Fiber Optik Sensorler

FBER OPTK SENSRLER

EDITED BY ERIC UDD

Derleyen: Tunahan Tahir AKMAK

2009

5.1 Fiber Optik Sensrler in Optik Modlatrler... 3

5.2 Elektrooptik Etki.. 4

5.3 Bulk Modlatrler.. 4

5.3.1 Elektrooptik Faz Modlasyonu.. 4

5.3.1 Elektrooptik Younluk Modlasyonu... 6

5.3.3 Bulk-Acustooptik Frekans Kaydrmau... 7

5.4 Entegre Optik Modller... 7

5.4.1 Faz Modlasyonu.... 8

5.4.2 nterferometrik Younluk Modlasyonu.... 9

5.4.2.1 Analog Younluk Modlasyonu..... 10

5.4.2.2 Lumped-Element Frekans Cevab..... 11

6.1 Younluk Sensrleri.. 13

6.2 Band-Edge Scaklk Sensrleri... 16

6.3 Enkoder Tabanl Konum Sensrleri... 16

7.1 ok Modlu A Sensrleri.. 18

7.2 Teorik Altyap... 18

7.2.1 Optik Kodlama Teknikleri.... 22

9.1 Sagnac nterferometre ve Pasif Halka Resonatr Tabanl Fiber Optik Sensrler.23

9.2 Sagnac Etkisi ve Optik Rotasyon lmne Genel Bak..23

9.3 Halka Lazer Gyrolar...27

9.4 Pasif Halka Resonatr Gyrolar...28

10.1 Mach-Zender ve Michelson nterferometre Tabanl Fiber Optik Sensrler... 31

10.2 Operasyon Prensipleri..... 31

10.2.1 ki demetli nterferometre...... 31

13.1 Fiber Optik Sensrlerin Endstriyel Uygulamalar ... 33

13.2 Arka Plan.... 33

13.3 Scaklk lm..... 34

13.4 Basn lm...... 35

13.4 Sv Seviye lm...... 36

FIBER OPTK SENSRLER N OPTK MODLATRLER 5.1 Giri Optik modlatrlerin fiber optik sistemlerde ok nemli bir yeri vardr. Genlik, faz,

frekans ve polarizasyon modlasyonu gibi birok farkl fonksiyonlar bulunmaktadr. Birou,

elektriksel kontrol iareti ile aygt materyalinin optik zelliklerinin deiimiyle n modle

edildii kararl elemanlar olarak kullanlr. Kontrol sinyali malzemenin elektrooptik,

akustooptik veya magnetooptik makinazmasna baldr. Birok optik modlatr halen

laboratuar ortamnda gelitirilmekte olduundan fiber sensr uygulamalar iin yksek

performansl aygtlar hzla gelitirilmektedir.

Kararl optik modlatrlerin temel tipi bulk, entegre optik ve all-fiber

ekipmanlardr (ekil 5.2).

5.2 Elektrooptik Etki

Birok optik modlatr, kristallerin krlma indisinin uygulanan elektrik alana bal

olduu lineer elektrooptik etki temeline dayanr. Bu etki, kristal ierisinde yaylan optik

demet balamnda indis elipsoid formlasyonu eklinde ifade edilebilir:

Burada x,y ve z kristal eksenine gre ynleri gstermektedir. Rastgele yaylma yn s

iin optik demet, kristal boyunca lineer polarizasyonunu korur. Bunun tek art kristal

simetrisinin polarizasyon ynlerine izin verdii durumdur.

5.3 Bulk Modlatrler

Bulk modlatrler fiber optik sensrler dahil olmak zere optik sistemlerde geni

lde kullanlmaktadrlar. Bu aygtlar kolaylkla temin edilebilirler. Bunun yan sra

karakteristikleri iyi ekilde kantlanmtr. Bu blmde elektrooptik ve akustooptik etki

temelinde alan bulk modlatrler incelenmitir.

5.3.1 Elektrooptik Faz Modlasyonu

Bulk elektrooptik faz modlatrnde (ekil 5.4) optik faz modlasyonu kristalin krlma indisi nin deiimiyle elde edilir.

Bu deiim, optik yrnge uzunluunun deiimine neden olmaktadr.

2

Burada L, aygt boyunu gstermektedir. Dalga boyu , Lden ok kk olduu iin krlma indisindeki kk deiiklikler nemli faz modlasyonuna neden olmaktadr.

2

Burada r, elektrooptik sabiti gstermektedir. d kristal kalnl olmak zere elektrodlara

uygulanan V(t) gerilimi V(t)/d uniform alann oluturmaktadr.

22

Faz modlatrnde -radyan kadarlk bir faz kaymasna sebep olacak ifadesi aadaki gibidir:

Yukardaki devreyi analiz edersek;

2

2

Sonu olarak sistemin bant genilii ifadesi;

12 1

21

5.3.2 Elektrooptik Younluk Modlasyonu

Bulk elektrooptik faz modlatr, faz modlatrnn polarizasyona baml olmas

avantajn alarak kolayca gerekletirilebilir.

Giri polarizayonu kendi eksenine gre 45 derece a yapacak ekilde ynlenir. Sonu

olarak y ynndeki propagasyonun olutuu alan aadaki ekilde ifade edilebilir:

!" #2 %&'()*+",' . &'()*/",01

Optik transmisyon ise;

2345267 ), 8*

9 ),2 8*

9 .:2

Sonu olarak bu tip bir modlatr iin;

;

5.3.3 Bulk-Acustooptik Frekans Kaydrma

Akustooptik aygtlar birok fiber sensr uygulamasnda optik frekans kaydrc olarak

kullanlrlar.

5.4 Entegre Optik Modlatrler

Entegre optik aygtlar uygun alt katman zerine fabrikasyonla ilenen optik dalga

klavuzlarndan olumaktadr. Bunlar optik krlma snrlarndan etkilenmezler ve bu sayede

bulk modlatrlerde doal olarak bulunan eksikliklere sahip deillerdir. ok dk srme

gerilimlerine, geni bant geniliine, kk boyuta ve optik fiber uyumluluuna sahip

modlatrler oluturmak mmkndr. Fiber sensr uygulamalarnda da kullanlan entegre

optik modlatrler faz modlatr, younluk modlatr ve optik frekans kayrdrma

zelliklerine de sahiptirler. Ayrca, yapy sadeletirmek amacyla birok farkl komponent tek

bir ip zerine kombine edilebilir.

Greceli olarak daha karmak olan monolitik kanal dalga klavuzu devresi oluturulabilir ve bylece bulk komponentlerden ok daha eitli cihazlar meydana

getirilebilir. rnek olarak, fiber jiroskoplar iin tasarlanm ok fonksiyonlu entegre optik ip

ematik olarak ekil 5.9da gsterilmitir.

5.4.1 Faz Modlasyonu

Basit bir entegre-optik faz modlatr, bir single-mod dalga klavuzu ve iki adet, d

salmna sahip, L uzunluunda elektrottan oluur (ekil 5.13).

Optik k sinyali Eout (t) aadaki ekilde ifade edilebilir:

Eout (t) = E0 exp {i [w0t + + (t) ]}

Burada E0 ve w0 optik giri sinyalinin genliini ve frekansn ifade etmektedir. Faz

modlasyonu elektrot voltaj ve boyu ile orantldr ve u ekilde formlize edilebilir:

22

Klavuzlu-dalga faz modlatrlerinin en temel avantaj dk elektrot voltajlarnn

nemli faz modlasyonuna yol amasdr. radyan faz kaymas oluturmak iin gerekli olan elektrot voltaj deeri;

Bulk modlatrlerde olduu gibi , L/d ile ters orantldr. Bununla birlikte herhangi bir n diverjans olmadndan L/d deeri 1000 gibi deerler alabilir. Sonu olarak bulk

modlatrlerdeki minimum 50V deerle kyaslandnda sadece birka voltluk gerilimi elde edilir.

5.4.2 Interferometrik Younluk Modlasyonu

Klavuzlu-dalga faz modlatrleri dier komponentlerle birletirilerek basit ve

kullanl bir interferometrik younluk modlatr oluturulabilir. Bu durum ekil 5.15a da

grlmektedir.

Bu ekilden anlalaca gibi giri dalga klavuzu iki single-mod kola ayrlmaktadr. Optik

transmisyon 2345 267> , yeniden bir araya gelen iki sinyal arasndaki faz fark ile sinusoidal

olarak deimektedir. Bu iliki aadaki ekilde ifa edilmektedir:

2345267

121 . ?8

Faz kaymas , her iki kolda da ayn fakat ters faz modlasyonuna sebep olan push-pull elektrot dzeneiyle kontrol edilir. Uygulanan gerilim cinsinden optik transmisyon

aadaki ekilde yazlabilir:

2345267

12@1 . cosD

.EFG

Burada , tam on-off modlasyonu iin gereken voltaj deiimi olmak zere;

2

5.4.2.1 Analog Younluk Modlasyonu

Analog modlatrlerlerin lineerliini karakterize etmenin standart yolu, giri srme

voltaj V(t)nin, eit genlikli, w1 ve w2 frekansnda iki sinsoidal sinyalin sperpozisyonu

eklinde olduu varsaylr:

HsinK

Burada birinci ve ikinci terimler srasyla dc bias seviyesini ve hedeflenen temel- frekans

kn ifade etmektedir. Bununla birlikte nc terim ise harmonik, toplam-frekans

intermodlasyon (IM), ve fark-frekans IM distorsiyonu. Yukardaki denklemlerin birleimi ile;

2

modlatrlerler ekil 5.19da grlmektedir. Maksimum DC ve aadaki ekilde ifade edilen

3-dB bant geniliinde elde edilir:

12 > Y1

Burada Y kaynak direncidir. Bylelikle bant geniliinin elektrot boyu ile ters orantl olduu grlmektedir.

Temel bant rezistif ve bant geiren transformatrl modlatrn frekans cevab

aadaki grafikte grlmektedir:

YOUNLUK TABANLI VE FABRY-PEROT INTERFEROMETRE SENSRLER

6.1. Younluk Sensrleri

lk fiber optik sensrler, dk kaypl fiberler 1970lerde kullanlmaya balanmadan bile nce

gelitirilmilerdir. Bir cisim yanstlan veya iletilen lmek iin deste halinde ya da tek fiberler

kullanrlard. Bugnn standartlarnn ilkleri olan bu teknoloji, aa yukar snrl sayda uygulamada

fiber optiklerin avantajn salamtr.

Eer k kayna kt seviyesi deiirse ve ya zamanla azalrsa hatal mesafe lm

gerekleir. ekil 6,4te gsterildii gibi bu, bir dereceye kadar daha ok kaynak kullanlarak

dengelenebilir. Burada yer deitirmi bir fiberden paylaan iki alglayc fiberler salayarak yer

deiimi transferinden fiber eksenine kadar llr. Uygun olarak alglayc fiberlerden fotoakmlar

kombine edilerek yer deiimi ve kt arasnda ksmi lineer iliki elde edilebilir. Bu kt, kaynak genlii

deiimine ekil 6.4te gsterilen sensre gre daha az hassastr. Bir baka kayp anlatan ema ekil

6.3te gsterilmitir. G, k genlii yaratan kutuplama deiimlerine sebep olur. Bu sensr

referans problemlerinden ve elastooptik malzeme ile ilgili lineer olmayan histerisis olan herhangi

cevaptan ok eker.

6.2. Band-Edge Scaklk Sensrleri

Emilim edgein scaklk bamll scaklk lmek iin kullanlabilir. Christensen ve Ivesten bir

rnei, ekil 6.6da gsterilmitir. Bir fiberden k GaAs prismas boyunca dier fibere geer. Foton

enerjisi iin band gapten az olarak, k fark edilir ekilde GaAs iinde snmlenmez.Daha ksa olan

dalga boylar emilir. GaAs iin bad edgeler 0.5 nm C-1 civarnda hareket eder. Bu doruluk GaAsdeki

alam homojenlii ile snrldr. Benzer scaklk sensrleri, scaklk hassasiyetli filtrelerle

yaplandrlmlardr.

6.3. Enkoder Tabanl Konum Sensrleri

Younluk sensrlerinin bir tipi, enkoder plaka(veya disk) kullanarak lineer veya rotary yer

deiimi lm salarlar. Enkoder plaka her konumda tek bir desen salamak iin binary kodlama

emas reten foto grafiksel ile transparandr. Kodlar, her biri zelletirilmi fiberler tarafndan

okunan izlerle dzenlenmitir. Yanstc ve ya iletken emalarn ikisi de optikal enkoderin

operasyonunda kullanlabilir. Bu sensrler iin en yaygn uygulamalar hava tatlar sistemlerindedir.

Yksek znrlk, tipik olarak 1 parada 4096=212de gereklidir. Bunun iin enkoder readoutun basit

tipinde 12 girdi ve 12 kt fiber gereklidir.

OK MODLU A SENSRLER 7.1. Giri

Fiber optik sensrler, iki snfa ayrlrlar. Burada yalanc sensrleri konu alacaz. Daha baarl

olarak kullanlan multi modlu fiber optik sensrler a zelliklerine bal olarak gsterilirler. ekil

7.1de gsterildii gibi,bunlar optik olarak deien net ve emilen blgelerle transparan alt yaplardr.

Alar, birok parametrenin lm iin hem younluk hem de dalga boyu dekodlamasyla

kullanlabilir.

A tabanl modlasyon younluk deiimi, dalga boyu deiimi veya her ikisiyle

birlikte ortaya koyulabilir.Bu tip sensrlerde son zamanlarda nemli lde gelimeler

kaydedilmitir. A sensrleri yer deitirme, basn ve hidrofon sensrleri olarak karmza

kmaktadr. Bu blmde a modlasyon tekniklerinin teorik tanmlamas ve sensr

uygulamalar hakknda bilgiler bulacaksnz.

7.2. Teorik Altyap

Optik alarn zelliklerini analiz etmek iin ncelikle krnm etkisi gz nne

alnmaldr. Krnm etkisinin basit bir rnei, quasi-monokromatik bir k kayna tarafndan

aydnlatlan bozuk para gibi dzgn bir geometrik objenin brakt glge incelenerek

grlebilir (ekil 7.2). Geometrik optik kurallar byle bir durumda bozuk para evresine

uygun olarak mkemmel bir kara glge blgesinin oluacan syler. Ancak glge

incelendiinde eklinin kenarlarda ok keskin olmad grlr. Daha ok, saak olarak

adlandrlan birka aydnlk ve karanlk bantlardan olumaktadr. Daha fazla rnek

incelendiinde glgenin uniform olmad fakat merkeze doru koyuluun artt

anlalmaktadr. Genel olarak krnm, radyasyonun geiine engel olan bir etki olarak ifade

edilebilir.

This image cannot currently be displayed.

ki tip krnm mevcuttur. Bunlar, Fraunhoffer ve Fresnel krnmlardr. Fresnel krnm

yakn-alan krnmn, Fraunhoffer krnm da uzak-alan krnmn aklamaktadr. Bunlardan

ilki paralel klar anlamna gelirken ikincisinde byle bir koul mevcut deildir. Fraunhoffer

krnm bu nedenle Fresnel krnmn zel bir halidir ancak analitik olarak ok daha basit

olduundan ileriki blmlerde baz nemli krnm etkisini aklamak iin bu yntem

kullanlacaktr.

Aklama iin kullanlabilecek en basit durum tek-yark krnmdr (ekil 7.3). Bu

durumda k dar bir yarktan geer ve bir ekran zerine yanstlr. Merkezi maksimum, I0 gzlenir. Ekrandaki dier pozisyonlarda, yarn alt ve st ksmlarnda krlan klar arasnda

giriim oluur.


Yark blmlerinden darya salan k n iftleri birbirinden /2 mesafesiyle

ayrlr ve ayn propagasyon mesafesine, b, sahiptirler. zel olarak, daha sonra bnin integral

arpan /2ye eit olduu durumda hasarl giriim meydana gelir. Bylelikle, =b / (/2)

olduundan aadaki eitlik elde edilebilir;

Z8*E [

Optik sistemlerin zme gc genellikle salma etkisi tarafndan snrlandrlmtr. Bu

durumu birbirine yakn iki yldzn grntsn ayrtrmaya alan teleskop probleminde

grebiliriz. ki ayr yldzdan gelen n salma yolu st ste binerek ayrtrlmas zor bir hal

alr. Eer merkezi maksima birbirine ok yaknsa, bu ikisi tek gibi gzkr. Eer maksimum,

bir yldz ko-indisi tarafndan oluturulurken minimum da dier tarafndan oluturuluyorsa

bu durumda marjinal znrlk elde edilir. Eer salma yolu biraz daha ayrk ise, yldzlar

ak ekilde zlebilir. Marjinal znrln durumu Rayleigh kriteri olarak adlandrlr.

Verilen herhangi bir lens iin Rayleigh kriteri minimum znrlk asn hesaplamaya

olanak tanr. Eer lens ap D ve tamam dalga boyuna sahip k tarafndan aydnlatlyorsa,

zmlenebilen minimum a;

EH67 1.22 ]

Pratik olarak bakldnda, salm tabanl olan en kullanl aygt salm adr (ekil

7.4). Bu durumda a aralna sahip yarklardan s periyodu ile geirir. Basite bir

irdeleme ile aadaki a eitlii elde edilir:

88*E [


Burada yer alan m tam says, salma derecesine ifade etmektedir. Daha detayl

olarak ele alndnda yark says ^ ve yark geniliini sebep olduu asal salmn optik gc XEda hesap ierisinde dahil edilebilir. Bu durumda, normalize optik g dalm aadaki gibi olur:

XE 8*9_

7.2 .1 Optik Kodlama Teknikleri

Salm ana ilikin en nemli parametreler ekil 7.4te gsterilmitir. Bunlar a periyodu

s ve her bir transmisyonun periyodu adr. Adan geen toplam enerji miktar, a/s ile

orantldr. Eer bu oran baz ilikili parametrelere, P, bal olacak ekilde gerekletirilirse

periyot sabit iken iletilen n younluk modlasyonu aadaki gibi olur:

X2 X# `28

Bu tip bir modlasyon birbirine ok yakn iki salm ann bal hareketi ile elde

edilebilir. Salm alar ayrca dalga boyu kodlama aygtlar olarak da kullanlabilir. Eer a/s

oran sabit kalr, fakat a periyodu s baz ilgili parametreler, P, ile modle edilirse a

tarafndan oluturulan asal spektral dalm Denklem 7.4 ve 7.5te olduu gibi modle

edilebilir.

rnek olarak, sabit alglama as iin sabit geli as ve giri sinyali dalga boyundaki

uniform enerji dalm, renk alglamas direkt olarak P parametresine baldr. Buna rnek

olabilecek bir zc ekil 7.6da grlmektedir.

Yukardaki ekilde dalga boyu zcl scakl sensr gsterilmitir. O halde a

periyodu aadaki ekilde yazlabilir:

8 8#)1 . Za ;a#,


Burada alt tabakalarn termal yaylm katsays ve 8# ise a# scaklndaki a periyodunu ifade etmektedir.

8sinE# . 8*E

Rotasyon sensrnn kalitesi Tablo 9.2de gsterilen birka parametre tarafndan

llebilir.

Gdmleme ve kontrol uygulamalar iin hali hazrda gelitirilmi olan tm optik

rotasyon sensrleri rotasyon orann lmek iin Sagnac etkisini kullanrlar. ekil 9.1de, optik

ortamn krnm indeksinin saat ynnde (CW) ve saatin tersi ynde (CCW), R yarapl halka

civarnda farkl ynlere dalan k demetinin olduu durumda Sagnac etkisinin basit tretimi

grlmektedir.

alma rezonans artlarna sahip temel prensibe gre alan optik resonatrn optik

devresi yaknlarnda ekil 9.2de gsterildii gibi birok dalga bulunmak durumundadr. Saat

ynnde;

cde 2 .

Saatin ters ynde;

cdde 2 ;

Burada , k demetinin dalga boyunu ifade etmektedir. Yukardaki iki denklemi

birletirecek olursak halka lazer gyrolarn ve pasif optik halka resonatlerinin karakteristiini

veren aadaki eitlii elde edebiliriz:

c cde ;cdde 2

Fiber optik interferometrik rotasyon sensrleri ekil 9.3te gsterilen faz boaltma

yaklam kullanlarak oransal entegre gyrolara benzer performans karakteristiklerine sahip

olarak elde edilebilirler. Bu durumda rotasyonel olarak uyarlm faz kaymas yapay olarak e

uyartml dengeleme faz kaymas ile boaltlr. Bunu baarl bir ekilde elde etmenin en iyi

yolu frekans uyartml faz kaymas kullanmaktr. Sonu olarak F frekans farkna bal olarak

meydana gelen kenar kaymas;

gh c

Burada n, fiberin krlma indisini ifade etmektedir. Rotasyonel uyartml faz kaymasn

frekans uyartml faz kaymasna eitlediimiz durumda aygtn k;

c 2

Bu k, resonatr k denkelemine benzerdir ve lineer, dijital bir k verir. Sonraki

blmlerde bunun rotasyon lmndeki nemi ok daha detayl ekilde incelenecek ve

aklanacaktr.

9.3. Halka Lazer Gyrolar Rotasyona bal olarak optik yol uzunluundaki azalma veya artn aadaki ekilde

ifade edilebildii gsterilebilir;

2 i2_

Burada A kaplanan alan, rotasyon orann, n optik yolun krlma indisini ve c ise

vakum artlarndaki n ilerleme hzn gstermektedir. Denklemdeki iaret k demetinin

bal ynne ve rotasyon eilimine bal olarak deimektedir. Halka lazer gyrolar iin

lmler, optik kavitenin lazer avantajlar ile birlikte gerekletirilir.

9.4. Pasif Halka Rezonatr Gyrolar Ring lazer gyrolarn lock-in probleminin stesinden gelmek iin kullanlabilecek

yntemlerden biri de lazer ortamn rezonans kavitesinden uzaklatrmaktr. Bu prosedr

rotasyon lm iin kullanlan pasif halka resonatr konfigrasyonu ile neticelenir. Bu

alann prensibi etalon temellidir. ekil 9.8de, lazer demetinin birbirinden L kadar

uzaklkta bulunan yksek yanstmal iki aynaya arpt basit iki aynal taslak grlmektedir.

Ayna ifti veya etalondan geen iletim miktar alglayc tarafndan kaydedilir. Sonu

olarak meydana gelen iletim, birbirinden c / 2L frekans ile ayrlan seri iletim piklerinden

olumaktadr. ekil 9.9da rotasyon alglamas iin kullanlabilen halka kavite konfigrasyonu

grlmektedir. Bu durumda halka ierisine drt ayna yerletirilmelidir.

Bunu etkili bir rotasyon sensr haline getirebilmek iin, iletimi optimize edecek

ekilde enjekte edilen n frekans kontrol edilmelidir. Bu, tek frekansl k kaynann

nne yerletirilen akusto-optik modlatr gibi bir frekans kaydrc ile salanabilir. Akusto-

optik modlatrn balang frekansnn iletimi optimize edecek ekilde set edildiini

varsayalm. Kavite, resonansn iletim karakteristiklerini dndrdnde kavite deiecek ve

alglaycya den k seviyesi azalacaktr.

ekil 9.10da pasif kavite lazer gyronun rotasyonu alglayacak ekilde nasl ayarland

daha detayl bir ekilde gsterilmektedir. Yksek tutarlla sahip k kayna kullanldndan

k demeti resonans halkasndan birok geite ayn uyumlulukta davranmaldr. Ik demeti

iki farkl demete ayrlr. Bunlardan biri, resonans halkasna enjekte dilmeden nce frekans

Bu teknikleri kullanarak bir fiber optik sensr meydana getirebilmek iin ekil 9.11de

gsterildii gibi ok dk cross-coupling oranna sahip fiber dalga ayrc tarafndan

ekillendirilmi fiber dngs barndran fiber etalon aynal kavite ile deitirilir. Gelen k

demeti, fiber halkann resonans frekansnda olduu durumda k fiber kavite ierisine nufuz

eder ve resonans halkasndaki k demetinin zayflamasna bal olarak k demetinin

parlaklk seviyesi der.

MACH-ZEHNDER VE MICHELSON INTERFEROMETRE TABANLI FBER OPTK SENSRLER 10.1. Giri Birok fiber optik sensrde fiber, kolayca fiberin sonundaki uzaktan kontroll optik sensre tar. Ik, bundan sonra bir ekilde modiflenir ve analiz edildii yer olan kaynak

modle geri dndrlr. Bu tip sensrler parlak tip fiber sensr olarak bilinir ve daha nce

bahsedildii gibi fiber, alglama mekanizmasnda hibir rol oynamaz.

10.2 Operasyonun Prensipleri 10.2.1 ki Demetli nterferometre ki-demetli interferometre lmlerle elde edilen son derece kk diferansiyel faz kaymalarnn ifade edilmesini salar. Fiber boyunca ilerleyen n optik faz gecikmeleri

(radyanlarda) aadaki ekilde ifade edilir:

j Q Burada n, fiber ekirdein yanstma katsays, k, vakumdaki optik dalga says, L fiberin fiziksel uzunluudur. Sonu olarak fiberden grnen k genelde eliptik olarak polarize

olmutur. deerinin seilen kt n polarizasyonuna bal olduu grlebilir. Faz

gecikmelerindeki kk deiimler aadaki denklemin diferansiyasyonu ile bulunabilir.

jj

.

.

QQ

Tipik bir btn-fiber interferometre konfigrasyonu ekil 10.1de gsterilmitir.

nterferometre bir Mach-Zehnder interferometresidir ve klasiin analog fiberidir. Uyumlu tek

modlu kaynak tek modlu fiber iine yerletirilir.

nterferometrenin anahtar elementi fiber dalga ayrc veya kuplrdr. Optik enerjinin

tutulduu fiber ekirdekler n bir fiberde dier bir fibere transfer edilebilmesi iin

yeterince yakna getirilirler. Bu, tipik olarak genelde yksek scaklkla inceltme ve fzyon

prosesi ile gerekletirilir. Eer iki g aktarm katsays Q< ve Q9olursa ve kesin optik kayb ZY olarak kabul edersek sinyal ve referans kollarndan merkezlenmi ktlarn interferometreleri aadaki gibi gsterilebilir.

k 3lZkQ

nterferometrenin kt kenar grnrl standart tanmyla aadaki ekilde

karmza kmaktadr:

XHq+ ;XH67XHq+ .XH67

Yukardaki iki denklem birletirildiinde ise aadaki eitlik elde edilmektedir:

2lZYZkQ

Harici / Dahili Fiber Optik Younluk Sensrleri. Bu sensrler, n optik fiberden kp

tekrar girdii yanstcl yer deitirme sensrleri (harici) ve k younluunun optik

fiberden kmadan modle edildii mikrobend sensrlerden (dahili) oluur.

13.3. Scaklk lm

Scaklk lm iin birka fiber optik metodu kullanlabilir. Westinghouse alanlar

nkleer reaktrlerdeki s dalmnn lmn gstermilerdir. Burada scak noktaya

yerletirilmi kor haldeki optik fiberden emilen Plank kara cisim radyasyonunun spektrum

analizi metodu kullanlmtr. Kara cisim spektral radyant emilimi ile scaklk arasndaki

balanty gsteren grafik ekil 13.2de grlmektedir. Burada scaklk artyla birlikte verilen

dalga boyundaki emilimin de arttna zellikle dikkat edilmelidir. Bu metodun ticari bir

versiyonu Accufiber Inc. firmasnn rn grubunda bulunabilmektedir. Bu metod ile 1900

Cdeki jet motoru egzoz gaznn scakl llebilmektedir.

13.4. Basn lm Endstriyel basn lm uygulamalar iin birok fiber optik younluk ler

mevcuttur. Uygulamalar stclarda, kimyasal proses reaktrlerinde, motorlarda ve insan

vcudunda basn gzlenmelerini kapsamaktadr. Heise, alc ve verici fiberlerin arasna

yerletirilmi iletim ana balanm diyaframa sahip yksek doruluklu bir basn transdseri

gelitirmitir.

Basn lm iin fiber optik sensrlerin kullanm byk bir gelitirme srecinden

gemektedir. zellike U.S. Donanma Fiber Optik Sensr Sistemi programndaki akustik

uygulamalarda aratrma gelitirme faaliyetlerinde bulunulmutur.

Bu tip bir basn transdseri 425 C scaklk altndaki basnc tekrarlanabilir olarak

%1den daha yksek bir hassasiyetle lebilecek ekilde yaplandrlmtr. Transmitterin

fotorafn ekil 13.10da grebilirsiniz. Bu kadar yksek bir doruluu ve uzun sreli

tekrarlanabilirlii elde edebilmek iin mikrobend sensrn k sinyali scaklk kaymas

titreim etkilerini elimine edecek ekilde normalize edilmelidir.

13.5. Sv- Seviye lm Fiber sensr kullanlarak sv seviyesini lmeye ynelik baz yaklamlarda daha nce

bahsetmitik. Bunlardan birinde fiberler bir prizmadan geirecek ekilde

konumlandrlmtr. Uygun seilen prizma as ile birlikte prizmann havada olduu

durumda n tamam dahili olarak kar tarafa iletilecektir. Prizma, sv ierisine daldrlm

pozisyonda olduunda ise k, sv ierisinde krlacaktr. Bylelikle aygtmz sv seviyesi k

anahtar olarak alabilmektedir. Ticari birimler EoTec ve Tedeco tarafndan temin

edilebilmektedir.

Fiber Optik Sensorler

Documents