Detail předmětu

Optoelectical sensors

FEKT-NOESAk. rok: 2019/2020

Kurz se věnuje zejména moderní problematice optoelektronických a perspektivních vláknových senzorů z oblasti technické kybernetiky a informatiky (řídicí a měřicí techniky) a to nejen v průmyslové a vědecké praxi, ale i dalších oborech (lékařství, zabezpečovací technika atd.).
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 ejich 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 senzorů a měřičů. 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

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a měřicí techniky (UAMT)

Výsledky učení předmětu

Absolvent kurzu je schopen:
- získat základní, v technické praxi dobře použitelné znalosti a dovednosti z oblasti vláknové senzorové techniky a optických vláknových senzorů
- diskutovat návrh základní koncepce měřicího řetězce,
- určit optimální metodu měření,
- definovat měřená data a
- popsat, zpracovat a vyhodnotit naměřené výsledky.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia a platné přezkoušení pro kvalifikaci pracovníků pro samostatnou činnost (ve smyslu §6 Vyhlášky).

Absolvent kurzu je schopen:
- popsat jednotlivé druhy (typy) optoelektrických a vláknových senzorů,
- vysvětlit používané modulace u vláknových senzorů,
- popsat a vyjmenovat analogové a číslicové optoelektrické a vláknové senzory,
- vysvětlit interferenčni jevy a z nich vyplývající možnosti,
- diskutovat a vysvětlit jednotlivé typy interferometrů
- definovat a vypočítat základní bloky vláknových měřicích systémů,
- dokázat změřit základní fyzikální veličiny pomocí optoelektrických a vláknových senzorů a
- a další.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT. Laboratorní (numerická) výuka je povinná, řádně omluvené zameškané laboratorní cvičení (maximálně dvě) lze po domluvě s vyučujícím nahradit (obvykle v zápočtovém týdnu). Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví obvykle i každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává jeden samostatný projekt.

Způsob a kritéria hodnocení

lZkouška je zaměřena na ověření znalostí (orientace) absolvovaného kurzu. Má povinnou písemnou a laboratorní (numerickou) a nepovinou ústní část.
cvičení 0 - 40
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.).

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.

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.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-MN magisterský navazující

    obor MN-KAM , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.

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.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.

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.