PL240808B1 - Światłowodowy czujnik zgięć oraz sposób pomiaru zgięć - Google Patents

Description

PL 240 808 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest światłowodowy czujnik zgięć oraz sposób pomiaru zgięć czujnikiem według wynalazku.

Pomiar zgięć i naprężeń stanowi cenną informację o stanie konstrukcji oraz jej przewidywanych odkształceniach lub zachowaniach pod wpływem obciążeń statycznych lub dynamicznych. Czujniki naprężeń, zgięć lub odkształceń w najprostszej formie mają postać elementu o przewyższającej, w stosunku do monitorowanego środowiska, zdolności do reagowania na te zjawiska.

W budownictwie powszechne jest zastosowanie płytek szklanych, które to zamocowane do elementów konstrukcyjnych z uwagi na kruchość szkła są w stanie odpowiedzieć na pytanie, czy doszło do pogłębienia się zarysowań lub naprężeń zaobserwowanych w konstrukcji. Obciążona poprzecznie tafla/płytka szklana wskutek zmiany wymiarów rysy, wzrostu naprężeń lub działających sił pęka.

Znane są także inne, bardziej zaawansowane czujniki pomiarowe, niektóre z nich wykorzystują technikę światłowodową.

Znane są metody i urządzenia czujnikowe, jakie wykorzystują umieszczone wzdłuż obserwowanej powierzchni światłowody, zarówno w wariancie światłowodów wielordzeniowych, jak też kilku światłowodów pozwalających na porównywanie mierzonych w poszczególnych rdzeniach wielkości (siły sygnału). Informacje dotyczące tego typu czujników publikuje na swoich stronach NASA, przy czym odwołuje się w nich do patentów US7715994, a także US7520176, w jakich wprost mówi się o światłowodowych czujnikach kształtu/odkształcenia.

Ujawnienie w patencie US7715994 nie mówi nic o konstrukcji wykorzystywanego czujnika światłowodowego, a o metodzie monitorowania obciążenia struktury w czasie rzeczywistym. Ujawniony sposób wskazuje, że czujników odkształceń może być kilka, dane z nich zbierane są poddawane analizie, przy czym dane wejściowe uzyskuje się dzięki przykładaniu w punktach obserwowanej struktury znanych sił.

Z kolei w patencie US7520176 ujawniono konstrukcję bardzo ogólnie i także w stosunku do sposobu pomiaru, skupiając się przede wszystkim na zasadzie przygotowania i prowadzenia pomiaru. Używane w tym rozwiązaniu czujniki są czujnikami obejmującymi „przestrajalne” źródła światła oraz zapisane w strukturze światłowodu siatki Bragga, co oznacza, że czujnik operuje na zasadzie zmiany długości fali Bragga pod wpływem zmiany kształtu czujnika.

Zarówno publikacje internetowe NASA, jak też wskazywane patenty nie opisują w sposób jednoznaczny jaki rodzaj włókien w nich zastosowano (mikrostrukturalne czy tradycyjne), wskazują jednak, że zastosowane światłowody mogą być włóknami kilkurdzeniowymi. Zakres ujawnienia nie precyzuje także jak zbudowane są same czujniki wykorzystywane w metodach pomiaru, potwierdzając jedynie, że czujniki takie są czujnikami światłowodowymi.

Znane są także światłowodowe czujniki zginania/odkształcania, jakie stosuje się w robotach chirurgicznych. Przykładem może być dokument US2007156019, jaki opisuje robota, w którego ramieniu umieszczone jest włókno światłowodowe. Światłowód pełni rolę oświetlenia dla operowanego miejsca i jednocześnie po odbiciu i detekcji sygnału pozwala na określenie temperatury. Z kolei w oparciu o przesunięcie długości fali możliwe jest określenie naprężeń jakie występują we włóknie, co umożliwia określenie wychylenia ramienia. Ujawnienie US2007156019 odnosi się przede wszystkim do sposobu określania kształtu instrumentu chirurgicznego w oparciu o widmo współczynnika odbicia uzyskane z czujnika umieszczonego w światłowodzie, jest więc określony niezwykle ogólnie i zasadniczo, nie ujawnia szczegółów prowadzenia sposobu według wynalazku. Dodatkowo w zgłoszeniu patentowym ujęto urządzenie zawierające: przyrząd chirurgiczny; światłowód umieszczony w kierunku osiowym wzdłuż instrumentu chirurgicznego, interrogator skonfigurowany do współpracy z czujnikiem światłowodowym w celu określenia kształtu instrumentu chirurgicznego, temperatury i iluminator skonfigurowany tak, aby przepuszczał światło oświetlające bliższy koniec światłowodu, przez światłowód i poza koniec światłowodu, zapewniając jednocześnie dostateczną ilość światła opuszczającego światłowód do oświetlenia miejsca, w którym używany jest instrument chirurgiczny.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.406499 oraz publikacji WO2015088365 międzynarodowego zgłoszenia patentowego znany jest mikrostrukturalny światłowód wielordzeniowy zawierający obszar mikrostruktury, w jakim umieszczone są co najmniej dwie komórki podstawowe, z których każda zawiera rdzeń ze szkła, w szczególności domieszkowanego szkła krzemionkowego albo z polimeru wraz z okalającymi go wzdłużnymi otworami o obniżonym współczynniku załamania światła.

PL 240 808 B1

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.406372 oraz publikacji WO2015084198 międzynarodowego zgłoszenia patentowego znany jest mikrostrukturalny światłowód z selektywnie powiększonymi przestrzeniami o zmniejszonym współczynniku załamania światła, zwłaszcza do pomiaru naprężeń z umieszczonymi pierścieniowo wokół otoczonego płaszczem rdzenia przestrzeniami o zbliżonym do okręgu przekroju poprzecznym i o zmniejszonym współczynniku załamania światła, w którym wokół jednomodowego rdzenia umieszczone są co najmniej trzy pierścienie zawierające przestrzenie o zmniejszonym współczynniku załamania światła, w których średnica co drugiej przestrzeni o zmniejszonym współczynniku załamania światła w co najmniej jednym pierścieniu jest powiększona.

Znaczenie szerszym i dokładniejszym ujawnieniem koncepcji zarówno czujnika, jak też zasady pomiarów jest artykuł Concept of all-fiber bend sensor based on photonic crystal fibers with asymmetric air-hole structure, 2013 autorstwa M. Napierały i innych, w którym wskazano, że włókno składa się z dwóch obszarów: jednego o dużym współczynniku wypełnienia powietrzem (d / Λ) i jednym o małym współczynniku d / Λ. W takim czujniku układ pomiarowy składa się z pakietu sześciu asymetrycznych włókien rozmieszczonych w odpowiedni sposób. Każde włókno jest połączone ze źródłem światła z jednej strony i z detektorem po drugiej stronie.

Znane rozwiązania cechuje duża niedokładność pomiarów a także wysoka cena. Dlatego celowym było opracowanie konstrukcji czujnika oraz sposobu pomiaru zgięć, jakie byłyby tanie i dawałyby jednoznaczne do interpretacji wyniki.

Światłowodowy czujnik zgięć według wynalazku zawiera wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne o rdzeniach fotonicznych i płaszczu quasi-periodycznych otworów powietrznych asymetrycznie umieszczonych wokół rdzeni, jakie wypełnione są dowolnym gazem, w szczególności powietrzem, ciałem stałym lub cieczą. Asymetria struktury powoduje, że straty włókna mikrostrukturalnego są różne dla poszczególnych rdzeni. Asymetria struktury wynika z położenia rdzeni w komórce elementarnej i jes t istotą wynalazku, ponieważ umożliwia zmienianie, w szczególności zmniejszenie strat propagacji w danym rdzeniu fotonicznym otoczonym asymetryczną strukturą w wyniku zgięcia - odwrotnie niż w klasycznych światłowodach niemikrostrukturalnych, gdzie zgięcie powoduje stratę mocy optycznej. Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne połączone jest korzystnie z urządzeniem umożliwiającym wyprowadzenie/wprowadzenie sygnału do każdego z rdzeni niezależnie, a urządzenie to wybrane jest z pomiędzy: wiązki przewężonych światłowodów jednordzeniowych (fan in/out), optyki objętościowej albo optyki planarnej. W przypadku opartym na wiązce przewężonych światłowodów, korzystnie gdy wiązka światłowodów jednordzeniowych jest przewężona tak, że rozmieszczenie rdzeni światłowodó w jednordzeniowych odpowiada rozmieszczeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym, korzystnie rozmieszczenie i rozmiary rdzeni odpowiadają rozmieszczeniu i wymiarom rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Korzystnie, gdy światłowody jednordzeniowe są jednomodowe dla danej długości fali. Światłowodowy czujnik zgięć, który wykorzystuje wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne, posiada co najmniej trzy rdzenie fotoniczne. Rdzenie te znajdują się w równej odległości od geometrycznego środka włókna mikrostrukturalnego. Liczba rdzeni a także ich odległość od geometrycznego środka włókna mikrostrukturalnego wpływają na dokładność pomiaru promienia i orientacji zgięcia - im więcej rdzeni, tym pomiar obarczony jest mniejszą niepewnością. Rdzenie są rdzeniami fotonicznymi (niedomieszkowanymi), czyli rdzeń to obszar włókna stanowiący defekt w quasi-periodycznej strukturze otworów. Defekt (rdzeń) w tym przypadku jest celowy i pozwala na propagację światła we włóknie. Dodatkowo włókno mikrostrukturalne zawiera domieszkowany rdzeń centralny. Rdzeń fotoniczny wraz z otaczającą go mikrostrukturą stanowi komórkę elementarną. Otoczeniem obszaru każdego rdzenia wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego jest asymetryczna struktura otworów. Każda komórka elementarna, czyli rdzeń wraz z otaczającymi go otworami, cechuje się innym poziomem strat w zależności od kierunku wygięcia. Każda komórka elementarna wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego, cechuje się występowaniem mniejszych strat w rdzeniach po jednej stronie zgięcia niż po przeciwnej, korzystnie cechuje się występowaniem mniejszych strat w rdzeniach po wewnętrznej stronie zgięcia niż w rdzeniach po zewnętrznej stronie zgięcia. Na sposób propagacji w takiej strukturze wpływa zarówno wielkość otworów jak i odległość między otworami (tzn. stała sieci). Straty transmisyjne sygnału propagującego się w takim wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym są zależne od kierunku oraz promienia wygięcia włókna.

Korzystnie, gdy logarytm o podstawie 10 z wartości strat w decybelach na metr wprowadzonych przez zgięcie dla rdzenia znajdującego się po zewnętrznej stronie zgięcia rośnie wraz krzywizną (czyli odwrotnością promienia zgięcia), korzystnie liniowo. Korzystnie, gdy współczynnik kierunkowy tej prostej jest równym co najmniej 0.02, czyli

PL 240 808 Β1

Zoo ₁₀ straty Γ—1 > 0.02 * -------;-------X m / promień zgięcia

Korzystnie, gdy logarytm o podstawie 10 z wartości strat w decybelach na metr wprowadzonych przez zgięcie dla rdzenia znajdującego się po wewnętrznej stronie zgięcia maleje wraz krzywizną (czyli odwrotnością promienia zgięcia), korzystnie liniowo.

Domieszkowany rdzeń centralny ma podwyższony współczynnik załamania światła, poprzez domieszkowanie go znanymi domieszkami pozwalającymi podwyższyć współczynnik załamania, korzystnie germanem. Domieszkowanie rdzenia wpływa korzystnie na możliwość kompensacji źródła światła a także wpływa korzystnie na centrowanie elementów wprowadzających i wyprowadzających światło z włókna.

Urządzenie umożliwiające wyprowadzenie/wprowadzenie sygnału do każdego z rdzeni niezależnie przyłączone jest do dowolnego co najmniej jednego źródła światła oraz do co najmniej jednego dowolnego detektora, a propagowany sygnał mierzony jest w trybie transmisyjnym lub odbiciowym.

Sposób pomiaru zgięć według wynalazku, w szczególności monitorowania promienia i orientacji zgięcia według wynalazku polega na tym, że w obszarze pomiaru zgięcia umieszcza się włókno mikrostrukturalne mające płaszcz oraz co najmniej trzy niedomieszkowane rdzenie utworzone jako defekty struktury quasi-periodycznej otworów zapewnionych płaszczu i asymetrycznej względem niedomieszkowanych rdzeni, znajdujące się w równej odległości od geometrycznego środka włókna, pomiędzy którymi znajduje się domieszkowany rdzeń centralny, ze źródła światła doprowadza się światło do poszczególnych rdzeni niedomieszkowanych oraz do rdzenia centralnego i za pomocą miernika mocy wykonuje się pomiar mocy optycznej w poszczególnych rdzeniach, zaś kierunek zgięcia ustala się stosownie do tego, w którym z rdzeni niedomieszkowanych mierzona moc optyczna ma najmniejszą wartość, a promień zgięcia ustala się stosownie do różnicy pomiędzy tą najmniejszą wartością mocy a wartością mocy mierzonej w rdzeniu centralnym.

Sygnał prowadzony poprzez rdzenie włókna, wskutek zginania wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego, doznaje strat dla poszczególnych rdzeni w zależności od promienia i orientacji zgięcia; moc optyczną sygnału w każdym z rdzeni po opuszczeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego mierzy się transmisyjnie lub odbiciowo.

Korzystnie, gdy w przypadku pomiaru w systemie odbiciowym pomiar mocy sygnału dotyczy pomiaru sygnału odbitego się od końca włókna i trafiającego poprzez przełącznik i cyrkulator do miernika mocy, przyłączonego do danego rdzenia po opuszczeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Pomiar prowadzi się w kolejnych rdzeniach tak, że zmienia się ustawienia przełącznika, tak aby sygnał był wprowadzany do kolejnego z rdzeni włókna mikrostrukturalnego. Wskutek zginania wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego straty dla poszczególnych rdzeni zmieniają się (rosną lub maleją) w zależności od promienia i orientacji zgięcia.

Poziom mocy dla sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po zewnętrznej stronie zgięcia będzie najmniejszy spośród poziomów mocy w poszczególnych rdzeniach, a poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po wewnętrznej stronie zgięcia będzie największy. Na tej podstawie, porównując różnicę w poziomie mocy pomiędzy poszczególnymi rdzeniami, można określić orientację i promień zgięcia. Aby określić promień zgięcia należy porównać poziom mocy w rdzeniu doświadczającym najwyższych strat z poziomem mocy w tym rdzeniu w momencie, gdy wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne jest wyprostowane, tj. z danymi referencyjnymi. Dzięki asymetrycznej budowie mikrostruktury możliwa jest dokładna i jednoznaczna detekcja kierunku i zakresu zgięcia, a także współrzędne położenia końca włókna. Promień zgięcia można też określić porównując różnicowo poziom mocy w rdzeniu zewnętrznym i wewnętrznym.

Wynalazek przedstawiono na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia korzystny wariant realizacji w konfiguracji transmisyjnej, fig. 2 - korzystny przekrój włókna, z wykorzystaniem którego możliwa jest realizacja korzystnego wariantu wykonania, fig. 3 - korzystny wariant realizacji w konfiguracji odbiciowej, fig. 4 - inny korzystny przekrój włókna, z wykorzystaniem którego możliwa jest realizacja korzystnego wariantu wykonania; fig. 5 - korzystny wariant realizacji w konfiguracji transmisyjnej; fig. 6 - inny korzystny przekrój włókna, z wykorzystaniem którego możliwa jest realizacja korzystnego wariantu wykonania z uwzględnieniem pomiaru referencyjnego.

PL 240 808 B1

P r z y k ł a d 1

Światłowodowy czujnik zgięć według wynalazku zawiera sześciordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 o rdzeniach fotonicznych i płaszczu, które to włókno zawiera rozmieszczone quasi-periodycznie otwory powietrzne asymetrycznie umieszczone wokół rdzeni. Asymetria rdzeni jest zrealizowana poprzez położenie rdzeni fotonicznych w komórce elementarnej. Do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego jest dołączone urządzenie umożliwiające wyprowadzenie/wprowadzenie sygnału do każdego z rdzeni niezależnie dla sześciu laserowych źródeł światła, a koniec każdego rdzenia przyłączony jest do jednordzeniowego światłowodu poprzez połączenie 2, a każdy światłowód jednordzeniowy przyłączony jest do miernika mocy. Połączenia 2 między światłowodami doprowadzającym i odprowadzającym sygnał do i z wielordzeniowym włóknem mikrostrukturalnym 4 zostały zrealizowane w formie przewężenia wiązki sześciu światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów jest dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego.

Rdzenie wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego znajdują się w równej odległości od geometrycznego środka włókna, tak że umieszczone są na wierzchołkach sześciokąta foremnego (włókno 6-rdzeniowe) i są rdzeniami fotonicznymi, czyli rdzeń to niedomieszkowany obszar włókna stanowiący defekt w quasi-periodycznej strukturze otworów.

Otoczeniem obszaru każdego rdzenia włókna mikrostrukturalnego jest asymetryczna struktura otworów. Oznacza to, że każda komórka elementarna, czyli rdzeń wraz z otaczającymi go otworami, cechuje się innym poziomem strat w zależności od kierunku wygięcia. Każda komórka elementarna wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego, cechuje się występowaniem mniejszych strat w rdzeniach po wewnętrznej stronie zgięcia niż w rdzeniach po zewnętrznej stronie zgięcia. Powoduje to, że straty transmisyjne sygnału propagującego się w takim wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym są zależne od kierunku oraz promienia wygięcia włókna.

Światłowodowy czujnik promienia i kierunku zgięcia wykorzystuje kontrolowane wprowadzanie strat zgięciowych w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym o fotonicznych rdzeniach 9 i zawiera przyłączone do źródeł światła 1 oraz układu detekcyjnego 3, wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 posiadające sześć rdzeni fotonicznych.

Światło z sześciu źródeł laserowych 1 jest doprowadzone do elementu wprowadzającego światło - połączenie 2 do poszczególnych rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 a następnie sygnały propagują się w poszczególnych rdzeniach włókna wielordzeniowego 4 o sześciu fotonicznych rdzeniach 9. Sygnał, po przejściu przez wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 jest wyprowadzany za pomocą elementu wyprowadzającego światło - połączenie 2 z poszczególnych rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 do sześciu niezależnych światłowodów jednordzeniowych podłączonych do mierników mocy 3. Połączenia 2 między światłowodami doprowadzającym i odprowadzającym sygnał do i z wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 zostały zrealizowane w formie przewężenia wiązki 6 światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów została dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Z jednej strony na końcach światłowodów jednordzeniowych znajdują się źródła światła, natomiast z drugiej strony podłączone są mierniki mocy.

Poziom strat sygnału propagującego się w konkretnych rdzeniach włókna zależy od orientacji i promienia zgięcia. Jest to konsekwencją niesymetrycznej struktury komórki elementarnej wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Straty związane z propagacją sygnału w takiej strukturze są większe, gdy włókno jest zgięte tak, że dany rdzeń znajduje się na zewnątrz zgięcia. Wtedy sygnał propaguje się w obszarze komórki elementarnej, gdzie jest mniej otworów powietrznych, co sprawia, że część mocy wycieka i straty są większe.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 posiada:

- sześć rdzeni fotonicznych 9 znajdujących się w równej odległości od środka włókna i położonych na wierzchołkach sześciokąta foremnego;

- płaszcz 8 o średnicy d1 = 250 μm wykonany z niedomieszkowanej krzemionki SO2;

- otwory powietrzne 10 o średnicach 2.5 μm i stałej sieci równej 13.5 μm, gdzie stała sieci rozumiana jest jako odległość między środkami sąsiednich otworów powietrznych.

Światłowody doprowadzające to standardowe światłowody włókniste typu SMF. Źródłem światła 1 jest laser typu DFB emitujący falę świetlną o długości 1550 nm. Straty wprowadzane przez światłowód czujnikowy - wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 o długości 15 cm dla rdzenia znajdującej się na zewnątrz zgięcia wynoszą 0.14 dB dla przesunięcia końcówki światłowodu o 1 centymetr.

PL 240 808 B1

Sposób monitorowania promienia i orientacji zgięcia według wynalazku polega na umieszczeniu w obszarze pomiaru wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego o sześciu rdzeniach fotonicznych 9, a następnie wprowadzeniu do tych sześciu rdzeni sygnału pochodzącego ze źródeł światła 1, następnie sygnał prowadzony jest poprzez rdzenie włókna tak, że wskutek zginania wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 straty dla poszczególnych rdzeni rosną w zależności od promienia i orientacji zgięcia i mierzy się moc optyczną sygnału w każdym z rdzeni po opuszczeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 montuje się w obszarze pomiaru promienia i kierunku zgięcia. W trakcie zginania włókna straty transmisyjne sygnału w konkretnym rdzeniu zależą od kierunku oraz promienia zgięcia. Poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po zewnętrznej stronie zgięcia jest najmniejszy spośród poziomów mocy w poszczególnych rdzeniach, a poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po wewnętrznej stronie zgięcia jest największy. Na tej podstawie, porównując różnicę w poziomie mocy pomiędzy poszczególnymi rdzeniami, określa się orientację i promień zgięcia. Aby określić promień zgięcia należy porównać poziom mocy w rdzeniu doświadczającym najwyższych strat z poziomem mocy w tym rdzeniu w momencie, gdy wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 jest proste.

Przykład ten prezentuje sposób pomiaru w konfiguracji transmisyjnej. Ilustrację do przykładu stanowi fig. 1 i fig. 2.

P r z y k ł a d 2

Światłowodowy czujnik zgięć według wynalazku zawiera sześciordzeniowe włókno mikrostrukturalne o rdzeniach fotonicznych i płaszczu, zawierającym rozmieszczone quasi-periodycznie otwory powietrzne asymetrycznie umieszczone wokół rdzeni. Asymetria rdzeni jest zrealizowana poprzez położenie rdzeni w komórce elementarnej. Sygnał ze źródła, które w tym przykładzie ma postać lasera, prowadzony jest do portu 1 cyrkulatora 5. Do portu 2 cyrkulatora 5 podłączony jest przełącznik, skąd sygnał prowadzony jest poprzez urządzenie umożliwiające wyprowadzenie/ wprowadzenie sygnału do każdego z rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Sygnał odbija się od końca włókna i zostaje wprowadzony do portu 3 cyrkulatora 5, do którego podłączony jest miernik mocy 3. Połączenia 2 między światłowodami doprowadzającym i odprowadzającym sygnał do i z wielordzeniowym włóknem mikrostrukturalnym 4 zostały zrealizowane w formie przewężenia wiązki 6 światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów jest dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4.

Rdzenie wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego znajdują się w równej odległości od geometrycznego środka włókna, tak że umieszczone są na wierzchołkach sześciokąta foremnego (światłowód 6-rdzeniowy) i są rdzeniami fotonicznymi, czyli rdzeń to obszar włókna stanowiący defekt w quasiperiodycznej strukturze otworów.

Otoczeniem obszaru każdego rdzenia włókna jest asymetryczna struktura otworów. Oznacza to, że każda komórka elementarna, czyli rdzeń wraz z otaczającymi go otworami, cechuje się innym poziomem strat w zależności od kierunku wygięcia. Każda komórka elementarna wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego cechuje się występowaniem mniejszych strat w rdzeniach po wewnętrznej stronie zgięcia niż w rdzeniach po zewnętrznej stronie zgięcia. Powoduje to, że straty transmisyjne sygnału światła propagującego się w takim wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym są zależne od kierunku oraz promienia wygięcia włókna.

Światłowodowy czujnik promienia i kierunku zgięcia wykorzystuje kontrolowane wprowadzanie strat zgięciowych w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym o fotonicznych rdzeniach 9 i zawiera cyrkulator 5 przyłączony do źródła światła 1, przełącznika połączonego 6 z wielordzeniowym włóknem mikrostrukturalnym 4 oraz miernika mocy 3.

Światło ze źródła 1 jest doprowadzone do cyrkulatora 5 a następnie do przełącznika 6, który umożliwia przełączanie sygnału pomiędzy konkretnymi rdzeniami wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Wyjścia przełącznika 6 to 6 standardowych światłowodów jednordzeniowych, które są połączone z elementem wprowadzającym światło - połączenie 2 do poszczególnych rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Następnie sygnał propaguje się w wybranym rdzeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 o 6 fotonicznych rdzeniach 9. Sygnał odbija się od końca wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego i propaguje się ponownie przez wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4, przełącznik 6 i cyrkulator 5 do miernika mocy 3. Połączenie 2 między światłowodami dopro

PL 240 808 B1 wadzającym sygnał do i z wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 zostało zrealizowane w formie przewężenia wiązki sześciu światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów została dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Z drugiej strony końcówki światłowodów zostały połączone za pomocą złączek z wyjściami przełącznika 6.

Poziom strat sygnału propagującego się w konkretnych rdzeniach włókna zależy od orientacji i promienia zgięcia. Jest to konsekwencją niesymetrycznej struktury komórki elementarnej wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Straty związane z propagacją sygnału w takiej strukturze będą większe w momencie, gdy włókno będzie zgięte tak, że dany rdzeń znajduje się na zewnątrz zgięcia. Wtedy sygnał propaguje się w obszarze komórki elementarnej gdzie jest mniej otworów powietrznych, co sprawia, że część mocy wycieka i straty są większe.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 posiada:

- sześć rdzeni fotonicznych znajdujących się w równej odległości od środka włókna i położonych na wierzchołkach sześciokąta foremnego;

- płaszcz o średnicy d1 = 150 μm wykonany z niedomieszkowanej krzemionki SO2;

- otwory powietrzne o średnicach 3 μm i stałej sieci równej 4.5 μm, gdzie stała sieci rozumiana jest jako odległość między środkami sąsiednich otworów powietrznych;

Światłowody doprowadzające to standardowe światłowody włókniste typu SMF. Źródłem światła 1 jest dioda superluminescencyjna emitująca sygnał o długości fali około 1310 nm. Straty wprowadzane przez zginanie światłowodu czujnikowego - włókna mikrostrukturalnego 4 o długości 50 cm dla rdzenia znajdującego się na zewnątrz zgięcia wynoszą 29.6 dB dla przesunięcia końcówki światłowodu o 1 centymetr.

Sposób monitorowania promienia i orientacji zgięcia według wynalazku polega na umieszczeniu w obszarze pomiaru zgięcia wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego o 6 rdzeniach fotonicznych 9, a następnie wprowadzeniu sygnału do wybranego rdzenia, poprzez odpowiednie ustawienie przełącznika 6, sygnałem optycznym pochodzącym ze źródła światła 1, a następnie pomiar mocy sygnału odbijającego się od końca światłowodu i trafiającego poprzez przełącznik 6 i cyrkulator 5 do miernika mocy 3, gdzie mierzy się moc optyczną sygnału w danym rdzeniu po opuszczeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Następnie po zmianie ustawienia przełącznika 6, tak aby sygnał był wprowadzony do kolejnego z rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4, należy powtórnie zmierzyć moc na mierniku mocy 3. Wskutek zginania wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 straty dla poszczególnych rdzeni rosną w zależności od promienia i orientacji zgięcia.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 jest zamontowane w obszarze pomiaru promienia i kierunku zgięcia. W trakcie zginania włókna straty transmisyjne sygnału w konkretnym rdzeniu zależą od kierunku oraz promienia zgięcia. Poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po zewnętrznej stronie zgięcia będzie najmniejszy spośród poziomów mocy w poszczególnych rdzeniach, a poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po wewnętrznej stronie zgięcia będzie największy. Na tej podstawie, porównując różnicę w poziomie mocy pomiędzy poszczególnymi rdzeniami, można określić orientację i promień zgięcia. Aby określić promień zgięcia należy porównać poziom mocy w rdzeniu doświadczającym najwyższych strat z poziomem mocy w tym rdzeniu w momencie, gdy światłowód wielordzeniowy jest prosty.

Przykład ten prezentuje sposób pomiaru w konfiguracji odbiciowej. Ilustrację do przykładu s tanowi fig. 3 i fig. 4.

P r z y k ł a d 3

Światłowodowy czujnik zgięć według wynalazku zawiera wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne o rdzeniach fotonicznych, z jakich jeden rdzeń - centralny, jest domieszkowany germanem i płaszczu quasi-periodycznych otworów powietrznych asymetrycznie umieszczonych wokół rdzeni. Asymetria rdzeni wynika z położenia rdzeni w komórce elementarnej. Sygnał ze źródła 1 zostaje podzielony na cztery sygnały, z użyciem dzielnika mocy optycznej 7. Następnie poprzez urządzenie umożliwiające wyprowadzenie/ wprowadzenie sygnału - połączenie 2 sygnał trafia do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Połączenia 2 między światłowodami doprowadzającym i odprowadzającym sygnał do i z wielordzeniowym włóknem mikrostrukturalnym 4 zostały zrealizowane w formie przewężenia wiązki światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów jest dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego po obu jego końcach. Do światłowodów jednordzeniowych będących końcem urządzenia wyprowadzającego sygnał - połączenie 2 z włókna 4 podłączone są mierniki mocy.

PL 240 808 B1

Rdzenie fotoniczne wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego znajdują się w równej odległości od geometrycznego środka włókna, tak że umieszczone są na wierzchołkach trójkąta foremnego i są rdzeniami fotonicznymi, czyli rdzeń to obszar włókna stanowiący defekt w quasi-periodycznej strukturze otworów. Dodatkowo, wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 posiada rdzeń centralny, który jest rdzeniem domieszkowanym i posiadającym wyższy współczynnik załamania niż płaszcz.

Otoczeniem obszaru każdego rdzenia włókna jest asymetryczna struktura otworów. Oznacza to, że każda komórka elementarna, czyli rdzeń wraz z otaczającymi go otworami cechuje się innym stopniem utrzymania modu w obszarze rdzenia w zależności od kierunku wygięcia. Powoduje to, że straty transmisyjne sygnału propagującego się w takim wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym są zależne od kierunku oraz promienia wygięcia włókna.

Światłowodowy czujnik promienia i kierunku zgięcia wykorzystuje kontrolowane wprowadzanie strat zgięciowych w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym o fotonicznych rdzeniach 9 i zawiera przyłączone do źródła światła 1 oraz mierników mocy 3 wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne posiadające 3 zewnętrzne rdzenie fotoniczne i 1 centralny rdzeń domieszkowany 9.

Światło z źródła laserowego 1 jest doprowadzone przez dzielnik 7 wykonany w technologii planarnej do elementu wprowadzającego światło - połączenie 2 do poszczególnych rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4. Następnie sygnały propagują się w poszczególnych rdzeniach wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego o 3 fotonicznych rdzeniach i jednym rdzeniu domieszkowanym 9. Sygnał, po przejściu przez wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4, jest wyprowadzany za pomocą elementu wyprowadzającego światło - połączenie 2 z poszczególnych rdzeni wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 do 4 niezależnych światłowodów jednordzeniowych podłączonych do mierników mocy 3. Połączenia 2 między światłowodami doprowadzającym i odprowadzającym sygnał do i z wielordzeniowym włóknem mikrostrukturalnym zostały zrealizowane w formie przewężenia wiązki 4 światłowodów jednordzeniowych do wymiarów odpowiadających rozłożeniu rdzeni w wielordzeniowym włóknie mikrostrukturalnym. Taka przewężona wiązka światłowodów została dospawana do wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Z drugiej strony na końcach światłowodów jednordzeniowych znajdują się z jednej strony wyjścia planarnego dzielnika mocy a z drugiej mierniki mocy. Rdzeniem centralnym propaguje się sygnał referencyjny. Taki układ pozwala na uniezależnienie się od fluktuacji źródła.

Poziom strat sygnału propagującego się w konkretnych rdzeniach włókna zależy od orientacji i promienia zgięcia. Jest to konsekwencją niesymetrycznej struktury komórki elementarnej wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego. Straty związane z propagacją sygnału w takiej strukturze będą większe w momencie, gdy włókno będzie zgięte tak, że dany rdzeń znajduje się na zewnątrz zgięcia. Wtedy sygnał propaguje się w obszarze komórki elementarnej gdzie jest mniej otworów powietrznych, co sprawia, że część mocy wycieka i straty są większe.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 posiada:

- trzy rdzenie fotoniczne znajdujące się w równej odległości od środka włókna i położone na wierzchołkach trójkąta foremnego;

- centralny rdzeń domieszkowany GeO2 o średnicy 8.2 μm i domieszkowaniu na poziomie 3.5% mol GeO2,

- płaszcz o średnicy d1 = 250 μm wykonany z niedomieszkowanej krzemionki SO2;

- otwory powietrzne o średnicach 1.5 μm i stałej sieci równej 13 μm, gdzie stała sieci rozu- miana jest jako odległość między środkami sąsiednich otworów powietrznych.

Światłowody doprowadzające to standardowe światłowody włókniste typu SMF. Źródłem światła 1 jest laser typu DFB emitujący falę świetlną o długości 1550 nm. Straty wprowadzane przez zginanie światłowodu czujnikowego - włókna mikrostrukturalnego 4 o długości 10 cm dla rdzenia znajdującego się na zewnątrz zgięcia wynoszą 4.6 dB dla przesunięcia końcówki włókna o 1 centymetr.

Sposób monitorowania promienia i orientacji zgięcia według wynalazku polega na umieszczeniu w obszarze pomiaru zgięcia wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego o 3 rdzeniach fotonicznych i domieszkowanym rdzeniu centralnym 9, a następnie wprowadzeniu do tych 4 rdzeni włókna sygnału pochodzącego ze źródła światła 1. Sygnał prowadzi się transmisyjnie poprzez rdzenie włókna tak, że wskutek zginania wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4 straty dla poszczególnych rdzeni rosną w zależności od promienia i orientacji zgięcia i mierzy się moc optyczną sygnału w każdym z rdzeni po opuszczeniu wielordzeniowego włókna mikrostrukturalnego 4.

Wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne 4 zostało zamontowane w obszarze pomiaru promienia i kierunku zgięcia. W trakcie zginania włókna straty transmisyjne sygnału w konkretnym rdzeniu zależą

Claims (6)

1. PL 240 808 B1 od kierunku oraz promienia zgięcia. Poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po zewnętrznej stronie zgięcia będzie najmniejszy spośród poziomów mocy w poszczególnych rdzeniach, a poziom mocy sygnału propagującego się w rdzeniu znajdującym się po wewnętrzn ej stronie zgięcia będzie największy. Na tej podstawie, porównując różnicę w poziomie mocy pomiędzy poszczególnymi zewnętrznymi rdzeniami, można określić orientację i promień zgięcia. Aby określić promień zgięcia należy porównać poziom mocy w rdzeniu doświadczającym najwyższych strat z poziomem mocy w tym rdzeniu w momencie, gdy wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne jest proste.

   Przykład ten prezentuje sposób pomiaru w konfiguracji transmisyjnej. Ilustrację do przykładu stanowi fig. 5 i fig. 6.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Światłowodowy czujnik zgięć zawierający wielordzeniowe włókno mikrostrukturalne (4) posiadające co najmniej trzy rdzenie, które umieszczone są w płaszczu (8) przy czym włókno mikrostrukturalne (4) jest połączone w celu wprowadzenia/wyprowadzenia sygnału do każdego rdzeni, odpowiednio z co najmniej jednym źródłem (1) światła i co najmniej jednym miernikiem mocy (3), znamienny tym, że te co najmniej trzy rdzenie znajdują się w równej odległości od geometrycznego środka światłowodu i stanowią niedomieszkowane rdzenie (9) utworzone jako defekty struktury quasi-periodycznej otworów (10) zapewnionych w płaszczu (8) i wypełnionych dowolnym gazem, ciałem stałym lub cieczą, pomiędzy tymi co najmniej trzema niedomieszkowanymi rdzeniami (9) znajduje się domieszkowany rdzeń centralny (11), a ponadto otwory (10) są rozmieszczone asymetrycznie wokół rdzeni (9).
2. 2. Czujnik według zastrz. 1 znamienny tym, że asymetryczna struktura otworów wokół rdzeni jest dobrana tak, że mniej otworów znajduje się wokół rdzeni po zewnętrznej stronie włókna tak, że po zagięciu włókna straty w rdzeniach (9) po wewnętrznej stronie zgięcia są mniejsze niż w rdzeniach (9) po zewnętrznej stronie zgięcia.
3. 3. Czujnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wprowadzenie/wyprowadzenie światła ze światłowodu jest realizowane przez wiązkę światłowodów jednordzeniowych.
4. 4. Czujnik według zastrz. 3 znamienny tym, że wiązka światłowodów jednordzeniowych jest dopasowana tak, że w wiązce światłowodów jednordzeniowych, rdzenie światłowodów jednordzeniowych odpowiadają rozmieszczeniem i rozmiarem rdzeniom w światłowodzie wielordzeniowym.
5. 5. Sposób pomiaru zgięć za pomocą czujnika światłowodowego znamienny tym, że w obszarze pomiaru zgięcia umieszcza się włókno mikrostrukturalne (4) mające płaszcz (8) oraz co najmniej trzy niedomieszkowane rdzenie (9) utworzone jako defekty struktury quasiperiodycznej otworów (10) zapewnionych płaszczu (8) i asymetrycznej względem niedomieszkowanych rdzeni (9), znajdujące się w równej odległości od geometrycznego środka światłowodu, pomiędzy którymi znajduje się domieszkowany rdzeń centralny, ze źródła światła (1) doprowadza się światło do poszczególnych rdzeni niedomieszkowanych (9) oraz do rdzenia centralnego i za pomocą miernika mocy (3) wykonuje się pomiar mocy optycznej w poszczególnych rdzeniach, zaś kierunek zgięcia wyznacza się na podstawie tego, w którym z rdzeni niedomieszkowanych (9) mierzona moc optyczna ma najmniejszą wartość, a promień zgięcia wyznacza się na podstawie różnicy pomiędzy tą najmniejszą wartością mocy a wartością mocy mierzonej w rdzeniu centralnym.
6. 6. Sposób według zastrz. 5 znamienny tym, że pomiar prowadzi się w konfiguracji odbiciowej i mierząc moc sygnału propagującego się w poszczególnych rdzeniach i odbijającego się od końca światłowodu zmieniając kolejno nastawy przełącznika (5), tak że sygnał jest wprowadzany do kolejnych rdzeni światłowodu wielordzeniowego ze źródła światła (1) poprzez cyrkulator (2) i odbierany za pomocą miernika mocy (3).