Rola i znaczenie czujników światłowodowych

Czujniki odgrywają znaczącą rolę w każdej dziedzinie działalności. Umożliwiają precyzyjną kontrolę procesów technologicznych, dostarczają informacji systemom sterowania, a także powiadamiają o zagrożeniach bezpieczeństwa zarówno ludzi, jak i mienia. Wśród wielu rodzajów czujników znajdują się też światłowodowe, które do pomiarów wykorzystują zjawisko przewodnictwa światła.

Budowa i działanie światłowodu 

Światłowody są formą przewodów wykonanych z włókna szklanego. Chociaż tworzą zamkniętą strukturę, nie jest ona jednolita, lecz składa się z kilku warstw. Pod zewnętrznym pokryciem znajduje się zasadniczy płaszcz z włókna szklanego, który kryje półprzewodnikowy rdzeń. W światłowodach gradientowych przechodzący przez niego promień świetlny ulega powtarzalnemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza. Jednocześnie, dzięki właściwościom materiałów, parametry odbijanej fali nie ulegają zmianie. W efekcie światło wyemitowane przez laser lub diodę ma tę samą wartość po wyjściu na drugim końcu światłowodu. Takie właściwości są wykorzystywane w pracy czujników światłowodowych. Mogą one rejestrować wszelkie zmiany w natężeniu strumienia światła, dostarczając informacji o warunkach w układzie. Stąd można wywnioskować, że czujniki światłowodowe to detektory, których działanie opiera się na wykrywaniu zmian z przepływie strumienia świetlnego. Zmiany te są wywoływane przez określone ciało obce. Na różnorodność zastosowań takich detektorów wpływa również fakt, że same światłowody różnią się budową. Podzielić je można m.in. na konstrukcje jedno- i wielodomowe, włókniste i planarne, skokowe i gradientowe oraz pasywne i aktywne.

Rodzaje czujników światłowodowych

Czujniki światłowodowe, które oferuje firma EC Test Systems, to bardzo szeroka gama detektorów, wśród których wyróżnia się warianty quasi rozproszone, całkowicie rozproszone, stosowane do wielu pomiarów. Pomimo podobnego działania wykorzystują inne właściwości materiału. Przykładowo, czujnik temperatury opiera się na charakterystyce półprzewodnikowego rdzenia, w którym od tego parametru zależy przewodnictwo. Natomiast czujnik chropowatości korzysta ze zjawiska innego odbicia fal świetlnych zależnie od kąta nachylenia płaszczyzny. O możliwości zastosowania detektorów optycznych w rozmaitych zadaniach świadczy ich różnorodność. Do najczęściej stosowanych zaliczają się:

• czujniki przesunięcia, które mierzą natężenie światła odbitego niebędącego funkcją odległości końcówki światłowodu od obiektu,
• czujniki ciśnienia,
• czujniki mikrozgięciowe, stosowane do pomiarów drgań akustycznych, przemieszczenia, ciśnienia itp.,
• czujniki deformacji powierzchni, stosowane m.in. w kontroli jakości szlifowania,
• czujniki obrotu, wykorzystują zjawisko interferencji dwóch przeciwnych wiązek, które powoduje wzmocnienie lub osłabienie przepływu światła
• czujniki ciśnienia akustycznego (tzw. mikrofony światłowodowe),
• czujniki poziomu cieczy – dyskretny lub ciągły,
• czujniki temperatury – GaAs, fluorescencyjny,
• czujniki tlenu i wodoru,
• czujniki pola elektrycznego,
• czujniki stężenia jonów wodnych.

Czujniki światłowodowe często są elementem składowych większych aparatów pomiarowych. Zalicza się do nich m.in. spektrometr, który służy do rejestrowania widma świetlnego. Tego typu detektory są też bardzo precyzyjne. Przykładowa możliwość pomiaru w przypadku czujników obrotowych wynosi 0,0001 stopnia/sekundę. Technikę światłowodową stosuje się też do mierzenia wielkości chemicznych, biologicznych i środowiskowych. Jest ona wykorzystywana w dozymetrii radiacyjnej, systemach elektroniki jądrowej, a także do zabezpieczenia obiektów i osób, itp. Do najważniejszych zalet czujników światłowodowych, które sprawiają, że są one wyjątkowo cenione w wielu branżach, można zaliczyć brak zewnętrznego wpływu na przesył informacji. Wynika to z ich odporności na zaburzenia elektryczne. Ponadto czujniki światłowodowe mogą mierzyć bezdotykowo i dokonywać pomiarów parametrów urządzeń w stanie drgań czy w ruchu. Mają też niewielkie rozmiary, wykrywają małe obiekty i mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem czy w wysokich temperaturach.