Detail předmětu

Vláknová optika v automatizaci

FEKT-BVOAAk. rok: 2010/2011

Kurz poskytuje studentům základní informace o vláknové optice a přehled principů snímačů, součástek, modulů a komponentů používaných v optických sítích (zejména průmyslových), jejich konstrukcí a parametrů.
Laboratorní cvičení umožňují získat základní dovednosti potřebné při práci s optickými vlákny a sítěmi a na příkladech snímačů z průmyslové praxe prezentují specifika těchto měření, jejich výhody a přednosti i rozdílné postupy.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a měřicí techniky (UAMT)

Výsledky učení předmětu

Absolvent kurzu by měl být vybaven základními, ale v technické praxi použitelnými znalostmi a dovednostmi z oblasti vláknové techniky a optických vláknových snímačů, včetně návrhu základní koncepce měření a vyhodnocení výsledků.

Prerekvizity

Jsou požadováné znalosti na úrovni středoškolského studia (zejména fyzikly).

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 (L+N) 0 - 40
písemná část zkoušky 0 - 60

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 seznámit studenty se základy vláknové (světlovodné) techniky (optiky) a vláknových snímačů. Ukázat význam a nezastupitelnost vláknové techniky, vláknových senzorů a optických sítí v automatizační technice, průmyslové elektronice a i v netechnických oborech (např.ve zdravotnictví, životním prostředí, umění, zabezpečovací technice, lékařství, vojenství atd.).

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

GLASER,W.: Úvod do techniky světlovodů. SNTL 1984

Doporučená literatura

DOLEČEK,J.: Optoelektronika a optoelektronické prvky. BEN Praha 2005, ISBN80-7300-184-5
HALLIDAY,D.-RESNICK,R.-WALKER,J.: Fyzika. VUT Brno 2000, ISBN 80-214-1868-0
SALEH,E.A.-TEICH,M.C.: Základy fotoniky 1 až 4. Matfyzpress Praha, 1990 - 1996.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-AMT , 3 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.

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).
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.).
Volné téma.

Cvičení odborného základu

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Ludvík Bejček, CSc.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Soňa Šedivá, 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, 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 použití 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; demoverse programového vybavení fy OXFO pro měření optického výkonu, útlumu a ORTD. Atenuátory, optický měřicí systém OMS3 řízený PC.
Měření útlumu a propustnosti materiálů v závislosti na vlnové délce. Zjišťování účinnosti potlačení UV záření např. u slunečních brýlí na OMS3. Ukázková cvičení
Aplikace OPA ve strojírenství - měření souososti, drsnosti povrchu, odklonu, úhlové odchylky.
Volné téma-představení výrobců a výrobků z oblasti optoelektroniky, vystoupení zástupců významných firem z oblasti vláknové techniky atd.