Αισθητήρες Οπτικών Ινών (Εργασία)

Αισθητήρες Οπτικών Ινών

Εισαγωγή στην Οπτοηλεκτρονική-Φωτονική Page 1

Περιεχόμενα

1.Περιεχόμενα………………………………………………………………………………………………………………………….Σελ.1

2.Οπτικές ίνες και αρχές λειτουργείας……………………………………………………………………………………..Σελ.2

3.Αισθητήρες οπτικών ινών και αναφορά στο φράγμα Bragg………………………………………………….Σελ5

Αισθητήρες μονορυθμικών οπτικών ινών.

Αισθητήρες πολυρυθμικών ινών.

Αισθητήρες κατανεμημένων οπτικών ινών.

4.Διάφορες εφαρμογές αισθητήρων οπτικών ινών……………………………………………………………………Σελ.11

Φωτονικός αισθητήρας

Ενόργανη παρακολούθηση δομικών κατασκευών με χρήση αισθητήρων οπτικών ινών.

5.Βιβλιογραφία…………………………………………………………………………………………………………………………..Σελ.




Αρχή λειτουργίας Οπτικών Ινών

Οι οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τοπικά δίκτυα αλλά και για μεταδόσεις σε μεγάλες

αποστάσεις (δίκτυα ευρείας περιοχής). Έχουν στο κέντρο τους τον πυρήνα μέσω του οποίου μεταδίδεται

το οπτικό σήμα. Ο πυρήνας εγκλωβίζει τις ακτίνες φωτός και τις οδηγεί στο τέρμα. Τα κύματα

μεταφέρονται από τον πυρήνα της οπτικής ίνας. Όσο πιο στενός είναι ο πυρήνας, τόσο πιο γρήγορα

μεταφέρεται το κύμα φωτός. Ο οπτικός πυρήνας περιβάλλεται από στρώμα γυάλινης επικάλυψης. Η

επικάλυψη (cladding), η οποία περιβάλλει την οπτική ίνα κρατάει το φως στον πυρήνα, εμποδίζοντας το

σήμα να διασκορπιστεί και να χάσει την ισχύ του. Η επικάλυψη με τη σειρά της περιβάλλεται από το

εξωτερικό προστατευτικό υλικό, η οποία προστατεύει την ίνα από τους περιβαλλοντικούς κινδύνους.

Η δέσμη φωτός εκπέμπεται στον πυρήνα της οπτικής ίνας και προσπίπτει με τέτοια γωνία στην επικάλυψη

ώστε να υπάρχει ολική ανάκλαση και να μεταδίδεται σε όλο το μήκος της οπτικής ίνας. Η οπτική ίνα

εγκλωβίζει όλη την ενέργεια της ακτίνας του φωτός.

Τα οπτικά σήματα εσωτερικά ανακλώμενα μπορούν να ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις αφού ισχύει η αρχή

της φυσικής «Όταν μία ακτίνα φωτός περνά από το ένα μέσο σε άλλο, η ακτίνα διαθλάται στη διαχωριστική

επιφάνεια γυαλιού/αέρας». Η ποσότητα διάθλασης εξαρτάται από τις ιδιότητες των δύο μέσων. Για γωνίες

πρόσπτωσης μεγαλύτερες από μία συγκεκριμένη κρίσιμη τιμή, το φως διαθλάται πίσω στο γυαλί και δεν

διαφεύγει στον αέρα. Συνεπώς μια ακτίνα φωτός προσπίπτουσα με γωνία ίση ή μεγαλύτερη της κρίσιμης

τιμής παγιδεύεται εντός της ίνας. Με αυτό τον τρόπο η ακτίνα μπορεί να διαδοθεί για πολλά χιλιόμετρα, με

σχεδόν μηδενική απώλεια. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα να διαδίδονται πολλές διαφορετικές ακτίνες αρκεί

να στέλνονται με διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης και η γωνία αυτή να είναι μεγαλύτερη της κρίσιμης.

Υπάρχουν πολλές γωνίες με τις οποίες το φως μπορεί να εισέλθει σε μια οπτική ίνα και να δημιουργήσει

διαφορετικές γωνίες προσβολής της επικάλυψης οι οποίες αναφέρονται και ως τρόποι (modes). Ο αριθμός

των τρόπων (modes) αυξάνει καθώς αυξάνει η διάμετρος του πυρήνα. Οι μονότροπες (single - mode)

οπτικές ίνες έχουν συνήθως διάμετρο πυρήνα περίπου 10 μm ενώ οι πολύτροπες 50 - 100 μm. Οι

μονότροπες οπτικές ίνες, σε αντίθεση με τις πολύτροπες δεν διαχέουν τη δέσμη φωτός αλλά απαιτούν

συγκέντρωση φωτός μεγάλης έντασης σε πυρήνα μικρής διαμέτρου, γεγονός που απαιτεί τη χρήση Laser. Η



διάμετρος δηλαδή του πυρήνα να είναι στο επίπεδο του μήκους κύματος του εκπεμπόμενου οπτικού

σήματος. Αναφέρεται και σαν ομοαξονική μετάδοση.

Μια στρατηγική για τη δημιουργία δικτύων που θα μπορούν να υποστηρίξουν τις νέες πολύ ενδιαφέροντες

και απαιτητικές για εύρος ζώνης εφαρμογές είναι η τεχνολογία πολυπλεξίας μήκους κύματος WDM

(Wavelength Division Multiplexing). Η βασική ιδέα πάνω στην οποία στηρίχτηκε η νέα τεχνολογία ήταν η

εξής: σε κάθε οπτική ίνα το οπτικό σήμα που διαδίδεται έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα, είναι δυνατόν

από την ίδια ίνα να περάσουν περισσότερα του ενός διαφορετικά σήματα διαφορετικής συχνότητας (λ) ή

αλλιώς διαφορετικού χρώματος μιας και μιλάμε για οπτικά σήματα, τα οποία το καθένα να αντιπροσωπεύει

και μία ροή δεδομένων. Με βάση αυτό το χαρακτηριστικό έγινε δυνατή η παράλληλη μετάδοση σήματος

και στις οπτικές ίνες. Η πολυπλεξία μήκους κύματος είναι η τεχνική μετάδοσης πληροφορίας μέσα από

οπτική ίνα η οποία επιτρέπει την παράλληλη μετάδοση bits ή αλλιώς τη σειριακή μετάδοση χαρακτήρων.

Τα συστήματα WDM μπορούν να μεταδώσουν μέχρι 24 κανάλια αλλά στο μέλλον όλα δείχνουν ότι η

χωρητικότητα θα αυξηθεί στα 128 και παραπάνω μέσα από μια ίνα. Σήμερα η τεχνική DWDM (Dense

Wave Division Multiplexing = Πυκνή Πολυπλεξία στο πεδίο του Μήκους Κύματος) έχει ενταχθεί στην

τεχνική WDM. Τεχνικά είναι η ίδια μεθοδολογία αλλά όπως φαίνεται και από το όνομα η DWDM

εμπεριέχει περισσότερα κανάλια και μεγαλύτερη χωρητικότητα σε εύρος ζώνης. Συχνά οι δύο αυτές

τεχνικές αναφέρονται σαν μια, WDM, χωρίς να διακρίνεται η ειδοποιός διαφορά. Η τεχνολογία DWDM



είναι η περισσότερα υποσχόμενη τεχνολογία για μεταφορά δεδομένων μέσα από οπτικές ίνες και αποτελεί

σίγουρα μονόδρομο για την υλοποίηση σχεδίων όπως το Gigabit Internet.

Επιπλέον, η τραχύς μήκους κύματος διαίρεση πολυπλεξία (CWDM - Coarse Wevelength Division

Multiplexing) είναι μια τεχνολογία μεταφοράς πολυπρωτοκόλλων, που παρουσιάζει σημαντική ανάπτυξη

στην αγορά λόγω των ιδιοτήτων χαμηλότερου κόστους και της απλότητας στον σχεδιασμό της. Η CWDM

τεχνολογία αντιπροσωπεύει μια τέλεια οικονομική τεχνολογία τόσο σε πρόσβαση όσο και στην αγορά

δικτύων κορμού και ειδικά σε σχετικά μικρές αποστάσεις (έως 31 μίλια). Παραδίδει τα πολλαπλάσια μήκη

κύματος μέσω μιας οπτικής ίνας σε ένα μέρος του κόστους και πολυπλοκότητας των συστημάτων DWDM.

Ένας ακριβέστερος ορισμός του CWDM είναι "μια μορφή διαίρεσης και πολυπλεξίας μήκους κύματος που

έχει ευρύτερα διαστήματα μεταξύ των μηκών κύματος από αυτά που χρησιμοποιούνται στο DWDM.

Επίσης, αντίθετα από άλλες μορφές WDM, χρησιμοποιεί ένα πολύ ευρύτερο φωτονιακό φάσμα ζωνών από

άλλα τέτοια συστήματα, τα οποία συχνά είναι περιορισμένα σε μια ή δύο ζώνες" (Μέχρι 18 μήκη κύματος

μπορούν να σταλούν χρησιμοποιώντας μερικά σχέδια CWDM).




Σε πολλές βιομηχανικές διαδικασίες υπάρχει η ανάγκη να παρακολουθούνται ποσότητες όπως η

μετατόπιση θέσης, η πίεση, η θερμοκρασία, ο ρυθμός ροής, το επίπεδο υγρού και η χημική σύνθεση.

Ιδανικά, η τεχνική μέτρησης θα πρέπει να είναι αξιόπιστη, καλοφτιαγμένη, ανθεκτική στη διάβρωση,

εγγενώς ασφαλή και ελεύθερη από εξωτερικές παρεμβολές. Εδώ έρχονται οι εφαρμογές των οπτικών

ινών με τους αισθητήρες.

Οι αισθητήρες οπτικών ινών χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

a) Αισθητήρες μονορυθμηκών οπτικών ινών.

Αναφορά στους μονορυθμηκούς αισθητήρες οπτικών ινών!!

Οι μονορυθμικές ίνες συνήθως έχουν σχετικά μικρό πυρήνα (διαμέτρου μερικών μικρομέτρων) και μπορούν

να οδηγήσουν μόνο έναν χωρικό ρυθμό ο οποίος έχει συνήθως μια γκαουσιανή μορφή. Αλλάζοντας τις

αρχικές συνθήκες το μόνο που μπορούμε να μεταβάλλουμε είναι η ισχύς της δέσμης καθώς η χωρική

κατανομή της έντασης μέσα στην ίνα είναι καθορισμένη. Για την επιτυχή κυματοδήγηση ακτινοβολίας μέσα

σε μια μονορυθμική ίνα χρειαζόμαστε μια δέσμη καλής ποιότητας καθώς και σωστή ευθυγράμμιση



των οπτικών στοιχείων εστίασης ώστε να πετύχουμε σύζευξη ρυθμών. Η διάμετρος της

κηλίδας της διαδιδόμενης δέσμης σε μια μονορυθμική ίνα είναι συνήθως περίπου 5 μm.

Στους αισθητήρες μονορρυθμικών οπτικών ινών, μας απασχολούν κυρίως οι επιδράσεις των εξωτερικών

ποσοτήτων που θα μετρηθούν στη φάση (ή στη ταχύτητα του ρυθμού) του φωτός μέσα στην οπτική ίνα.

Χωρίζονται σε : Ι) Αισθητήρες διαμόρφωσης φάσης

ΙΙ) Γυροσκόπιο οπτικών ινών και

ΙΙΙ) Πολωσιμετρικοί αισθητήρες

ΙV) Αισθητήρες πόλωσης περιστροφής

Μία αναφορά σ’ αυτά τα 4 είδοι !!

Ι) Αισθητήρες διαμόρφωσης φάσης

Ένας προφανής τρόπος με τον οποίο μπορούμε να ανιχνεύσουμε αλλαγές φάσης είναι να κατασκευάσουμε

ένα συμβολομετρικό σύστημα, όπου η φάση της δέσμης δια μέσου μίας οπτικής ίνας αισθητήρα συγκρίνεται

με αυτή μίας δέσμης αναφοράς.

ΙΙ) Γυροσκόπιο οπτικών ινών

Εδώ το οπτικό γυροσκόπιο βασίζεται στο φαινόμενο Sagnac , που είναι η μετατόπιση φάσης που εισάγεται

ανάμεσα σε δύο δέσμες φωτός που ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις γύρο από μία κυκλική οπτική

σπείρα, όταν η σπείρα περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα κάθετο στο επίπεδο της σπείρας.

ΙΙΙ) Πολωσιμετρικοί αισθητήρες

Στους πολωσιμετρικούς αισθητήρες, οι δύο δέσμες στο συμβολόμετρο παρέχονται από τους δύο ορθογώνια

πολωμένους ρυθμούς σε μία ίνα Hi-Bi.Εξαιτίας της φύσης τέτοιων ινών, υπάρχουν υπάρχουν δύο σταθερές

διευθύνσεις σε σχέση με την ίνα, κατά μήκος των οποίων πρέπει να βρίσκονται τα διανύσματα πόλωσης.

Αυτές αναφέρονται ως ο «γρήγορος» και ο «αργός» άξονας, ανάλογα με τις σχετικές ταχύτητες των

ρυθμών.

ΙV) Αισθητήρες πόλωσης περιστροφής

Όλοι οι αισθητήρες μονορρυθμικών ινών που θεωρήθηκαν μέχρι στιγμής βασίζονται στην επιρροή που έχει

η προς μέτρηση ποσότητα πάνω στη φάσης του ρυθμού μέσα σε μία ίνα. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζουμε

την πιθανότητα να αλλάξει η γωνία της πόλωσης ενός ρυθμού.



b) Αισθητήρες πολυρυθμικών οπτικών ινών.

Αναφορά στους πολυρυθμικούς αισθητήρες οπτικών ινών!!

Οι πολυριθμικές ίνες έχουν, σε σχέση με τις μονορυθμικές, μεγαλύτερη διάμετρο πυρήνα ή/και μεγαλύτερη

διαφορά μεταξύ των δεικτών διάθλασης πυρήνα-περιβλήματος. Σε αυτήν την περίπτωση μπορούν να

υποστηρίξουν πολλούς διαφορετικούς ρυθμούς με διαφορετικές κατανομές έντασης. Με αποτέλεσμα η

κατανομή της έντασης να μην είναι καθορισμένη και να εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες εισόδου της

δέσμης οι οποίες καθορίζουν την κατανομή της έντασης μεταξύ των διαφορετικών ρυθμών μέσα στην ίνα.

Στους πολυρυθμικούς αισθητήρες κατατάσονται οι : ι) «ενδογενής» αισθητήρες οπτικών ινών

ιι) «εξωγενής» αισθητήρες οπτικών ινών.

Αναφορά σε κάθε είδος αισθητήρων!!

ι)Ενδογενείς

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να επηρεάσουμε την ποσότητα της ακτινοβολίας που

διαδίδεται μέσα σε μια ίνα είναι μέσω απωλειών μικροκάμψεων (Στις πολυρρυθμικές ίνες ο κύριος

μηχανισμός απωλειών κάμψης προκύπτει από την σύζευξη των ρυθμών) και αυτό μπορεί να αποτελέσει

τη βάση ενός μετατροπέα μετατόπισης ή πίεσης. Σε μία τυπική συσκευή, η ίνα περνάει ανάμεσα σ’ένα

ζευγάρι πλακών με ράχη, οι οποίες μεταδίδουν μία περιοδική διαταραχή στην ίνα.

Όταν οι ρυθμοί σε μια ίνα διεγείρονται από μια σύμφωνη πηγή, μπορούν να ανακατεύονται μεταξύ τους

και έτσι παράγουν μια εικόνα συμβολής κατά μήκος του άκρου της ίνας. Η εικόνα που προκύπτει

εξαρτάται από τις διαφορές φάσης που αναπτύσσονται ανάμεσα στους ρυθμούς, καθώς ταξιδεύουν κατά

μήκος της ίνας, και είναι αδύνατον να προβλεφθεί. Όταν δεν έχουμε διαταραχές στο σύστημα, το

πρότυπο θα μείνει αμετάβλητο. Εάν τώρα, η ίνα καμφθεί ελαφρώς κατά οποιοδήποτε τρόπο, η σύζευξη

ρυθμών θα αλλάξει την κατανομή της ενέργειας ανάμεσα στους ρυθμούς και άρα, προκαλείται αλλαγή

στην εικόνα συμβολής κατά μήκος του άκρου της ίνας. Φυσικά δεν θα συντελεστεί κάποια μεγάλη

αλλαγή στη συνολική ποσότητα ενέργειας που θα προκύψει από την ίνα, εκτός αν υπάρξει σημαντική

ποσότητα σύζευξης σε ρυθμούς απώλειας. Εάν, όμως, θεωρήσουμε μόνο ένα μικρό τμήμα από όλη την

περιοχή του άκρου της ίνας, κάθε αλλαγή στην εικόνα συμβολής στο σύνολο της είναι σχεδόν σίγουρο

ότι θα παραγάγει αρκετά σημαντικές αλλαγές στη προκύπτουσα ενέργεια. Έτσι εάν ο ανιχνευτής είναι

έτσι τοποθετημένος , ώστε να τέμνει μόνον ένα μικρό μέρος από το συνολικό φώς που προκύπτει από

την ίνα, η έξοδος του θα αλλάξει όταν υπάρχει η οποιαδήποτε παραμόρφωση στην ίνα. Από τη φύση

του, ένας τέτοιος ανιχνευτής θα είναι ιδιαίτερα μη-γραμμικός, παρόλο που σε μερικές περιπτώσεις, αυτό

μπορεί να μην είναι μεγάλο μειονέκτημα. Παραδείγματος χάριν, βάζοντας την ίνα ακριβώς κάτω από το

έδαφος, είναι δυνατόν να ανιχνευτεί η παρουσία εισβολέων, καθώς και οποιαδήποτε κίνηση πάνω από

εκείνο το σημείο λόγω του ότι έτσι υφίσταται παραμόρφωση η οπτική ίνα. Με την παραμόρφωση αυτή

το σήμα έχει επηρεαστεί κατά έναν βαθμό και κατά την έξοδο του θα διεγείρει ένα συναγερμό για να

μας ειδοποιήσει.

Η δομή φράγματος Bragg(Fiber Bragg Grating), μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα πολύ χρήσιμο

στοιχείο ανίχνευσης.



Τα φράγματα Bragg μπορούν να σχηματιστούν σε πολλά είδη κυματοδηγών ακόμα και σε μία οπτική ίνα.

Τα φράγματα Bragg οπτικής ίνας (Fiber Bragg Gratings) διευκολύνουν την προσαρμογή με μία συμβατική

ίνα και οι απώλειες οπτικής ισχύος του σήματος είναι ελάχιστες. Ο πρώτος που κατασκεύασε φράγματα

Bragg οπτικής ίνας ήτανε ο Hill το 1978. Για μία πλήρη περιγραφή του φράγματος Bragg πρέπει να

καταφύγουμε στη θεωρία των συζευγμένων τρόπων (coupled mode theory) . Η μεταβολή δneff(z) του

ενεργού δείκτη διάθλασης του τρόπου διάδοσης περιγράφεται από την εξίσωση:

2( ) ( ) 1 cos ( )eff sn z n z z z

όπου δns(z) είναι η περιβάλλουσα του ενεργού δείκτη διάθλασης, φ(z) η μεταβολή της «φάσης» του δείκτη

διάθλασης και v το βάθος χάραξης. Στα ομογενή φράγματα οι παράμετροι φ(z) και δns(z) δεν μεταβάλλονται

με το z. Η μεταβολή των παραμέτρων φ(z) και δns(z) στα ανομοιογενή φράγματα προσδίδει στα φράγματα

Bragg επιπλέον ιδιότητες, όπως θα δούμε και παρακάτω. Μετά από κάποιες αναγκαίες απλοποιήσεις, τα

πλάτη R και S των δύο τρόπων διάδοσης αποδεικνύεται ότι περιγράφονται από το ακόλουθο σύστημα

διαφορικών εξισώσεων:



Στις παραπάνω εξισώσεις, R και S είναι τα πλάτη του ανακλώμενου και του προσπίπτοντος στο

φράγμα κύματος αντίστοιχα. Στην περίπτωση όπου το φράγμα έχει σχηματιστεί σε μία

μονότροπη ίνα, οι συντελεστές των εξισώσεων δίνονται από τις εξής σχέσεις:

Στην περίπτωση των ομοιογενών φραγμάτων Bragg οι εξισώσεις dR

dz και

dS

dz επιλύονται σε κλειστή

μορφή. Αν υποθέσουμε ότι το μήκος του φράγματος είναι L, από το z=-L/2 έως το z=L/2, ότι στην έξοδο

του φράγματος δεν υπάρχει ανακλώμενο κύμα ( S(L/2)=0 ) και ότι το πλάτος του ανακλώμενου

κύματος που διαδίδεται προς την κατεύθυνση -z είναι R(-L/2)=1, τότε ο συντελεστής ανάκλασης ρ=S(-

L/2)/R(-L/2) δίνεται από την σχέση

Συνδυάζοντας τις εξισώσεις και λαμβάνοντας υπόψη πως στην περίπτωση των ομοιογενών

φραγμάτων ( )

0d z

dz

, λαμβάνουμε την εξής σχέση



όπου λmax το μήκος κύματος για το οποίο, και ο συντελεστής ανάκλασης μεγιστοποιείται ενώ L

N

ο αριθμός των περιόδων του φράγματος. Το max σχετίζεται με το 0 βάσει της σχέσης

Η συνάρτηση μεταφοράς ισχύος Τ(λ/λmax)=|ρ(λ/λmax)|2 έχει απεικονιστεί στο

σχήμα 2-11 για κL= 2 και κL=8 θεωρώντας ότι Ν=10000.

Όπως παρατηρούμε από το σχήμα 2-11, η συνάρτηση μεταφοράς ισχύος μεταβάλλεται ανάλογα με το

γινόμενο κL και ο κύριος λοβός της τείνει να λάβει μία τετραγωνική μορφή για μεγάλες τιμές του κL.

Οι πλευρικοί λοβοί έχουν αρκετά υψηλή τιμή και στις δύο περιπτώσεις του σχήματος 2-11. Στα

συστήματα WDM επιθυμούμε το ύψος των λοβών των φίλτρων να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερο,

ώστε να μειώνεται ο θόρυβος παρεμβολής από τα άλλα μήκη κύματος μετά την αποπολυπλεξία. Για

το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται φράγματα Bragg των οποίων η παράμετρος δns μεταβάλλεται με το

z.

Οι αισθητήρες φράγματος Bragg προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, σε σχέση με άλλους τύπους. Για

παράδειγμα, προσφέρουν μία σχετικά υψηλή ανάλυση τάσης ή θερμοκρασίας, η έξοδος είναι μία

γραμμική συνάρτηση της μετρήσιμης ποσότητας και είναι απαλλαγμένοι από διαταραχές στην ένταση

του φωτός.

ιι) Εξωγενείς

Στους εξωγενείς αισθητήρες η διαμόρφωση που προκύπτει από μία αλλαγή στη μετρήσιμη τιμή,

συμβαίνει έξω από την οπτική ίνα, η οποία δρα μόνον ως βολικό κανάλι μετάδοσης της ακτινοβολίας.

Κάποιοι από τους εξωγενείς αισθητήρες οπτικών ινών χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της κίνησης ή

της θέσης.



c) Αισθητήρες κατανεμημένων οπτικών ινών.

Οι περισσότεροι από τους αισθητήρες που συζητήθηκαν μέχρι στιγμής αφορούσαν μετρήσεις φυσικών

παραμέτρων σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο στο χώρο. Όμως, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες είναι

επιθυμητό να παρακολουθείται μια φυσική παράμετρος συνεχόμενα σε κάποιο μήκος. Αν και είναι πάντοτε

δυνατό να χρησιμοποιείται ένας μεγάλος αριθμός σημειακών αισθητήρων, αυτή είναι όμως μία δυσκίνητη

(και ακριβή) λύση. Μία πολύ καλύτερη ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί μία ίνα και να παρακολουθείται μία

παράμετρος που εξαρτάται από την προς μέτρηση ποσότητα, στον απαιτούμενο αριθμό σημείων, κατά

μήκος της οπτικής ίνας. Η ευελιξία της οπτικής ίνας κάνει σχετικά εύκολη την εγκατάσταση σε μία

επιλεγμένη διαδρομή μέτρησης και έτσι επιτρέπει αναδρομική προσαρμογή. Η αξία του να έχει κανείς

πρόσβαση στη χωροχρονική συμπεριφορά της μηχανικής τάσης και της θερμοκρασίας είναι προφανής,

λόγο της παρακολούθησης της ασφάλειας και λόγο της καλύτερης κατανόησης της συμπεριφοράς τους σε

ακραίες, μη αναμενόμενες συνθήκες.

Διάφορες εφαρμογές αισθητήρων οπτικών ινών!!!

1.Φωτονικός αισθητήρας

Ένας από τους πρώτους εμπορικά διαθέσιμους αισθητήρες μετατόπισης ήταν ο φωτονικός αισθητήρας.

Αυτός χρησιμοποιεί μία δεσμίδα ινών, από τις οποίες οι μισές συνδέονται στην πηγή της ακτινοβολίας και

οι άλλες μισές στον ανιχνευτή [Εικόνα 1]. Εάν η δεσμίδα τοποθετηθεί κοντά σε μία ανακλαστική

επιφάνεια, τότε το φώς θα ανακλάται πίσω από τις φωτίζουσες ίνες στις ίνες ανίχνευσης. Η ποσότητα που

ανιχνεύεται εξαρτάται εξαρτάται από την απόσταση των ακρών των ινών από την επιφάνεια. Προκειμένου

να αναλυθεί αυτή η εξάρτηση, θα θεωρήσουμε την κατά κάποιο τρόπο απλούστερη κατάσταση όπου

υπάρχουν μόνο δύο ίνες.

Εικόνα 1. Απεικόνιση του Φωτονικού αισθητήρα-Εκδοχή 2 ινών.

2. Ενόργανη παρακολούθηση δομικών κατασκευών με χρήση αισθητήρων οπτικών ινών.

Ενόργανη Παρακολούθηση Τεχνικών Έργων σε μια κάπως ελεύθερη ερμηνεία είναι η τοποθέτηση

οργάνων μέτρησης ή αίσθησης μετακινήσεων , παραμορφώσεων , δονήσεων , δυνάμεων ,

επιταχύνσεων , κλίσεων και πλήθος άλλων χρήσιμων προς μέτρηση παραμέτρων.

Η Ενόργανη παρακολούθηση της Δομικής Ακεραιότητας των Τεχνικών Έργων και Δομικών Κατασκευών

εν γένει (Instrumented Structural Health Monitoring), είναι ένας ταχύτατα αναπτυσσόμενος επιστημονικός

τομέας. Υπεισέρχεται στους περισσότερους κλάδους της τεχνικής και ιδιαίτερα σε εκείνα τα έργα που

έχουν μεγάλη σπουδαιότητα και κυρίως υψηλό οικονομικό ή κοινωνικό κόστος αστοχίας όπως τα έργα

μνημειακού χαρακτήρα. Ιδιαίτερα σε έργα τεχνολογικής αιχμής είναι πλέον καθιερωμένη η Δομική τους

Παρακολούθηση.



Σχήμα 2(α)- Ενόργανη παρακολούθηση αγωγών.

Σχήμα 2(β)- Αποκωδικοποιητής, Οπτικές ίνες και Φέρων Οργανισμός Τεχνικού έργου

Από τις πιο διαδεδομένες σήμερα εφαρμογές της ενόργανης παρακολούθησης αποτελούν οι εφαρμογές

εντός οπλισμένου σκυροδέματος, όπως π.χ. σε σκυροδέτηση φρεατοπασσάλου. Επίσης συνήθεις εφαρμογές

πραγματοποιούνται εντός θεμελίωσης ή δια- τρήματος στο έδαφος για μέτρηση κλίσεων, καθιζήσεων, κλπ.

Ενόργανη παρακολούθηση μπορεί να εγκατασταθεί σε μανδύες οπλισμέ- νου σκυροδέματος, gunite, ή και

ανθρακοϋφασμάτων. Η τελευταία κατηγορία εφαρμογών έχει τεράστια προοπτική στην βιομηχανία

επισκευών και ενισχύσεων κτιρίων και τεχνικών έργων, ακολουθώντας την γενικότερη τάση που

διαμορφώθηκε στον τομέα της αεροδιαστημικής. Στον τομέα αυτό οι τεχνολογίες ενόργανης

παρακολούθησης επισκευαστικών επιθεμάτων (κυρίως ανθρακοϋφάσματα) με αισθητήρες οπτικών ινών

εξελίχθηκαν ραγδαία τα τελευταία χρόνια.

Η τεχνολογία όμως της ενόργανης παρακολούθησης με οπτικές ίνες βρίσκει σήμερα και ευρείες μη-

δομοστατικές εφαρμογές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η τοποθέτηση καλωδίου στον οργανισμό

πλήρωσης ενός κτιρίου για διάφορες εφαρμογές. Αντίστοιχη εφαρμογή με πολύ μεγάλη οικονομική

σημασία αποτελεί η ενόργανη παρακολούθηση αγωγών. Οι αγωγοί αυτοί είτε πρόκειται για μεταφορά

νερού, πετρελαίου ή φυσικού αερίου είναι πολύ δύσκολο να παρακολουθούνται σε όλο το μήκος τους και

να γνωρίζουμε το σημείο πιθανής διαρροής, καθίζησης, ή βλάβης. Με τη μέθοδο παρακολούθησης οπτικής

ίνας και αισθητήρων τύπου Bragg τα προ- βλήματα αυτά λύνονται με πολύ απλό και οικονομικό τρόπο [σχ.

2(α)].



Άλλη συχνή εφαρμογή αποτελεί η τοποθέτηση αισθητήρων σε σκαλοπάτια και διαδρόμους για λόγους

ελέγχου και ασφαλείας. Με- τρήσεις βάρους ακριβείας σε καλίμπρες και ζυγούς ακριβείας είναι άλλη μια

εναλλακτική εφαρμογή. Στις μονώσεις οι αισθητήρες μπορούν να μετρούν την μεταβολής την απόδοση της

θερμομόνωσης. Με μικρή μετατροπή οι ίδιοι αισθητήρες μπορούν να μετρήσουν την υγρασία, ή την

θερμοκρασία. Άλλες εφαρμογές αφορούν στη μέτρηση συγκεκριμένων αερίων εντός κλειστών χώρων. Σε

κάθε περίπτωση, η εφαρμογή ξεκινάει από την κατάλληλη προσαρμογή του καλωδίου οπτικής ίνας εντός

κάποιου ειδικά παρασκευασμένου συστήματος πρόσδεσης. Γενικά, υπάρχουν εφαρμογές που ανήκουν

στην ευρύτερη κατηγορία της Ασφάλειας έναντι οριακών καταστάσεων αστοχίας, και άλλες που

αντιστοιχούν στην συντήρηση, μάλλον, παρά σε ακραίες καταστάσεις αστοχίας. Σίγουρα όμως και στις δύο

κατηγορίες η τεχνολογία οπτικών ινών έχει συμβάλλει καθοριστικά και απ’ ότι φαίνεται η τάση αυτή θα

συνεχίσει με νέες ενδιαφέρουσες εφαρμογές.

Στη συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά τα σημαντικότερα τεχνικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων

οπτικών ινών, οι βασικές αρχές λειτουργίας τους και τα κυριότερα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με τις

συμβατικές μεθόδους.

ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΤΥΠΟΥ BRAGG

Την τελευταία δεκαετία παρατηρείται η σταδιακή αντικατάσταση των συμβατικών μεθόδων και

συμβατικών οργάνων μέτρησης και παρατήρησης, με συστήματα αισθητήρων οπτικών ινών. Οι

αισθητήρες τύπου Fiber Bragg Gratings, όπως λέγονται συνδυάζουν εντυπωσιακή ακρίβεια (της τάξης των

microstrain, δηλ. 10-6

), εξαιρετική αντοχή σε μηχανικές καταπονήσεις, πολυπλεξία και πολύ χαμηλό

κόστος. Ίσως το σημαντικότερο πλεονέκτημά τους είναι η δυνατότητα να τοποθετηθούν σε σημεία

δύσκολης πρόσβασης οποιουδήποτε δομήματος και, γενικά, σε οποιαδήποτε μετρητική διάταξη. Αυτή η

ιδιότητά τους, αποτελεί μια επανάσταση στην τεχνική. Ειδικά για κατασκευές μη συμβατικές, όπου η

πληροφόρηση της Εντατικής Κατάστασης στον Μηχανικό του έργου είναι ιδιαίτερα σημαντική, οι

αισθητήρες τύπου Bragg αποτελούν πλέον μια αναγκαιότητα.

Οι αισθητήρες οπτικών ινών αποτελούν την μετεξέλιξη των συμβατικών μηκυνσιομέτρων και άλλων

κοινών οργάνων μέτρησης. Συνδυάζονται επί καλωδίων οπτικών ινών που καταλήγουν σε μία ειδική

συσκευή αποκωδικοποίησης του οπτικού σήματος. Η συσκευή αυτή στη διεθνή ορολογία ονομάζεται

interrogator, όρος που πλέον έχει καθιερωθεί και στην Ελληνική γλώσσα.

Οι βασικές συνιστώσες της παραπάνω διάταξης διακρίνονται στο σχήμα που ακολουθεί :

1. Αποκωδικοποιητής σήματος [σχ. 2(γ)]

2. Οπτική ίνα που διατρέχει το φορέα ή το τεχνικό έργο

3. Επί μέρους αισθητήρες της οπτικής ίνας [σχ. 2(δ)]

Βασικό χαρακτηριστικό της διάταξης είναι η μεγάλη αντοχή της οπτικής ίνας σε μηχανικές

καταπονήσεις, καθώς και ότι είναι αδρανής σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία και στο νερό. Αυτό είναι το κύριο

στοιχείο διαφοροποίησης από τα συμβατικά όργανα δομικής παρακολούθησης (πίνακας 1).



Σχήμα 2(γ)- Αποκωδικοποιητής οπτικού σήματος

Σχήμα 2(δ)- Διάφορες εφαρμογές αισθητήρων τύπου Bragg Grating



Σχήμα 2(ε)- Ανάκλαση συγκεκριμένου τμήματος του οπτικού φάσματος από έναν αισθητήρα τύπου Bragg

Grating κατά μήκος της οπτικής ίνας.

Πίνακας 1: Βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά στοιχεία του αισθητήρα Smart Rod®

Ο αισθητήρας τύπου Bragg Grating ενσωματώνεται ως τμήμα (<1cm) της μονότροπης οπτικής ίνας, το

οποίο πρώτα πρέπει να έχει υποστεί ειδική κατεργασία. Πιο συγκεκριμένα, ο εν λόγω αισθητήρας [σχ. 2(ε)]

έχει την ιδιότητα σε εισερχόμενη ακτινοβολία ευρέως φάσματος (1530-1570nm) να λειτουργεί σαν οπτικό

φίλτρο που αντανακλά μια ελάχιστη ποσότητα του ευρυζωνικού σήματος, επιτρέποντας παράλληλα στο

υπόλοιπο φως να συνεχίσει την πορεία του μέσα στην ίνα. Αυτή η τροποποιημένη περιοχή είναι ευαίσθητη

στις τάσεις εφελκυσμού και συμπίεσης και στις μεταβολές θερμοκρασίας. Συνεπώς, μεταβάλλεται το

ανακλώμενο μήκος κύματος το οποίο στη συνέχεια καταγράφεται από τον ειδικό εξοπλισμό (interrogator)

που παρακολουθεί σε τακτά διαστήματα χρόνου τις μεταβολές.



Η συνθήκη Bragg συνδέει τις απειροελάχιστες μεταβολές του μήκους του αισθητήρα με την μεταβολή του

ανακλώμενου φάσματος, ως εξής:

Δλ = Κεεz+KTΔΤ (1)

όπου: Δλ είναι η μεταβολή του μήκους κύματος του σήματος

εz είναι η παραμόρφωση του αισθητήρα.

Η τιμή της σταθεράς Κε δηλώνει τη σχέση μετατροπής παραμόρφωσης - μήκους κύματος του αισθητήρα,

ενώ η τιμή της KT , δηλώνει τη σχέση θερμοκρασίας-μήκους κύματος.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΜΕΓΑΛΑ ΕΡΓΑ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΜΝΗΜΕΙΑ

Από την στιγμή που διαπιστώθηκε ότι οι αισθητήρες τύπου Bragg μπορούσαν να μετρήσουν την

παραμόρφωση με τόσο μεγάλη ακρίβεια, τίποτε δεν εμπόδιζε τους τεχνικούς να τοποθετήσουν εύκολα και

με ασφάλεια αισθητήρες στα πιο δυσπρόσιτα και ευαίσθητα

μέρη και να μετρήσουν τις πιο απίθανες παραμέτρους. Πραγματικά, οι αισθητήρες τύπου Bragg, μετρούν

παραμόρφωση, αλλά με έξυπνες μετατροπές μπορεί κανείς εύκολα να μετρήσει την πίεση, την τάση, κ

λύση, μετακίνηση ακόμα και επιτάχυνση.

Όλες οι παραπάνω μετρήσεις έχουν ιδιαίτερη σημασία σε διαφορετικού τύπου κατασκευές, υπό

διαφορετικές συνθήκες.

Είναι χαρακτηριστικό ότι σε υπόγεια έργα (Μετρό Μαδρίτης και Παρισιού), η δομοστατική

παρακολούθηση ολόκληρων θαλάμων σταθμών ή σηράγγων γίνεται με τους αυτοματισμούς που παρέχει

η οπτική ίνα. Πληροφορίες από εκατοντάδες σημεία μέτρησης παραμορφώσεων, τάσεων, πιέσεων, κ

λύσεων συγκεντρώνονται στον αποκωδικοποιητή σήματος και κατόπιν στον σταθμό επεξεργασίας

δεδομένων και παρακολούθησης των μηχανικών. Στις ΗΠΑ, η τάση σήμερα είναι να συγκεντρώνονται τα

αποτελέσματα από μετρήσεις σε Τεχνικά ‘Εργα (κυρίως γέφυρες) σε μία κεντρική ιστοσελίδα στην οποία

έχουν πρόσβαση όλοι οι μηχανικοί των υπηρεσιών συντήρησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα εν λόγω

προγράμματα συντήρησης είναι ιδιαίτερα υψηλού προϋπολογισμού και με μεγάλες τεχνικές απαιτήσεις.

Ενδεικτικά αναφέρεται ότι μόνον στις ΗΠΑ υπάρχουν πάνω από 300.000 γέφυρες, για τη συντήρηση των

οποίων η δυνατότητες απομακρυσμένης παρακολούθησης που παρέχουν οι διατάξεις οπτικών ινών είναι

ιδιαίτερα ευεργετικές.

Ιδιαίτερης σημασίας εφαρμογές της ενόργανης παρακολούθησης έχουν αναπτυχθεί και σε μνημεία

ιστορικής και πολιτιστικής σημασίας. Από τις πρόσφατες εφαρμογές αποτελούν το Τείχος της Ακροπόλεως

Αθηνών, η Πινακοθήκη της Ακροπόλεως και τμήμα του Ερεχθείου. Στα μνημεία αυτά έχουν αναπτυχθεί,

με ελάχιστες πα- ρεμβάσεις, καλώδια οπτικής ίνας με μεγάλο αριθμό οπτικών αισθητήρων που συνδέονται

με αποκωδικοποιητή σήματος και με ειδικό λογισμικό ώστε να γίνεται η παρακολούθηση όλου του

μνημείου σε συνεχή βάση. Οι λύσεις που αναπτύχθηκαν απεικονίζονται στις εικόνες που ακολουθούν.



Συνοπτικά, τα βασικότερα πλεονεκτήματα από τις εφαρμογές των οπτικών αισθητήρων στα μεγάλα τεχνικά

έργα και τα ιστορικά μνημεία αναφέρονται στη συνέχεια:

• Μικρό Μέγεθος της τάξεως του 1cm και αμελητέο βάρος, άρα και δυνατότητα τοποθέτησης σε δύσκολα

σημεία και σε πολύπλοκες διατάξεις

• Η ελαστικότητα των αισθητήρων επιτρέπει την κάλυψη και των πιο ιδιαίτερων κατασκευών

• Μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας >50°C με αποτέλεσμα τη δυνατότητα εφαρμογής υπό όλες τις

καιρικές συνθήκες

• Υψηλή αντοχή σε σημαντικές καταπονήσεις, συνήθεις σε σεισμογενείς περιοχές

• Φιλικοί προς το περιβάλλον, δηλ. δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ούτε περιέχουν τοξικά

κατάλοιπα.

• Δυνατότητα πραγματοποίησης μετρήσεων, σε σημεία αδύνατα να μετρηθούν με τους συμβατικούς

αισθητήρες και διατάξεις

• Μεγάλη ταχύτητα μετρήσεων & επαναληψιμότητα. Δυνατότητα επανάληψης μέτρησης κατά τη διάρκεια

ενός φαινομένου (σεισμός, διέλευση μεγάλου οχήματος, ισχυροί άνεμοι, πλημμύρες κλπ.). Ανεπηρέαστοι

από μέτρηση σε μέτρηση

• Δεν χρειάζεται ρύθμιση μετά την τοποθέτηση.

• Πλεονεκτήματα σε σχέση με τους συμβατικούς ηλεκτρικούς αισθητήρες όσον αφορά στην υγρασία,

σπινθηρισμούς, γειώσεις, ραδιοκύματα και γενικότερα Η/Μ ακτινοβολίες

• Σημαντική συμβολή στη μείωση του κόστους συντήρησης των τεχνικών έργων / μνημείων

• Μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής της κατασκευής



• Δυνατότητες πολυπλεξίας είτε σε ένα η/και σε πολλά κανάλια

(οπτικές ίνες)

• Δυνατότητα απομακρυσμένης επιτήρησης & μετάδοσης, χιλιόμετρα μακριά μέσω συμβατικών

τηλεπικοινωνιακών μέσων.

• Χρησιμοποιούν ακτινοβολία χαμηλής ισχύος δίχως κίνδυνο πρόκλησης πυρκαγιών από πιθανό

βραχυκύκλωμα.

Ενοργάνωση γέφυρας Τ3 και Γ9

Εγνατίας Οδού

Αισθητήρες Οπτικών Ινών (Εργασία)

Documents