energia fotonilor incidenti sa fie mai mare sau egala cu largimea benzii interzise a semiconductorului Eg. Prin actiunea fotonilor asupra uneia din regiunile care formeaza jonctiunea p-n sint generati purtatori de neechilibru

. Fig.25 Reprezentarea aparitiei efectului fotovoltaic

Cimpul electric intern Ei nu actioneaza decit asupra unei parti a purtatorilor fotogenerati in volumul semiconductorului : -in zona p, vor fi supusi actiunii cimpului intern numai acei purtatori ce se afla la distanta cel mult egala cu lungimea de difuzie a electronilor Ln fata de regiunea de sarcina spatiala, unde electronii vor fi atrasi spre regiunea de sarcina spatiala, in timp ce golurile vor fi respinse spre suprafata iluminata. 24

-in zona n, se actioneaza in acelasi mod asupra purtatorilor generati si aflati la o distanta cel mult egala cu Lp de regiunea neutra ; Lp-lungimea de difuzie a golurilor. -in regiunea de sarcina spatiala, electronii sint deplasati in sens contrar cimpului intern Ei, iar golurile sint deplasate in acelasi sens cu cimpul intern. Ca urmare a acestui transport de sarcini, regiunea n se incarca negativ iar regiunea p pozitiv. Un voltmetru conectat la capetele jonctiunii va indica o tensiune numita tensiune de circuit deschis Voc. CELULA FOTOVOLTAICA-dispozitiv optoelectronic cu o jonctiune pn ce are la baza functionarii efectul fotovoltaic. Suprafata frontala a jonctiunii este neacoperita de contactul metalic (ca la o jonctiune obisnuita) si are aria cuprinsa intre citiva milimetri patrati si citiva centimetri patrati.

Fig.26 Structura unei celule voltaice

Daca suprafata activa este iluminata, la bornele celulei fotovoltaice apare o tensiune electrica, contactul regiunii p fiind polul pozitiv, iar contactul regiunii n polul negativ. Conectarea unei rezistente in circuit da nastere la un curent electric,numit fotocurent si este de sens opus curentului ce apare in circuit in cazul polarizarii directe cu o tensiune externa. Cind celula fotovoltaica nu este iluminata, ea are o comportare asemanatoare cu o dioda simpla. Analiza caracteristicii curent-tensiune evidentiaza urmatoarele aspecte :

25

-portiunea din cadranul 1 corespunde tensiunilor de polarizare directa aplicate din exterior ; -portiunea din cadranul 3 reprezinta functionarea in conditiile de polarizare inversa -curbele din cadranul 4 arata modul in care curentul ,dintr-un circuit ca cel din fig.6., depinde de tensiunea la bornele celulei. Pentru o celula fotovoltaica ,esentiala este functionarea in conditiile absentei polarizarii exterioare, corespunzatoare portiunii din cadranul 4 a caracteristicii curent-tensiune.

Fig.27 Celula fotovoltaica. Simbol si utilizare

Fig.28 C.V.A. pentru celula fotovoltaica

Parametrii cei mai importanti sint: -curentul de scurtcircuit Isc ; -tensiunea de circuit deschis Voc; -caracteristica spectrala. Punctul de functionare M(I1,U1) defineste in mod univoc valoarea rezistentei ce trebuie folosita : R=U1/I1. CELULA SOLARA-reprezinta o celula fotovoltaica cu mentiunea ca radiatia incidenta provine de la soare si are o constructie optimizata pentru utilizarea ca generator de energie electrica. 26

Aria suprafetei active este de ordinul centimetrilor sau zecilor de centimetri patrati. Mecanismul de functionare este acelasi ca la o celula fotovoltaica. Parametrul principal care defineste calitatea unei celule solare este randamentul conversiei ca fiind raportul dintre puterea electrica maxima furnizata de celula Pm si puterea radianta incidenta pe suprafata fotosensibila Pin: n=Pm/Pin=VmIm/Pin. Datorita valorilor mari de curenti generati si a ariei fotosensibile mari,celulele solare au o serie de particularitati constructive fata de celulele fotovoltaice.

Fig.29 Structura tipica a unei celule solare

Grila metalica(contactul superior) are rolul de a mari eficienta de colectare a purtatorilor fotogenerati si de a micsora rezistenta serie a celulei (rezistenta electrica pe care dispozitivul insusi o are la trecerea curentului electric). Celulele solare se fabrica cu suprafete cit mai mari in scopul obtinerii unor valori ridicate pentru curentii debitati. Obtinerea unor generatoare electrice ,bazate pe efectul fotovoltaic, cu putere mare la iesire implica ansamblarea celulelor solare in module. De exemplu, la conectarea a doua celule solare in serie, caracteristica ansamblului are curentul de scurtcircuit egal cu cea mai mica valoare in timp ce tensiunea rezultanta este suma tensiunilor individuale. La rindul lor, modulele se grupeaza in ansambluri mai mari (panouri) pentru a putea obtine puteri de ordinul a sute de wati. FOTODIODA-este un dispozitiv optoelectronic cu o jonctune pn, cu aria activa mica(mm patrati) si se utilizeaza in regim polarizat, la tensiuni inverse. Intre o fotodioda si o dioda obisnuita exista doua deosebiri constructive importante : 27

1 Capsula diodelor semiconductoare este opaca, in timp ce la fotodiode exista o zona transparenta pentru accesul luminii. 2 La o dioda semiconductoare toata suprafata zonei difuzate este acoperita cu un strat metalic ce constituie unul din electrozi, in timp ce la fotodioda aceasta suprafata este acoperita cu un strat reflectant. Caracteristica curent-tensiune a unei fotodiode este asemanatoare cu cea a unei celule fotovoltaice din cauza proceselor identice ce au loc.

Fig.30 Fotodioda. Structura si simbol

Fig.31 Trasarea dreptei de sarcina la o fotodioda si utilizarea in circuit

Fotodiodele nu se utilizeza in regim fotovoltaic (cadranul 4) ci numai in conditiile aplicarii la borne a unei tensiuni inverse(cadranul 3). Curentul invers se numeste curent de iluminare si pentru iluminare zero se obtine curentul de intuneric. OBSERVATII-Daca utilizarea fotodiodelor in regim fotovoltaic este neavenita (datorita curentilor mici furnizati) folosirea celulelor fotovoltaice in locul fotodiodelor este posibila.

28

Pentru aceasta se vor selecta celulele fotovoltaice care au curentul de intuneric mic si tensiunea de strapungere suficient de mare. O proprietate importanta a fotodiodelor este timpul de raspuns mai redus, la arii fotosensibile egale, decit al celulelor fotovoltaice sau al fotorezistoarelor.Aceasta se datoreaza micsorarii capacitatii jonctiunii cind i se aplica o polarizare inversa. Parametrii fotodiodelor p-i-n pe baza heterostructurilor InP - InGaAsP

FOTOTRANZISTORUL- are,la fel ca si tranzistorii bipolari, doua jonctiuni si in care se prevede posibilitatea ca regiunea bazei, a colectorului, a emitorului sau chiar toate regiunile sa fie iluminate.

29

Functionarea se bazeaza pe efectul fotoelectric intern si pe proprietatea de amplificare in curent a tranzistorului. Fototranzistorul poate fi inclus in schemele de masura in montaj cu emitorul comun EC, cu baza comuna BC sau cu colectorul comun(CC).Se mai utilizeaza conectarea ca dioda obisnuita avind emitorul, baza sau colectorul in gol. Avantajul fototranzistorului fata de fotodioda este sensibilitatea mai mare la lumina, de zeci sau sute de ori mai mare la aceeasi arie fotosensibila.

Fig.32 Moduri de conectare a fototranzistorului in circuitele electronice

Ca dezavantaj se mentioneaza valoarea mare a curentului de intuneric. De aceea fototranzistorul se foloseste,cu precadere, in montajele in care trebuie sesizata prezenta luminii si nu o discriminare precisa a nivelelor de iluminare. Parametrii principali ai unui fototranzistor sint: -curentul de intuneric; -tensiunea maxima colector-emitor; -curentul maxim de colector; -sensibilitatea spectrala-reprezentind dependenta curentului de colector functie de lungimea de unda a radiatiei optice incidente. OPTOCUPLOARE-sint dispozitive ''hibride'' formate dintr-un emitator si un receptor de lumina asezate fata in fata, la o distanta mica , in aceeasi capsula. Un semnal continuu sau alternativ aplicat la intrare este transformat in radiatie luminoasa;acesta ajunge la fotodetector, unde se reconstituie semnalul electric initial. Sursele de radiatie folosite in optocuploare sint : becuri cu incandescenta sau LED-uri(diode electroluminiscente ce se bazeaza pe fenomenul invers fotodiodei) cu emisie in vizibil sau in infrarosu apropiat. 30

Fig.33 Configuratii de optocuploare

Fotodetectoarele utilizate sint: fotorezistoare, fotodiode ,fototranzistoare, celule fotovoltaice, fototranzistoare. Desi, sint posibile o multime de combinatii intre diferite surse optice si fotodetectoare,conditie obligatorie pentru imperecherea lor intr-un optocuplor este suprapunerea , cel putin partiala, a caracteristicilor spectrale de emisie a sursei cu sensibilitatea spectrala a fotodetectorului. In practica sau impus doar citeva configuratii: LED-fotodioda, LED- fototranzistor si LED-fototiristor. Parametrii pincipali ai optocuploarelor sint: -raportul de transfer in curent definit ca raportul intre curentul de iesire si curentul de intrare, exprimat in procente; -caracteristica de transfer a optocuplorului se da de obicei sub forma unui grafic ce reprezinta variatia curentului(sau a tensiunii) de iesire in functie de curentul de intrare.Caracteristica poate fi liniara (utila pentru circuite analogice) sau neliniara (utila pentru circuite de comutare,s.a.) -frecventa maxima a semnalului transmis; -capacitatea intrare-iesire; -rezistenta de izolatie.

31

Concluzie: Datorita acestei lucrari am studiat senzorii optici care reprezinta sunt senzorii care folosesc fascicule de fotoni pentru convertirea directa a unor marimi fizice sau chimice. Studiind aceasta tema am observat ca sensorii optici pot fi impărţiţii in două categorii mari in dependenţă de destinaţia funcţională a fibrei optice: sensorii intriseci, in care fibra optică serveşte ca element sensorial, şi sensorii extrinseci, in care fibra optică serveşte ca mediu de transmitere a semnalului optic. In dependenţă de principiul de modulare a fascicolului de lumină, sensorii cu fibră optică pot fi imparţiţi in citeva categorii, după cum urmează: sensori cu modulaţie de intensitate, in care se inregistrează schimbarea intensităţii semnalului optic ca rezultat al acţiunii factorilor fizici; sensori cu modulaţie de fază, care funcţionează in baza principiului de interferenţă a două fascicole de lumină (configuraţia Michelson, Mach-Zehnder, Fabri-Perot şi Sagnac); sensori cu modulaţie de frecvenţa, care funcţionează pe principiul schimbării spectrului de lumină transmis, reflectat sau emis de către elementul sensorial; sensori cu modulaţie a planului de polarizare produsa de acţiunea factorilor externi; sensori pe bază de interferenţă a modelor care se propoaga in fibra optică. Sensorii cu fibră optică posedă o serie de avanaje importante in comparaţie cu sensorii tradiţionali, ceia ce ii face atractivi pentru măsurarea deformaţiilor şi presiunii in diferite domenii şi medii. Deasemenea si principiul de functionare a interferometrelor se bazeaza pe senzori optici, fiind cunoscute 4 tipuri de interferometre: Fabry-Perrot, MachZehnder, Michelson si Twyman-Green. Un interferometru functioneaza pe principiul ca doua unde cu acceasi amplitudine si aceeasi faza, se vor adauga una alteia, în timp ce doua unde cu faze diferite se vor anula. Primele interferometre foloseau surse cu lumina alba, în timp ce savantii din ziua de azi au descoperit ca sursele cu lumina monocromatica (ex. Laserele) si caracterul substantei undei pot fi exploatate pentru a construi interferometre. Majoritatea functioneaza pe aceleasi principii de baza, dar geometria este diferita de la un interferometru la altul.

32

Bibliografie 1 Marcuse, O. – Light Transmission Optics, Van Nostrand–Reinhold, New York, 1972; 2 Sterian, P.E. – Transmisia optică a informaţiei, Editura Tehnică, Bucureşti, 1981; 3 Sisianu S, Sisianu T -Comunicatii prin fibre optice, „Tehnica-Info”, Chisinau, 2007; 4 http://www.utm.md/dorogan/Html_rom/pin.html; 5 http://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_fotoelectric; 6 http://frf.cncsis.ro/documente/610AT248.doc; 7 Feies Valentin -Optoelectronica.

33