Meten met licht

Met optische sensor interrogator voor PXI.

Optische sensoren die werken met licht en standaard glasvezel, elimineren veel van de problemen die we kennen van elektrische sensoren die werken met elektriciteit en koperdraad. Glasvezel is niet elektrisch geleidend, immuun voor EMI-geïnduceerde ruis en kan gegevens verzenden over lange afstanden met weinig of geen verlies in signaalintegriteit.

Wat te doen als de afstand tussen sensor en meetopstelling heel erg groot is of er gemeten moet worden in een omgeving waar de hoeveelheid stoorsignalen heel erg groot is. In beide gevallen kan glasvezel een goed alternatief zijn, omdat de signaaldemping heel erg laag is en stoorsignalen geen invloed kunnen uitoefenen.
Om via glasvezel te kunnen meten, kan er natuurlijk gebruik gemaakt worden van omzetters die de elektrische signalen omzetten naar licht, maar er zijn ook sensoren die optisch werken. Eén van de meest gebruikte optische sensoren is de Fiber Bragg Grating (FBG). Deze FBG’s worden gemaakt door een glasvezel over een lengte van enkele millimeters met een laser te bewerken. Door het laserlicht verandert de moleculaire structuur van het glas wat gevolgen heeft voor brekingsindex. Dit heeft weer tot gevolg dat de bewerkte plek licht weerkaatst in plaats van het doorlaat. Niet al het licht wordt echter weerkaatst. Afhankelijk van de lengte van de FBG wordt er maar licht met een bepaalde frequentie teruggekaatst (licht met de unieke nominale Bragg golflengte). Al het andere licht met andere frequenties passeert de plek zonder noemenswaardige demping (zie figuur 1).
Doordat de lengte van de FBG bepalend is voor de frequentie van het teruggekaatste licht, kan hiermee vrij simpel een sensor gemaakt worden die rek detecteert. Wordt namelijk de glasvezel door een uitwendige kracht uitgerekt, dan wordt de lengte van de FBG groter en verandert de frequentie van het licht dat weerkaatst wordt. Deze verandering van de frequentie van het teruggekaatste licht kan met de juiste apparatuur gemeten worden en met de juiste formules omgerekend worden naar een verandering van de lengte.
Omdat FBG sensoren een golflengte moduleren in plaats van lichtintensiteit, zijn ze zeer geschikt voor metingen over lange afstanden – tot 10 km – met vrijwel geen invloed op de meetnauwkeurigheid. Eventuele demping van het licht in de glasvezel heeft dan ook op de meting geen enkele invloed.
Een lengteverandering kan echter ook door temperatuur ontstaan. Het materiaal van de glasvezel zet immers uit bij verhoging van de temperatuur waarmee de FBG dus ook een temperatuursensor is. Elke andere grootheid die omgezet kan worden in een lengteverandering (al dan niet via een temperatuursverhoging) kan dus met een FBG gemeten worden.

Wie meer wil weten over het gebruik van glasvezelsensoren, kan op de site van National Instruments een zeer lezenswaardig stuk vinden waarin de hele theorie, compleet met formules, uitgelegd wordt. Dit document is te vinden op http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/11821 of kijk op www.ni.com.

Voor het complete artikel klikt u hier.