EVALUAREA PIERDERILOR IN SISTEMELE DE MASURARE CU FIBRE OPTICE

EVALUAREA PIERDERILOR IN SISTEMELE DE MASURARE CU FIBRE OPTICE

1 SISTEMUL EXPERIMENTAL. SCHEME UTILIZATE

1.1. Schema bloc a sistemului optoelectronic experimental

Sistemul optoelectronic ales pentru determinarile experimentale are schema bloc prezentata in figura 9 si contine:

- optrodul interfatat cu doua fibre optice PMMA (polimetilmetacrilat);

- sursa de lumina: LED albastru 'ultrabright';

- fotodioda ORIEL-7180;

- filtru optic;

- sursa electro-optica (electronica) multifunctionala pentru comanda LED-lui (permite comanda mai multor LED-uri simultan);

- bloc electronic de receptie.

In continuare vor fi prezentate pe scurt partile componente ale sistemului, pentru ca in subcapitolele urmatoare sa fie prezentate elementele de proiectare, aspectele tehnologice si performantele corespunzatoare.

Plecand de la caracteristicile spectrale ale fluoresceinei, s-a decis utilizarea ei ca indicator fluorescent in vederea masurarii concentratiei unor specii ionice (chimice) prezente in solutii chimice, in general si in serul sangvin, in particular.

Pentru aceasta s-a ales 'un optrod cu masurare directa a proprietatilor intrinseci chimico-optice ale analitului', care prezinta avantajul ca poate fi utilizat pentru analize diverse prin schimbarea indicatorului si a sursei de lumina (a caracteristicilor spectrale de emisie). Optrodul utilizeaza o fibra optica de emisie care asigura excitarea probei (solutia de analizat 'marcata' cu indicatorul fluorescent) si o fibra optica de receptie care preia 'raspunsul optic' al probei si-l transmite, la distanta, unei fotodiode.

Sursa de excitatie luminoasa este un LED albastru 'ultrabright' cu lungimea de unda corespunzatoarea intensitatii maxime, lp = 450 nm. Evident, era de preferat utilizarea unei LED cu lungimea de unda de circa 490 nm (pentru aceasta lungime de unda fluoresceina are intensitatea fluorescenta maxima), dar un asemenea LED nu exista, inca, pe piata. Mai mult, ar fi fost de preferat sa se utilizeze o sursa optica monocromatica (un LASER), care ar fi avut si o intensitate luminoasa mai mare, dar aceasta solutie ar fi fost foarte scumpa, in conditiile in care si un LED 'ultrabright' are caracteristici foarte bune.

Fotodioda ORIEL-7180 prezinta o valoare maxima a responsivitatii de circa 0.5 A/W (valoare uzuala pentru aceasta categorie) si are rolul de a realiza conversia fluxului de putere luminos intr-un curent.

Filtrul optic are rolul de a lasa sa treaca spre fotodioda numai fluxul luminos util (emisia fluorescenta), rejectand componenta reflectata a sursei de excitatie.

Sursa electronica multifunctionala pentru comanda LED-lui poate comanda unul sau mai multe LED-uri si este, de fapt, un generator de curent comandat. Cu ajutorul acestei surse, LED-ul sau LED-urile pot genera un flux luminos continuu sau alternativ de amplitudine reglabila. Sursa prezinta un generator intern dreptunghiular care poate asigura o frecventa de la ordinul zecilor de herti pana la aproximativ 1 kHz si permite, de asemenea, conectarea unui generator extern pentru obtinerea altor forme de semnal dorite.

Blocul electronic de receptie are doua canale si permite, astfel, analiza a doua semnale optice simultan. Fiecare canal are cate un amplificator transimpedanta, care face conversia curentului furnizat de fotodioda corespunzatoare intr-o tensiune si cate un filtru activ cu sase poli pentru rejectia zgomotului si amplificarea semnalului. De asemenea, celulele de filtrare si amplificare de pe canalul al doilea permit la intrare un posibil semnal extern.

Fibrele optice utilizate sunt fibre Super ESKA 'SH 4001' care prezinta urmatoarele caracteristici:

- diametrul exterior al fibrei (miez plus camasa activa ): F_fo = 1 mm;

- diametrul exterior al fibrei cu camasa de protectie: F_ext 0.07 mm;

- miezul fibrei optice este realizat din polimetilmetacrilat (PMMA);

- camasa fibrei optice este fluoropolimerica;

camasa de protectie a fibrei optice este realizata din polietilena;

- indicele de refractie al miezului: n_m = 1.495;

- indicele de refractie al camasii active: n_c = 1.402;

- apertura numerica: AN = 0.50;

- raza minima de curbura: R_min = 25 mm;

- atenuarea pe unitatea de lungime: A_max 400 dB/km (l 550 nm);

La capetele libere fibrele optice sunt introduse in doi conectori ('tata') prin lipire cu adezivul epoxidic 'Bison' (U.K.). S-au utilizat conectori SMA 905-150-5003 cu urmatoarele caracteristici:

- diametrul interior al zonei active: 231 mm (orificiul a fost largit la F = 1 mm in vederea introducerii fibrei optice);

- diametrul exterior al cilindrului activ (care urmeaza sa intre in conectorii 'mama'- 'housing'): 2.45 mm;

- pierderi: 2 dB;

La capetele active (in zona optrodului) fibrele optice au fost decojite de camasa de protectie si au fost introduse intr-un tub ceramic, fiind imobilizate, cu ajutorul unui adeziv epoxidic mat. Peste acest tub ceramic s-a imobilizat un manson de cauciuc prin acelasi procedeu. Mansonul asigura o flexibilitate optima in zona fibrelor optice, protejandu-le impotriva ruperii si asigura, in plus, o buna manevrabilitate a optrodului.

1.2. Sursa electro-optica. Caracteristicile schemei electronice alese

Schema electronica a sursei electro-optice pentru comanda LED-lui albastru este prezentata in anexa 3. LED-ul utilizat este un 'Ultra Bright BLUE LED' : RS 589-569 cu urmatoarele caracteristici:

- tensiunea directa: V_F = 3.6 V (tipic);

- intensitatea curentului direct: I_F = 20 mA (tipic)

- intensitatea curentului maxim admisibil: I_Fmax = 30 mA;

- intensitatea luminoasa I_v = 1000 mcd (tipic) !;

- unghiul de divergenta al fasciculului:

- lungimea de unda corespunzatoare intensitatii luminoase maxime: lp = 450 nm;

- puterea disipata: P_d = 120 mW;

- intervalul de temperatura de functionare : -20 C;

capsula T1^3/4 (F_ext = 5 mm).

Sursa electro-optica realizata se alimenteaza de la o sursa dubla de tensiune, de 12 V (externa). Ea prezinta un generator de curent continuu comandat in tensiune realizat cu amplificatorul operational A₄ (bM 108 A), tranzistorul darlington (rapid) T₁ (ZTX 705) si rezistenta R^* (20 W). Astfel, dioda Zener DZ₁ (DZ3V3) impreuna cu rezistenta R₂ (1 kW) stabilizeaza o tensiune care se aplica grupului divizor compus din rezistentele R₃ (10 kW) sau R₄ (30kW) si potentiometrul liniar multitur P₁ (5kW). Comutatorul K₁ comuta una din rezistentele R₃ sau R₄, in vederea obtinerii a doua tensiuni maxime pe divizor, tensiuni care la alta scara corespund cu gamele de curenti pentru LED (25 mA, respectiv 55 mA), iar potentiometrul P₁ permite reglajul fin a uneia din tensiunile divizate. Aceasta tensiune este inversata de amplificatorul inversor realizat cu amplificatorul operational A₁ (bM 108 A) si rezistentele R₅ si R₆ (200 kW). Tensiunea furnizata de acest amplificator, va fi aplicata prin rezistenta R₈ unui sumator-inversor cu doua intrari realizat cu amplificatorul operational A₃ (bM 108 A) si rezistentele R₁₂ (100kW), R₈ si R₁₃ (10 kW). A doua tensiune este furnizata prin rezistenta R₁₂ de amplificatorul inversor realizat cu amplificatorul operational A₂ (bM 108 A) si rezistentele R₉ si R₁₀ (200 kW), care la randul lui poate prelua o tensiune de comanda alternativa din exterior prin mufa de intrare BNC₁ ('ANALOG IN.'). Tensiunea de la iesirea amplificatorului sumator se aplica pe intrarea neinversoare a amplificatorului operational A In aceste conditii, curentul generat de generator va fi egal cu diferenta de tensiune dintre tensiunea de la iesirea sumatorului si tensiunea de pe borna superioara a potentiometrului P₁ (practic, tensiunea de pe rezistenta R^*), raportata la rezistenta R^*. In conditiile in care la intrarea 'ANALOG IN.') nu se aplica nici o tensiune, tensiunea de la iesirea sumatorului este, practic, egala cu tensiunea de pe cursorul potentiometrului P₁. Colectorul tranzistorului T₁ se leaga la anodul LED-lui care este comandat, catodul acestuia legandu-se la masa prin rezistenta de sunt R₁₈ (10 W). Aceasta rezistenta culege o tensiune proportionala cu curentul prin LED si poate fi masurata din exterior prin mufa de iesire BNC₃     ('U(I_LED)').

Pentru a se obtine un curent de forma dreptunghiulara, in catodul LED-lui se leaga emitorul unui tranzistor de comutatie, T₂ (2N2904) prin intermediul unei rezistente de limitare R₁₇ (10W). Baza tranzistorului este excitata printr-o poarta inversoare (CI₂: 1/6 - 7404) de un generator de tensiune dreptunghiulara, intern sau extern. Comutatorul K₂ cupleaza pe o pozitie generatorul de tensiune dreptunghiulara intern (un oscilator realizat cu circuitul integrat bA 155), care poate genera o frecventa de 35 1000 Hz, si pe cealalta - printr-o alta poarta inversoare (1/6 - 7404) - un generator extern, prin mufa BNC₂ ('DIGITAL IN.').

In concluzie, sursa realizata are urmatoarele functii:

- permite reglarea fina a unui curent continuu prin LED cu ajutorul unui potentiometru multitur (P₁) pe doua game de curent comutabile cu ajutorul comutatorului K₁. Gamele de curent pot fi modificate foarte usor prin schimbarea rezistentelor R₃ si R₄;

- sursa poate comanda mai multe LED-uri prin inseriere, numarul acestora fiind dependent de tensiunea lor directa si de curentul prescris (sursa functioneaza foarte bine, pentru doua LED-uri);

- prin intrarea 'ANALOG IN.' se poate aplica o tensiune alternativa exterioara care produce un curent corespunzator ce se insumeaza cu curentul continuu;

- sursa poate genera pulsuri dreptunghiulare de curent de frecventa variabila (reglabila din interior): 35 1000 Hz sau comandate de un generator de tensiune dreptunghiulara din exterior prin intrarea 'DIGITAL IN.'. Amplitudinea pulsurilor de curent se regleaza tot din potentiometrul P₁;

- iesirea 'U(I_LED)' permite masurarea parametrilor curentului prin LED sau vizualizarea acestora.

Se poate spune ca aceasta sursa este deosebit de utila pentru lucrari de cercetare in acest domeniu, datorita facilitatilor pe care le ofera.

1) fotodioda BPX 65

Ca senzor fotoelectric am ales aceasta dioda deoarece raspunde bine la un spectru larg de lungimi de unda si are o suprafata a jonctiunii suficient de mare pentru a asigura ca fluxul optic cade pe jonctiune.

Parametrii electrici si optici ai acestei diode sunt prezentati in anexele 7 si respectiv 8.

Fotocurentul variaza liniar cu intensitatea luminoasa.

2) amplificatorul de curent TL071 (Texas Instruments)

Schema capsulei circuitului integrat este data in figura urmatoare:

Fig. 1. Schema capsulei circuitului integrat

Circuitul TL071 este un amplificator BIFET (cu impedanta foarte mare de intrare) fiind indicat pentru amplificarea semnalelor mici de intrare (de ordinul nanoamperilor). L-am folosit cu rolul de amplificator inversor.

Pentru reactia amplificatorului am ales o rezistenta R 5MW astfel incat la iesire sa se obtina un semnal usor de citit.

In paralel cu rezistenta R am conectat un condensator de valoare foarte mica pentru a asigura o forma corecta a semnalului dreptunghiular de la iesire.

Valorile maxime ale tensiunii de alimentare citate din catalog sunt:

+V_cc +18 V

-V_cc -18 V

Pentru alimentarea dispozitivului am folosit o sursa de +/- 15 V_cc tinand cont si de necesitatile celorlalte blocuri electronice din compunerea schemei electrice generale.

2. TEHNICI DE ELALUARE

Pierderile in fibre se clasifica in trei categorii, in functie de mecanismele de producere:

- pierderi prin absorbtie materiala;

- pierderi prin difuzie;

- pierderi datorate efectelor geometrice.

Pierderile datorate absorbtiei intrinseci sunt mici in zona spectrala in care functioneaza sistemele cu fibre optice, dar impun o limita teoretica a pierderilor care nu poate fi depasita. Absorbtia intrinseca este cauza limitarii la aproximativ 1,6 mm a aplicatiilor de transmisii de date. Tot datorita absorbtiei materiale, pentru aplicatiile in UV se folosesc fibre din cuart sau cu miez lichid, substante transparente in aceasta zona a spectrului optic.( Vezi capitolul 3, paragraful 3.1.1)

Prezenta impuritatilor in fibra reprezinta o sursa majora de pierderi. Doua tipuri de impuritati produc, in special, efecte nedorite: ionii metalelor de tranzitie si ionul hidroxil (OH^-). (Vezi capitolul 3, paragraful 3.1.1.2)

In afara fenomenelor de difuzie liniare, pasive , mentionate, pot fi luate in considerare, in anumite circumstante, si fenomenele de emisie neelastica, si anume difuzia Raman si Brillouin. Acestea sunt fenomene neliniare, care apar daca densitatea puterii optice in fibra are valori mari, ca in cazul transmisiei radiatiei laser. Ele se caracterizeaza prin absorbtia unei parti din energia radiatiei incidente, de lungime de unda l si emisia spontana sau stimulata a unei radiatii de lungime de unda diferita l’ , care difuzeaza in fibra. (Vezi capitolul 3, paragraful 3.1.2)

Efectele geometrice care conduc la aparitia pierderilor sunt:

- curbarea fibrelor;

- microcurburi (rezultate in procesul de tragere sau induse intentionat);

- variatii ale diametrului fibrei. (Vezi capitolul 3, paragraful 3.1.3)

3. DETERMINARI EXPERIMENTALE

3.1. Studiul calitatii fibrei

Cele doua fibre optice folosite sunt doua fibre din plastic (PMMA).

LED-ul folosit este un LED albastru cu I 20 mA

A) folosim fibra neslefuita

Masuratori efectuate la fotodetector

Observatie

A patra valoare a tensiunii se datoreaza taieturii oblice a fibrei optice.

a) Masuratori efectuate la sursa (s-a folosit un LED ultrabright)

Observatii

1. A treia valoare a tensiunii se datoreaza taierii foarte proaste a fibrei;

2. Ultimele trei valori ale tensiunii se datoreaza rotirii fibrei.

B) slefuim fibra

a) Masuratori efectuate la fotodetector la primul capat al fibrei

b) Masuratori facute la fotodetector la primul capat al fibrei

3.2. Studiul pierderilor datorate deplasarii fibrelor

a) deplasarea sus-jos a fibrei de receptie fata de cea de emisie

b) deplasarea lateral stanga-dreapta a fibrei de receptie fata de cea de emisie

Grafic, dependenta tensiunii de deplasarea fibrelor, este de forma:

Fig.3. Dependenta tensiunii de deplasarea fibrelor.

c) Deplasarea pe orizontala a celor doua fibre

Fig. Dependenta tensiunii de deplasarea pe orizontala a fibrelor una de cealalta.

3.3. Studiul pierderilor datorate deplasarii LED-fibra

a) deplasarea pe orizontala a LED-ului fata de fibra de emisie

Fig.5. Dependenta tensiunii de deplasarea pe orizontala a LED-ului fata de fibra de emisie.

b) deplasarea lateral stanga-dreapta a LED-ului fata de fibra de emisie

c) deplasarea lateral sus-jos a LED-ului fata de fibra de emisie

Fig.6. Dependenta tensiunii de deplasarea LED-ului fata de fibra de emisie.

3.3. Studiul pierderilor datorate deplasarii fotodiodei fata de fibra de receptie

a) deplasarea pe orizontala fotodioda – fibra de receptie

Fig.7. Dependenta tensiunii de deplasarea fotodiodei fata de fibra de receptie.

b) deplasarea lateral sus-jos fotodioda-fibra optica de receptie.

Fig. 8.Dependenta tensiunii de deplasarea lateral sus-jos a fotodiodei fata de fibra de receptie.

3. IDENTIFICAREA UNOR MODELE MATEMATICE PE BAZA DETERMINARILOR EXPERIMENTALE

1. Modelul matematic

Compensarea tehnica

Compensarea tehnica propusa implica existenta a doua fibre de receptie, plasate astfel incat sa genereze doua semnale optice. Structura unui astfel de senzor utilizat in tehnica este ilustrata in figura 9.

Fig.9. Principiul compensarii tehnice.

Fiecare element al senzorului este substituit de functia lui de transfer, dupa cum urmeaza: F₁, F₂₁, F₂₂ functiile de transfer ale fibrelor de emisie si de receptie, S functia de transfer a sursei de lumina, M₁ si M₂ functiile de transfer ale regiunii active ale senzorului ce se refera la masurandul d si D₁, D₂ functiile de transfer ale detectorilor.

Functia de transfer a senzorului este:

. (1)

Daca fibrele de receptie si detectorii au functii identice

F₂₁ F

D₁ D

iesirea este data numai de masurand

.

Functia ce descrie transmisia luminii de-a lungul fibrei poate fi scrisa

,

unde L_i este pierderea intrinseca ce depinde de lungimea de unda l a luminii si lungimea fibrei l; L_s este pierderea suplimentara ce depinde de conditii externe legate de temperatura si stresul mecanic; L_b este pierderea prin inclinare ce depinde de indoirea razei l_a si de unghiul de indoire a si de ultima limita data de pierderile de microindoire.

Functia ce descrie operatiile detectorului D, depind de tipul convertorului opto-electronic si de urmatoarele parti electronice. IN timp ce fotodioda este utilizata dupa functia data de expresia

D s(l A ,

unde s(l este responsivitatea spectrala a fotodiodei si A este amplificarea partii electronice. Este cunoscut ca caracteristicile spectrale ale fotodiodei pin nu este suficienta pentru a o controla. De aceea este posibila ajustarea functiilor detectorilor care trebuiesc sa fie egale cu lungimea de unda specifica l

s₁(l A₁ s₂(l A₂

doar aceasta da increderea ca pentru diferite lungimi de unda egalitatea trebuie mentinuta. Acest aspect influenteaza compensarea performantelor cand surse de banda ingusta ca LED sunt utilizate.

Compensarea senzorului de deplasare

Modularea in amplitudine a senzorului cu fibre optice pentru deplasari inguste a fost dezvoltata si testata cu o metoda de compensare.

Structura senzorului (fig.10) include o sursa de lumina de amplitudine constanta cu led, S, fibra de intrare F₁, doua fibre identice de receptie F₂₁ si F₂₂, doi detectori identici cu fotodiode pin D₁ si D₂ si o unitate analogica de procesare R care indeplinesc rolul de detectori electrici ai semnalului de iesire si poate da la iesire un semnal maxim de 10V.

Fig.10. Structura senzorului de deplasare.

Senzorul, similar ca alti senzori, are o noua configuratie de sensibilitate, unde doua semnale optice, diferit modulate de masurand, sunt generate.

Fibrele de receptie sunt plasate in acelasi plan cu fibra de intrare, insa la distanta diferita de acesta. Cantitatea de lumina colectata de oricare din cele doua fibre de receptie I₂₁ si I₂₂este functie de distanta dintre fibre si ecran d, care este masurata, ti distanta dintre fibrele de intrare si de iesire

I₂₁ I₁ R_s F(d,a),

I₂₂ I₁ R_s F(d,a+2r),

Unde I₁ este intensitatea aparuta din fibra de intrare si R_s ecranul reflectorizant. Expresia matematica a parametrului F pentru diametre largi in miezul fibrei este

,

unde A este aria suprafetei fibrei acoperita de lumina reflectata de ecran si are expresia

In ecuatiile (8) si (9) diferitii termeni au valorile:

T arcsin (NA);

R r+2dT;

m a+2r;

d – distanta dintre capetele celor doua fibre si ecranul de reflexie;

r – raza miezului fibrei, considerata a fi aceeasi pentru cele doua fibre;

NA – apertura numerica a fibrei, considerata a fi aceeasi pentru cele doua fibre;

a – distanta dintre capetele fibrei de emisie si fibrele de receptie.

Variatia parametrului F(d,a) pentru capatul sensibil al fibrelor din plastic cu raza miezului de 0.5 mm si NA 0.47, este ilustrata in fig. 4…

Semnalul de iesire normalizat R₀

Sectiunea electronica include sursa opto-electronica, detectorul si unitatea de procesare. Sursa optica are in alcatuirea ei un LED ultrabright rosu (3000 mcd) alimentat de o sursa de curent constant. LED-ul rosu a fost bine ales deoarece regiunea spectrala a fibrei din plastic are in spectrul de transmisie o absorbtie redusa si fotodetectorul din siliciu folosit are o buna responsivitate.

Detectorul si unitatea de procesare includ doua blocuri de detectie identice ti un bloc de scalare. Un bloc de detectie converteste puterea optica ce vine de la fibra de receptie in tensiune electrica. Fotodioda pin BPX 65 opereaza in mod fotovoltaic si este conectata la intrarea BIFET-ului, amplificata si convertita din curent in tensiune. Pentru a garanta conditii de operare identice pentru cei doi detectori, folosim un circuit TL 072 cu doua amplificatoare incluse in acelasi cip. Rationalizarea si blocul de scalare fac parte din circuitul analog de procesare AD 538, care a fost configurat pentru functia de transfer

U_out

cu x,y voltajele analogice generate de blocul de detectie; U_out enzorul semnalului de iesire.

Fig.11. Reprezentarea grafica a expresiei matematice a parametrului F.

2. Determinat experimental

a)      lateral

b)      central

Fig.12. Reprezentarea grafica a expresiei determinata experimental.