Detail předmětu
Optoelektronické snímače
FEKT-MOESAk. rok: 2011/2012
Úvod, kategorizace a specifikace signálu. Vývoj, současnost a perspektivy.
Šíření světla (shrnutí základů), přenos záření prostředím.
Vláknová optika, vedení optického signálu ve vláknech, optické vlákna a jejich použití. Zdroje, snímače a zesilovače optického signálu. Optoelektronické komponenty. Optické vláknové (světlovodné) snímače (OVS. Měření fyzikálních veličin. Volba měřicí metody, obecný měřicí řetězec.
Základní koncepce OVS a měřičů, dělení, principy, konstrukce a příklady použití. Amplitudové, fáízové, polarizační a OVS s modulací vlnové délky. Měřící systémy pro sběr a zpracování měřených dat, senzorové systémy, lokální sítě. Současný stav a předpokládaný vývoj.
Aplikace mimo měřicí techniku (optický záznam a paměťová média, spotřební, lékařská a stavební technika, vojenství atd.).
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
6
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvent kurzu získá základní, v technické praxi dobře použitelné znalosti a dovednosti z oblasti vláknové senzorové techniky a optických vláknových senzorů, včetně návrhu základní koncepce, měření a vyhodnocení výsledků.
Prerekvizity
Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia (BVOA).
Platné přezkoušení pro kvalifikaci pracovníků pro samostatnou činnost (ve smyslu §6 Vyhlášky).
Platné přezkoušení pro kvalifikaci pracovníků pro samostatnou činnost (ve smyslu §6 Vyhlášky).
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.
Způsob a kritéria hodnocení
cvičení 0 - 40
písemná část zkoušky 20 - 50
ústní část zkoušky 0 - 10
písemná část zkoušky 20 - 50
ústní část zkoušky 0 - 10
Osnovy výuky
Úvod - vymezení předmětu, pojmů, kategorizace. Dělení kmitočtových (vlnových) pásem, specifikace signálu. Historický vývoj, současnost a perspektivy. Typické příklady použití.
Šíření světla (shrnutí základů), geometrická a vlnová optika - základní zákony, disperze (normální, abnormální, střední a relativní), optické zobrazování. Přenos záření prostředím (typy), útlum (propustnost).
Úvod do vláknové optiky, podmínky pro vedení optického signálu ve vláknech, dělení, vlastnosti a požadavky na optické vlákna a jejich použití. Vývoj, výroba a konstrukční provedení, útlum a buzení optických vláken.
Zdroje záření - základní veličiny a dělení zdrojů, charakteristiky. LED, LD a SLED - parametry a možnosti použití.
Snímače záření - základní veličiny, dělení, charakteristiky. Vnitřní a vnější fotoelektrický jev. Fotoodpory, fotodiody, PIN a lavinová dioda.
Optoelektronické komponenty - součásti optoelektronických obvodů. (Ne)rozebíratelné spoje, požadavky. Konektory - typy a vlastnosti. Spínače a přepínače, sdružovače a rozdělovače (vazební členy). Gradientní čočka , směšovače a oddělovače vidů. (De)multiplexery. Měření základních parametrů optických vláken.
Optické vláknové (světlovodné) snímače (OVS) v automatizační technice, základní dělení a vlastnosti, klasifikace (měřená veličina, modulace a konstrukce), klasifikace.
OVS fázové, amplitudové (intenzitní), polarizační a se změnou vlnové délky - charakteristika, parametry a možnosti použití.
Měření fyzikálních veličin pomocí OVS. Základní měření mechanických, elektrických, tepelných, radiačních a chemických veličin.
Volba měřicí metody. Obecný měřicí řetězec (systém), uspořádání, požadavky a kriteria při jeho návrhu. Vliv prostředí. Kompenzace parazitního působení okolí.
Základní koncepce senzorů a měřičů. Měřící systémy pro sběr a zpracování měřených dat (protokoly, sběrnice), senzorové systémy, lokální sítě. Současný stav a předpokládaný vývoj.
Zhodnocení současného stavu, předpokládané směry vývoje. Aplikace mimo měřicí techniku (optický záznam a paměťová média, spotřební, lékařská a stavební technika, vojenství atd.).
Šíření světla (shrnutí základů), geometrická a vlnová optika - základní zákony, disperze (normální, abnormální, střední a relativní), optické zobrazování. Přenos záření prostředím (typy), útlum (propustnost).
Úvod do vláknové optiky, podmínky pro vedení optického signálu ve vláknech, dělení, vlastnosti a požadavky na optické vlákna a jejich použití. Vývoj, výroba a konstrukční provedení, útlum a buzení optických vláken.
Zdroje záření - základní veličiny a dělení zdrojů, charakteristiky. LED, LD a SLED - parametry a možnosti použití.
Snímače záření - základní veličiny, dělení, charakteristiky. Vnitřní a vnější fotoelektrický jev. Fotoodpory, fotodiody, PIN a lavinová dioda.
Optoelektronické komponenty - součásti optoelektronických obvodů. (Ne)rozebíratelné spoje, požadavky. Konektory - typy a vlastnosti. Spínače a přepínače, sdružovače a rozdělovače (vazební členy). Gradientní čočka , směšovače a oddělovače vidů. (De)multiplexery. Měření základních parametrů optických vláken.
Optické vláknové (světlovodné) snímače (OVS) v automatizační technice, základní dělení a vlastnosti, klasifikace (měřená veličina, modulace a konstrukce), klasifikace.
OVS fázové, amplitudové (intenzitní), polarizační a se změnou vlnové délky - charakteristika, parametry a možnosti použití.
Měření fyzikálních veličin pomocí OVS. Základní měření mechanických, elektrických, tepelných, radiačních a chemických veličin.
Volba měřicí metody. Obecný měřicí řetězec (systém), uspořádání, požadavky a kriteria při jeho návrhu. Vliv prostředí. Kompenzace parazitního působení okolí.
Základní koncepce senzorů a měřičů. Měřící systémy pro sběr a zpracování měřených dat (protokoly, sběrnice), senzorové systémy, lokální sítě. Současný stav a předpokládaný vývoj.
Zhodnocení současného stavu, předpokládané směry vývoje. Aplikace mimo měřicí techniku (optický záznam a paměťová média, spotřební, lékařská a stavební technika, vojenství atd.).
Učební cíle
Cílem kurzu je seznámení studentů se základy vláknových (světlovodných) snímačů fyzikálních veličin, používaných zejména v moderní průmyslové automatizaci. Ukázat význam vláknových senzorů a optických sítí v automatizační technice i v ostatních oborech - např. ve stavebnictví, strojírenství, zdravotnictví, životním prostředí, umění, zabezpečovací technice, vojenství atd.
Dále poskytnout přehled principů, součástek, modulů a komponentů používaných v optických sítích (zejména průmyslových) a jejich parametrů. V laboratorních cvičeních získat základní dovednosti potřebné pro práci s optickými vlákny a na příkladech z průmyslové praxe demonstrovat nejčastěji se vyskytující měření fyzikálních veličin.
Dále poskytnout přehled principů, součástek, modulů a komponentů používaných v optických sítích (zejména průmyslových) a jejich parametrů. V laboratorních cvičeních získat základní dovednosti potřebné pro práci s optickými vlákny a na příkladech z průmyslové praxe demonstrovat nejčastěji se vyskytující měření fyzikálních veličin.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Základní literatura
Leonardo pilot project M1 - M12
"Modular Courses on Modern sensors"
Leonardo pilot project 3 – Flow Sensors
"Modular Courses on Modern sensors"
SALEH,E.A.-TEICH,M.C.: Základy fotoniky 1 až 4. Matfyzpress Praha, 1990 - 1996. (CS)
TURÁN,J.-PETRÍK,S.: Optické vláknové senzory. Alfa Bratislava 1990 (CS)
SALEH,E.A.-TEICH,M.C.: Základy fotoniky 1 až 4. Matfyzpress Praha, 1990 - 1996. (CS)
TURÁN,J.-PETRÍK,S.: Optické vláknové senzory. Alfa Bratislava 1990 (CS)
Doporučená literatura
YEH,Ch.: Handbook of Fiber Optics. Academic Press, Inc., San Diego, California 1990. (EN)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Úvod - vymezení předmětu, pojmů, kategorizace. Dělení kmitočtových (vlnových) pásem, specifikace signálu. Historický vývoj, současnost a perspektivy. Typické příklady použití.
Šíření světla (shrnutí základů), geometrická a vlnová optika - základní zákony, disperze (normální, abnormální, střední a relativní), optické zobrazování. Přenos záření prostředím (typy), útlum (propustnost), popis. Parazitní vliv prostředí.
Úvod do vláknové optiky, podmínky pro vedení optického signálu ve vláknech, dělení, vlastnosti a požadavky na optické vlákna a jejich použití. Vývoj, výroba a konstrukční provedení, útlum a buzení optických vláken. Vidy, fáze a zpoždění optického signálu.
Zdroje záření - základní veličiny a dělení zdrojů, charakteristiky, parametry. LED, LD a SLED - parametry a možnosti použití. Bezpečnostní předpisy.
Snímače záření - základní veličiny, dělení, charakteristiky, parametry. Vnitřní a vnější fotoelektrický jev. Fotoodpory, fotodiody, PIN a lavinová dioda. Zesilovače optického signálu.
Optoelektronické komponenty - součásti optoelektronických obvodů. (Ne)rozebíratelné spoje, požadavky, typy a vlastnosti. Spínače a přepínače, sdružovače a rozdělovače (vazební členy). Gradientní čočka , směšovače a oddělovače vidů. (De)multiplexery. Měření základních parametrů optických vláken.
Optické vláknové (světlovodné) snímače (OVS) v automatizační technice, základní dělení a vlastnosti, klasifikace (měřená veličina, modulace a konstrukce), klasifikace. Analytické vyjádření.
OVS fázové, amplitudové (intenzitní), polarizační a se změnou vlnové délky - charakteristika, parametry a možnosti použití.
Měření fyzikálních veličin pomocí vlastních a nevlastních OVS. Základní měření mechanických, elektrických, tepelných, radiačních a chemických veličin. Parametry a srovnání.
Volba měřicí metody. Obecný měřicí řetězec (systém), uspořádání, požadavky a kriteria při jeho návrhu. Vliv prostředí, kompenzace parazitního působení okolí.
Základní koncepce senzorů a měřičů. Měřící systémy pro sběr a zpracování měřených dat (protokoly, sběrnice), senzorové systémy, lokální sítě. Současný stav a předpokládaný vývoj.
Zhodnocení současného stavu, předpokládané směry vývoje. Aplikace mimo měřicí techniku (optický záznam a paměťová média, spotřební, lékařská a stavební technika, vojenství atd.).
Volné téma.
Šíření světla (shrnutí základů), geometrická a vlnová optika - základní zákony, disperze (normální, abnormální, střední a relativní), optické zobrazování. Přenos záření prostředím (typy), útlum (propustnost), popis. Parazitní vliv prostředí.
Úvod do vláknové optiky, podmínky pro vedení optického signálu ve vláknech, dělení, vlastnosti a požadavky na optické vlákna a jejich použití. Vývoj, výroba a konstrukční provedení, útlum a buzení optických vláken. Vidy, fáze a zpoždění optického signálu.
Zdroje záření - základní veličiny a dělení zdrojů, charakteristiky, parametry. LED, LD a SLED - parametry a možnosti použití. Bezpečnostní předpisy.
Snímače záření - základní veličiny, dělení, charakteristiky, parametry. Vnitřní a vnější fotoelektrický jev. Fotoodpory, fotodiody, PIN a lavinová dioda. Zesilovače optického signálu.
Optoelektronické komponenty - součásti optoelektronických obvodů. (Ne)rozebíratelné spoje, požadavky, typy a vlastnosti. Spínače a přepínače, sdružovače a rozdělovače (vazební členy). Gradientní čočka , směšovače a oddělovače vidů. (De)multiplexery. Měření základních parametrů optických vláken.
Optické vláknové (světlovodné) snímače (OVS) v automatizační technice, základní dělení a vlastnosti, klasifikace (měřená veličina, modulace a konstrukce), klasifikace. Analytické vyjádření.
OVS fázové, amplitudové (intenzitní), polarizační a se změnou vlnové délky - charakteristika, parametry a možnosti použití.
Měření fyzikálních veličin pomocí vlastních a nevlastních OVS. Základní měření mechanických, elektrických, tepelných, radiačních a chemických veličin. Parametry a srovnání.
Volba měřicí metody. Obecný měřicí řetězec (systém), uspořádání, požadavky a kriteria při jeho návrhu. Vliv prostředí, kompenzace parazitního působení okolí.
Základní koncepce senzorů a měřičů. Měřící systémy pro sběr a zpracování měřených dat (protokoly, sběrnice), senzorové systémy, lokální sítě. Současný stav a předpokládaný vývoj.
Zhodnocení současného stavu, předpokládané směry vývoje. Aplikace mimo měřicí techniku (optický záznam a paměťová média, spotřební, lékařská a stavební technika, vojenství atd.).
Volné téma.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Úvod - seznámení s obsahem, formami a požadavky, bezpečností práce v laboratořích.
Základní práce s optickými vlákny: dělení (lámání), úprava konců, lepení, konektrování, atd.
Zdroje záření: LED a polovodičové lasery, jejich vlastnosti a aplikace ve vědě a technice. Měření výkonu svazku, kolimace a vychylování. Vliv reálného prostředí na šíření záření (teplota, prašnost atd.). Měření charakteristik LED, zjišťování působení parazitních vlivů (závislost na teplotě).
OVS polohy - druhy, vlastnosti, použití a) proporcionální v rozsahu 0 až 100 mm b) dvouhodnotové v rozsahu 0 až 10 m Vlivu materiálu a povrchu reflexní plochy, určení směrovosti a minimální plochy na vzdálenosti a zdroji záření . Měření rychlosti, chvění a pnutí. Vytyčování referenční přímky a plochy.
OVS teploty - druhy (refraktometrický, dilatační), vlastnosti a ověření v rozsahu 0 až 70 oC. Měření závislosti výstupního signálu na teplotě v závislosti na vlnové délce zdroje záření, časové konstanty, linearity a hysterese snímače.
OVS tlaku - Měření závislosti výstupního signálu snímače tlaku (reflexního a závěrového, vidlicového typu), linearity převodu, hystereze a vlivu parazitních vlivů.
Měřicí přístroje a zařízení používané v OPA. Měřiče optického útlumu, zdroje záření, optické atenuátory, optický měřicí systém OMS 3 řízený PC. Programového vybavení fy OXFO pro pro měření optického výkonu, útlumu a ORTD.
Měření útlumu a propustnosti materiálů v závislosti na vlnové délce. Zjišťování účinnosti potlačení UV záření např. u slunečních brýlí na OMS 3.
Aplikace OPA ve strojírenství - měření souososti, drsnosti povrchu, odklonu, úhlové odchylky.
Návrh zdrojů optického záření
Návrh snímačů (zesilovačů) optického záření
Návrh koncepce měřicího kanálu, sběru a vyhodnocení naměřených dat.
Volné téma - představení výrobců a výrobků z oblasti OPA, vystoupení zástupců významných firem atd.
Základní práce s optickými vlákny: dělení (lámání), úprava konců, lepení, konektrování, atd.
Zdroje záření: LED a polovodičové lasery, jejich vlastnosti a aplikace ve vědě a technice. Měření výkonu svazku, kolimace a vychylování. Vliv reálného prostředí na šíření záření (teplota, prašnost atd.). Měření charakteristik LED, zjišťování působení parazitních vlivů (závislost na teplotě).
OVS polohy - druhy, vlastnosti, použití a) proporcionální v rozsahu 0 až 100 mm b) dvouhodnotové v rozsahu 0 až 10 m Vlivu materiálu a povrchu reflexní plochy, určení směrovosti a minimální plochy na vzdálenosti a zdroji záření . Měření rychlosti, chvění a pnutí. Vytyčování referenční přímky a plochy.
OVS teploty - druhy (refraktometrický, dilatační), vlastnosti a ověření v rozsahu 0 až 70 oC. Měření závislosti výstupního signálu na teplotě v závislosti na vlnové délce zdroje záření, časové konstanty, linearity a hysterese snímače.
OVS tlaku - Měření závislosti výstupního signálu snímače tlaku (reflexního a závěrového, vidlicového typu), linearity převodu, hystereze a vlivu parazitních vlivů.
Měřicí přístroje a zařízení používané v OPA. Měřiče optického útlumu, zdroje záření, optické atenuátory, optický měřicí systém OMS 3 řízený PC. Programového vybavení fy OXFO pro pro měření optického výkonu, útlumu a ORTD.
Měření útlumu a propustnosti materiálů v závislosti na vlnové délce. Zjišťování účinnosti potlačení UV záření např. u slunečních brýlí na OMS 3.
Aplikace OPA ve strojírenství - měření souososti, drsnosti povrchu, odklonu, úhlové odchylky.
Návrh zdrojů optického záření
Návrh snímačů (zesilovačů) optického záření
Návrh koncepce měřicího kanálu, sběru a vyhodnocení naměřených dat.
Volné téma - představení výrobců a výrobků z oblasti OPA, vystoupení zástupců významných firem atd.