Cabluri de fibră optică şi senzori de fibră optică

1 OCTOMBRIE 2012

O dată cu progresul ştiinţei şi al tehnicii, a crescut brusc cererea pentru suporturi de informaţii performante. În special, pentru distanţe mari. Soluţia ideală o reprezintă cablurile de fibră optică.

Din punct de vedere al calităţii fluxului de informaţii şi al vitezei, cablurile de fibră optică s-au ridicat cu mult deasupra celorlalte metode de transmisie a semnalelor. Acest lucru rezultă din faptul că transmisia luminii nu este sensibilă la niciun fel de influenţe perturbatoare ale câmpului electromagnetic. Acest lucru este esenţial în mediile industriale, “îmbibate” din principiu de multe tipuri de perturbaţii electromagnetice. Un alt motiv al utilizării transmisiei optice a semnalului este posibilitatea folosirii unei benzi foarte largi. În cablurile de fibră optică, pentru transmisia de date, în locul curentului electric, este utilizat un fascicul luminos modulat corespunzător. Acesta permite atingerea unei benzi de transfer de ordinul a 3 Tb/s şi creşte în mod considerabil distanţa de transmisie, fără a folosi vreun amplificator.

Structura cablurilor de fibră optică
Cablul de fibră optică este un tip de cablu-linie de telecomunicaţii, destinat transmiterii informaţiei digitale sub formă de lumină vizibilă. Este construit dintr-un tip special de sticlă de cuarţ, din care este realizat miezul fibrei optice. Miezul este acoperit de un înveliş şi un strat de protecţie. Principiul de funcţionare al fibrei optice constă în utilizarea a două materiale conductoare de lumină, cu indici de refracţie diferiţi. Indicele de refracţie din miez este întotdeauna mai mare decât în înveliş, fapt care asigură menţinerea în permanenţă a radiaţiei luminoase în interiorul miezului de sticlă, de vreme ce raza luminoasă se reflectă de suprafaţa de contact dintre sticlă şi înveliş ca urmare a reflexiei interioare totale şi merge mai departe prin sticlă, până la peretele opus al acesteia, unde povestea se repetă.
Învelişul este acoperit de un strat din kevlar (un polimer uşor, dar foarte rezistent, folosit la producţia de căşti, veste antiglonţ etc), care previne crăparea fibrei şi de un strat exterior din PCV. O singură fibră optică realizează exclusiv o transmisie unidirecţională. Transferul în ambele părţi este realizat de fibrele optice duble.
Cablurile de fibră optică sunt fabricate în variantele monomod şi multimod (mod – “porţia” componentă de radiaţie luminoasă). În funcţie de structură, pot fi împărţite în cabluri: din fibre, straturi şi benzi, iar în funcţie de tipul de material, în cabluri din: sticlă, plastic şi semiconductoare.

Principiul transmisiei prin fibra optică
Transmisia prin fibra optică constă în transmiterea fasciculului luminos, a cărui sursă este un laser sau, de exemplu, o diodă LED. De cealaltă parte a fibrei optice, fasciculul, este receptat de un element fotosensibil, de exemplu o fotodiodă. Pentru a asigura o transmisie corectă şi rapidă, fasciculul luminos este modulat. Acest lucru previne apariţia perturbaţiilor de semnal. Sunt supuse modulaţiei în special: intensitatea undei luminoase, frecvenţa, polarizarea sau faza.

Avantajele şi dezavantajele fibrei optice
Printre avantajele de bază ale fibrei optice se numără:
1. Capacitatea enormă de transfer de informaţii a fiecărei fibre şi extraordinara viteză de transfer (lăţimea de bandă);
2. Pierderile mici şi capacitatea de transmitere a semnalelor la distanţe considerabile;
3. Rezistenţa totală la perturbaţiile electromagnetice, precum şi absenţa emisiei de perturbaţii;
4. Greutatea şi dimensiunile reduse;
5. Datorită lipsei emiterii de perturbaţii, putem fi siguri într-un procent de aproape 100% de secretul informaţiilor transmise prin fibra optică. Montarea dispozitivelor de interceptare este aproape imposibilă;
6. Sunt tot mai rentabile – se menţine tendinţa de scădere a preţurilor pentru fibra optică;
7. Inexistenţa riscului de formare de scântei, siguranţă în timpul lucrului;
8. Fiabilitate ridicată;
9. Operare simplă;
10. Popularitate din ce în ce mai mare.

Printre dezavantajele fibrei optice se numără:
1. Apariţia fenomenului de dispersie în fibrele optice multimod. Acest fenomen constă în lărgirea fluxului luminos ca urmare a separării diferitelor sale raze în timpul refracţiei. Aceste raze, din momentul dispersiei, se mişcă “independent” şi nu ajung în acelaşi timp la receptor. Efectul secundar al dispersiei este limitarea lăţimii benzii de transmisie. Acest lucru este un mare inconvenient în cazul cablurilor multimod, deoarece în acestea lăţimea de bandă este oricum deja limitată de diferitele moduri, care diferă între ele prin timpul de parcurgere. În combinaţie cu dispersia, interiorul fibrei optice este destul de înghesuit şi domi­nat de haos. Cea mai mică dispersie apare la o undă cu lungimea de 1,3 micrometri.
2. Dispersia naturală a sticlei, care apare atât în fibrele optice monomod, cât şi în cele multimod. Aceasta este efectul modificărilor indicelui de refracţie al luminii în sticlă, modificări care rezultă, în principal, din micile defecte ale sticlei – lipsa de omogenitate a structurii, dar şi din lungimea de undă.
3. Atenuarea – în funcţie de lungimea de undă şi de tipul şi grosimea materialului fibrei optice.
În prezent, cea mai mică atenuare apare, teoretic, la o undă cu lungimea de 1,55mm şi este de 0,16dB/km.
4. Procesul de alcătuire a fibrelor optice, complicat şi care necesită precizie: pentru îmbinarea diferitelor părţi ale fibrei optice se folosesc conectoare speciale, a căror montare are loc în condiţii de laborator, de mare precizie şi într-un mediu fără niciun fel de pulberi. Acest lucru este deosebit de dificil pentru fibrele optice monomod, al căror miez este foarte subţire. Iar pentru ca fibra optică să fie funcţională, o parte a miezului trebuie să adere în mod ideal – central la cealaltă parte a sa.
Principiul de funcţionare al senzorilor de fibră optică
La modulaţia undei luminoase, senzorul extern poate acţiona asupra acesteia direct, prin structura fibrei optice (modulaţie internă) sau asupra undei care iese din fibra optică (modulaţie externă).
În senzorii cu modulaţie externă, fibra optică îndeplineşte funcţia de pistă de transmisie optică, ducând şi aducând înapoi semnalul optic la capul senzorului. În senzorii cu modulaţie internă, un anumit segment al fibrei optice reprezintă capul senzorului, astfel, ca urmare a acţiunii factorilor externi asupra acestei părţi din fibra optică, se modifică parametrii undei luminoase propagate.
În funcţie de tipul de fibră optică folosit pentru realizarea senzorului, pot fi modulaţi diferiţi parametri ai undei luminoase.
Senzor de fibră optică este numit convertorul sau ansamblul de convertoare aflat la începutul pistei de măsurare, care poate recepţiona informaţii privind mărimea măsurată, descrisă de câţiva parametri, apoi o poate prelucra prin schimbarea parametrului semnalului la ieşire, iar structura sa cuprinde fibra optică.
Senzorii de fibră optică optoelectronici, ca echi­pamente definite funcţional, adică după princi­piul de funcţionare, se împart în:
– activi, având o structură care cuprinde sursa de semnal optic,
– pasivi, cu sursă externă de lumină.
Semnalul de ieşire poate fi:
– optic,
– prelucrat în interior în semnal electric, cu parametri normalizaţi.
Schema bloc a unui senzor de fibră optică se află în desenul de mai jos:

Nu toţi senzorii de fibră optică sunt alcătuiţi din toate cele trei tipuri de convertoare menţionate în desenul de mai sus, dar trebuie să existe cel puţin primul.
Senzorii de fibră optică sunt realizaţi, în principal, ca senzori parametrici (pasivi). Este necesară, astfel, o energie optică auxiliară care să ajungă la senzor. Semnalul de intrare determină, de obicei, modificarea doar a unuia dintre parametrii semnalului de ieşire al convertorului optic. Aceşti senzori au caracteristici care fac posibilă utilizarea lor acolo unde acest lucru este dificil sau exclus pentru alte tipuri de senzori. Caracteristicile de bază ale senzorilor de fibră optică sunt:
– semnal de ieşire neelectric,
– posibilitate de lucru în medii inflamabile, cu risc de explozie sau agresive din punct de vedere chimic,
– posibilitate de lucru fără atingere,
– masă şi dimensiuni reduse,
– rezistenţă la perturbaţiile electromagnetice,
– sensibilitate mare de prelucrare,
– cuplarea facilă cu sistemele de telecomunicaţii.

Tipuri de senzori de fibră optică

Clasificarea senzorilor de fibră optică se poate realiza în funcţie de diferite criterii, cum ar fi locul de prelucrare, modul de recepţionare a informaţiei privind mărimea măsurată sau aspectul semnalului de ieşire.
1. Clasificare în funcţie de locul de prelucrare:
– cu prelucrare externă, denumiţi şi senzori hibrid. Rolul fibrei optice este, în acest caz, aducerea şi ducerea înapoi a luminii către şi de la convertorul optic, de exemplu:
– senzori reflexivi,
– cu modificarea transmisiei,
– cu reflexie internă totală,
– cu reţele de difracţie,
– senzori polarimetrici multimod.
– cu prelucrare internă, adică senzori în întregime cu fibră optică. În acest caz, fibra optică este concomitent ghid de unde şi convertor optic de măsură. Exemple:
– senzori cu microdeformare,
– senzori interferometrici,
– senzori cu reţele speciale Bragg.

2. Clasificare în funcţie de modul de recepţionare a informaţiei privind mărimea măsurată:
– punctuali, de exemplu: senzori reflexivi sau senzori care folosesc diminuările nivelului de cuplare fibră optică – fibră optică;
– multipunct, folosesc modificările de pierdere, intensitate a dispersiei iniţiale, polarizare, intensitate a fluorescenţei şi altele, de exemplu: senzorii multipunct de pierdere a transmisiei sunt senzori cu microdeformare de putere, presiune şi deplasare;
– cu recepţie continuă în spaţiu – adică senzori distribuiţi, de exemplu pentru măsurări ale distribuţiei tensiunilor în construcţiile metalice şi ale clădirilor şi ale distribuţiei temperaturii în echipamentele tehnice şi în recipientele mari.
Senzorii de fibră optică folosesc fenomenele optice liniare şi neliniare din fibrele optice.

3. Clasificare în funcţie de aspectul semnalului de ieşire:
• de amplitudine (de intensitate),
• de fază (interferometrici),
• de frecvenţă.

În senzorii de fibră optică cu modulaţie a intensităţii, schimbarea intensităţii undei electromagnetice este o măsură a schimbării mărimii fizice măsurate. Avantajul acestor senzori constă în faptul că modulaţia de intensitate nu impune nicio condiţie surselor şi receptoarelor de lumină şi nu necesită o prelucrare suplimentară a semnalului de ieşire din senzor, iar semnalul modulat prin intensitate se înregistrează cu ajutorul unor fotodetectoare obişnuite. Dezavantajul senzorilor cu modulaţie de amplitudine constă în sensibilitatea mult mai mică a acestora faţă de senzorii cu modulaţie de fază. Senzorii de intensitate sunt folosiţi, în general, ca: senzori cu microdeformare, senzori de absorbţie şi pierderi de transmisie sau senzori pentru măsurarea indicelui de refracţie al lichidelor. Cele mai populare construcţii bazate pe senzori de intensitate sunt senzorii cu modulaţie a cuplării fibră optică – fibră optică şi senzorii reflexivi.
În senzorii cu modulaţie a cuplării fibră optică – fibră optică, capul de măsurare este alcătuit din două fibre optice, ale căror terminaţii sunt amplasate una în faţa alteia. Intensitatea luminii care trece prin cele două fibre optice depinde de poziţionarea lor reciprocă. Cantitatea de energie care trece dintr-o fibră optică în cealaltă depinde de deplasarea axelor fibrelor, de unghiul dintre axe şi de distanţa dintre părţile frontale ale fibrelor optice. Intensitatea luminii care trece prin fibrele optice poate fi modulată prin deplasarea mecanică a fibrelor optice.
Abaterea (distanţarea) fibrei optice sau mişcarea învelişului poate fi proporţională cu forţa, presiunea şi capacitatea de dilatare termică etc.
Senzorii reflexivi constituie o grupă mare de senzori de fibră optică cu modulaţie a intensităţii. Sunt foarte răspândiţi şi utilizaţi adesea în controlul proceselor tehnologice pentru măsurarea vibraţiilor, poziţiei, distanţei etc.

Elementele de bază ale senzorului sunt:
– un fascicul de fibre sau o singură fibră care aduce lumina,
– un fascicul de fibre sau o singură fibră care trimite înapoi lumina,
– suprafaţa reflexivă.
Fasciculul de fibre sau fibra care aduce lumina luminează suprafaţa reflexivă. Lumina reflectată intră în fasciculul de fibre optice receptoare.
Senzorii reflexivi pot fi cu o singură fibră sau cu două fibre. În senzorii cu o singură fibră, datorită utilizării unui cuplor, fibra optică care aduce lumina coincide cu cea care trimite înapoi lumina. Dacă suprafaţa reflexivă se îndepărtează de capul de măsură, se modifică intensitatea radiaţiei reflectate de suprafaţă şi care intră în fibra optică de trimitere înapoi a luminii.

Aplicaţii ale senzorilor de fibră optică

În prezent senzorii de fibră optică sunt utilizaţi în majoritatea aplicaţiilor industriale, în special pentru:

– Măsurarea mărimilor mecanice: presiune, tensiune, distanţă etc.
– Măsurarea temperaturii;
– Măsurarea mărimilor chimice: compoziţie chimică, concentraţia de impurităţi, pH, etc.
– Măsurarea mărimilor electrice şi magnetice: tensiune, curent, frecvenţă, capacitate, intensitate şi direcţia câmpului magnetic etc.
– Telecomunicaţii şi RTV;
– Tehnica de măsură;
– Sisteme de prelucrare a semnalelor;
– Medicină, electronică şi energetică;
– Industria auto, de aviaţie şi maritimă;
– Echipamentele multimedia: computere, afişaje, monitoare CRT;
Senzorii de fibră optică prezintă multe avantaje faţă de senzorii tradiţionali:
• greutate şi dimensiuni reduse,
• fiabilitate crescută, exactitate şi sensibilitate ridicate,
• nu sunt o sursă de câmpuri electromagnetice şi sunt rezistenţi la perturbaţiile electromagnetice,
• oferă posibilitatea amplasării sursei de semnal şi a sistemului de detecţie la o distanţă mare faţă de punctul de măsură.
Mai multe informaţii:

Transfer Multisort Elektronik s.r.l.
Tel.: +40 356467401
Fax: +40 356467400
tme@tme.ro
www.tme.ro

Comentarii

Dacian spune:

Da, foarte educativ, multumesc pentru informatii. Presupunand ca va pricepeti, as dori sa va intreb de unde as putea sa cumpar un adaptor fibra optica FC/PC Singlemode? Am gasit cateva modele pe acest site si deocamdata pare cea mai buna oferta, dar orice recomandare este bine-venita!
Multumesc

Croitoru spune:

Am tv cu fibra optica de la RDS. Cand afara temperatura atinge 30 de grade Celsius, nu mai functioneaza nici un program. Ce credeti, problema e de la fibra optica ?

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre