دانلود مقاله توسعه تکنولوژی فرآوری TSC در نساجی

بخشی از مقاله

توسعه سريع تركيبات ساختاري نساجي (TSC ها) بازار و فرصت هاي پژوهشي جديدي را براي صنعت نساجي و دانشمندان اين رشته ايجاد كرده است. تركيبات نساجي سه بعدي، بر طبق، يكپارچگي ساختاري شان داراي يك شبكه دسته تارها در يك حالت يكنواخت مي باشد، كه نتيجه آن افزايش قدرت درون بافتي و بين بافتي، انعطاف پذيري بيشتر تشكيل شكل ساختاري پيچيده و امكان بيشتر توليد قطعات بزرگ با هزينه كمتر در مقايسه با تركيبات سنتي است. سختي و استحكامل بيشتر همراه با وزن كمتر باعث افزايش كاربرد آنها در صنايع هوا فضا، خودروسازي و مهندسي شهري شده است. پيش بيني شده است كه بهبود تكنولوژي هاي فرآوري و تركيب آنها با تكنولوژي‌هاي ساختار هوشمند منجر به رشد صنعتي عمده در قرن بعد با استفاده از به چالش افتادن وضعيت فلز است  ديگر مواد متداول مهندسي گرديده است.

يك موفقيت در توسعه تكنولوژي فرآوري TSC به درك بهتر رابطه خواص- ساختار پردازش دارد. يك گام مهم در اين جهت نظارت بر توزيع تنش/ كرنش داخلي در زمان واقعي در طول فرآوري اجراي منسوج و جامد شدن متعاقب آن تا ساختارهاي نهايي است. مسئله مهم ديگر در كاربرد TSC ها حساس كردن آنها به شرايط داخلي سلامت و محيطي خارجي آنها است. تجميع شبكه هاي حسگري در داخل ساختارهاي توليد- تقويت اولين گام براي هوشمند ساختن مواد محسوب مي شود. علاوه بر اين، پيچيدگي ساختار TSC مثل اثر پوست- هسته تركيبات تابيده سه بعدي كاراكتريزه كردن مواد را امري دشوار ساخته است.

در گذشته اندازه گيري توزيع تنش/ كرنش داخلي يك چنين ماده اي پيچيده با استفاده از روش هاي متداول مانند معيار كرنش و حسگرهاي فرابنفش تقريباً غيرممكن شده است. به علاوه، نياز به بعضي انواع شبكه حسگري در اين ساختارها لحاظ شده است تا وسيله‌اي باشد براي (1) نظارت بر توزيع تنس داخلي TSC هاي insith در طول فرايند توليد، (2) اجازه دادن جهت نظارت سلامت و ارزيابي آسيب TSC ها در طول خدمات  و (3) قادر به ساختن يك سيستم كنترلي براي نظارت فعال و واكنش نشان دادن به تغييرات محيط كاري.

تكنولوژي هاي فيبر نوري كه ارائه دهنده كاركردهاي انتقال سيگنال و حسگري با هم است. در سال هاي اخير توجه زيادي را به خود جلب كرده است، به ويژه در ساختارهاي بتن هوشمند شامل بزرگراه ها، پل ها، سدها و ساختمان ها. تعدادي از پژوهشگران از تكنولوژي حسگرهاي فيبر نوري (FOS) براي نظارت بر فرآيند توليد و ارزيابي سلامت ساختار تركيبات اليافي تقويت شده استفاده كرده اند. از آنجايي كه فيبرهاي نوري داراي اندازه كوچك و سبك وزن، ساختار با تارهاي منسوج و آماده مشمول يا حتي بافته شدن درون TSC ها هستند، مطمئن ترين وسيله براي تشكيل شبكه حسگري ذكر شده در بالا مي باشند.

اين فصل مروري بر انواع مختلف حسگرهاي فيبرنوري، مسائل عمده تركيبات منسوج هوشمند تجميع شده با حسگرهاي الياف براگ (Bragg) كه زوج دما و كرنش است، ابزار اندازه گيري كرنش چند محوري، مسائل مربوط به اعتماد پذيري و مؤثر بودن اندازه گيري و همچنين سيستم هاي مختلف اندازه گيري براي تركيبات منسوج هوشمند تجميع شده با حسگرهاي نوري فيبر.

2- فيبرهاي نوري و حسگرهاي نوري فيبر
به طور طبيعي، يك فيبرنوري شامل يك هسته است كه اطراف آن يك روكش كاري صورت گرفته كه شاخص شكست آن كمي كمتر از شاخص مربوط به هسته مي باشد. اين فيبر نوري در طول فرايند ترسيم با يك لايه محافظ پليمري، پوشيده شده است. درون هسته فيبر، اشعه هاي نور تابيده شده روي هسته- روكش با زواياي بزرگتر از زاويه بحراني به صورت كلاً داخلي منعكس شده و از داخل هسته و بدون شكست هدايت مي شوند. شيشه سيليكا متداول ترين ماده براي الياف نوري است، جايي كه روكش كاري به طور طبيعي با سيليكاي خالص گداخته صورت مي گيرد و هسته از سيليكاي داپ تشكيل شده كه حاوي چند مول ژرمانيم مي باشد. سايز ناخالصي ها مانند فسفر را نيز مي توان مورد استفاده قرار داد. جذب خيلي كم در يك فيبر ژرمانوسيليكات همراه با يك حداقل ضريب افت در  و يك حداقل مطلق   در   صورت مي گيرد. بنابراين نور در دو پنجره ده ها كيلومتر از طريق فيبر انتقال مي يابد، بدون اينكه افت زيادي در يك شرايط هدايت صحيح به وجود مي آيد. به همين علت است كه امروزه فيبر نوري جايگزين سيم كواكسيال مسي به عنوان وسيله انتقال برتر امواج الكترومغناطيس نشده و انقلابي در ارتباطات جهاني ايجاد كرده است.

موازي با توسعه سريع عهد ارتباطات فيبر نوري، حسگرهاي نوري فيبر نيز توجه زيادي به خود جلب كرده و رشد زيادي را در سال هاي اخير تجربه كرده است. اين حس گرها سبك، كوچك و انعطاف پذير هستند. بنابراين آنها بر يكپارچگي ساختار مواد مركب تأثير نمي گذارند و مي توان آنها را با پارچه هاي تقويت شده تجميع كرد تا ستون فقرات ساختار را تشكيل دهند. آنها مبتني بر يك تكنولوژي واحد متداول هستند كه ابزارها را قادر مي سازد تا براي نابساماني هاي فيزيكي بيشمار حس گري از يك ماهيت آبي، الكتريكي، مغناطيسي و گرمايي توسعه يابند. تعدادي از حسگرها را مي توان در امتداد يك فيبرنوري با استفاده از تكنيك هاي تقسيم طول موج، فركانس، زمان و پلاريزاسيون تسهيم كرد تا سيستم هاي حس گري توزيع شده يك، دو يا سه بعدي ايجاد شود. آنها از داخل ساختار يك مسير هدايت كننده ايجاد نمي كنند و گرماي اضافي توليد نمي كنند كه بتواند به صورت بالقوه به ساختار آسيب بزند. آنها به جداسازي الكتريكي از ماده ساختاري ندارند و تداخل الكترومغناطيسي ايجاد نمي كنند، اين مي تواند يك مزيت خيلي مهم در بعضي كاربردها باشد.

FOS ها را براي بكارگيري در ساختارهاي هوشمند مي توان بر طبق اينكه آيا حسگري توزيع شده، موضعي (نقطه) يا تسهيم شده (چند نقطه) است تقسيم بندي كرد. اگر حسگري در امتداد طول فيبر توزيع شده باشد،‌ توزيع اندازه گيري شده به عنوان يك تابع موقعيت مي تواند از سيگنال خروجي تعيين گردد. بنابراين يك فيبر واحد مي تواند به طور مؤثر تغييرات در كل جسمي كه در آن قرار دارد را كنترل كند. يك حسگر موضعي تغييرات اندازه گيري شده را فقط در مجاورت حسگر شناسايي مي كند. بعضي حسگرهاي موضعي مي توانند خودشان تسهيم شوند، كه در آن حسگرهاي موضعي چند گانه در فواصل معين در امتداد طول فيبر قرار مي گيرند. هر حس گر را مي توان به وسيله تشخيص طول موج، زمان يا فركانس جداسازي كرد و در نتيجه امكان پروفايل كردن زمان واقعي پارامترها در كل ساختار فراهم مي شود.

پيش از اختراع گراتينگ هاي براگ فيبر(FBC ها)، FOS ها را بر طبق طرح حسگري ؟؟ در دو گروه بزرگ طبقه بندي كرد، اينتزيومتريك و اينترفرومتريك. حسرگرهاي اينتنزيومتريك فقط مبتني بر ميزان نور شناسايي شده كه از فيبر عبور مي كند است. در ساده ترين شكل آن يك توقف انتقال ناشي از شكستن يك فيبر درون سيستم، آسيب ممكن را نشان مي دهد. حسگرهاي اينترفرومتريك براي گستره اي از كاربردهاي با حساسيت بالا مانند حس گرهاي ميدان مغناطيسي و آبي توليد شده است و معمولاً مبتني بر الياف تك حالتي هستند. براي مثال، اينترفرومتريك ماچ- زند، همانگونه كه در شكل 1-10 نشان داده شده، يكي از متداول ترين پيكربندي ها است. با اين نوع ابزار، تنش را مي توان مستقيماً به وسيله قرار دادن بازوي فيبر حس گري در ساختار كنترل كرد و اين امر هنگامي صورت مي پذيرد كه بازوي مرجع به طول يكسان از محيط جدا شده باشد. گرچه يك چنين پيكربندي نسبت به تنش خيلي حساس است اما كل طول فيبر در يك بازو به كشش پاسخ مي دهد و بنابراين موضع گيري ناحيه حسگري مشكل است. يك حس گر مي تواند تداخلي ديگ، كه براي حسگري موضعي مناسب تر است، مبتني بر تداخل بين نور منعكس شده از دو سطح نزديك مي باشد كه تشكيل يك اينترفرومتر نوع فابري پيروت (FP) با طول معيار كوتاه مي دهد (شكل2-10).

كشش يا تنش به كار رفته در درون شاخص ساختار را مي توان با اندازه گيري طيف بازتابي يا سيگنال نور بازتابي از انحناءFP تعيين كرد كه تابعي از فاصله بين دو سطح بازتابي است. عيب اينگونه ابزارها اين است كه انجام اندازه گيري هاي مطلق سخت است و تشكيل يك رديف حس گر تسهيم شده در امتداد طول يك فيبر به علت اتلاف زياد ساختار ناپيوسته يك كاوFP مشكل مي باشد. بررسي و تحليل مفصل به وسيله Measures, Udd ارائه شده است.

3- تحليل مباني حسگرهاي گراستيك براگ فيبر لحاظ شده
1-3- مباني FBGS
چون FBG داراي مزيت هاي زيادي بر دو گروه ديگر است و اطمينان زيادي را مي‌دهد، ما در اين بخش بر روي FBG متمركز خواهيم شد. FBG به وسيله مدولاسيون شاخص شكست هسته در يك فيبر نوري تك حالتي توليد مي شود كه به طور كامل در فصول 8و9  توضيح داده شده است. فرض كنيد تغيير در دوره مدولاسيون شاخص مستقل از وضعيت پلاريزاسيون نور بازرسي شده باشد و فقط به كشش محوري فيبر بستگي داشته باشد، اختلاف طول موج براگ در معادله (15-9) نتيجه مي دهد:
                  (1-10)
كه در آن   كشش محوري كل فيبر نوري است. به طور كلي  داراي مقادير مختلف در جهت هاي پلاريزاسيون هستند. زيرنويس I=1,2,3 دلالت بر مقادير  در جهت پلاريزه تعريف شده دارد. يك سيستم كوئوردينانس كارتزين محلي به كار رفته است: با  1،2،3 كه به ترتيب بيانگر سه جهت اصلي هستند. معادله (1-10) را مي توان به اين صورت بازنويس كرد.
                  (2-10)
براي كشش زيرنويس (j=1,2,3,4,5,6,…) به كار رفته است. سه عدد اول بيانگر كشش‌هاي نرمال در به ترتيب مهارت اول (محورهاي فيبر)، دوم و سوم مي باشند. كشش  يك فيبر نوري مي تواند با مشاركت يا انبساط گرمايي يا تنش باشد. بنابراين علامت   براي كشش فيبرنوري القا شده فقط به وسيله تنش به كار رفته است. شاخص شكستn هم با درجه حرارتT و هم كشش   مرتبط است، بنابراين:
                  (3-10)
برطبق نظريه كشش نوري                                  (4-10)
كه در آن Pij برابر است با ماتريس ضريب كشش- نور براي يك واسط ايزوتروبيك همگن داريم:
Pij=…………….                                       (5-10)
كه در آن P44=(P11-P12)/2
براي يك واسط ايزوتروپيك همگن مي توان فرض كرد كه شاخص شكستn داراي يك رابطه خطي6 درجه حرارتT است:                            (6-10)
كه در آن   ثابت نوري- گرمايي است.
به علت اينكه نورها امواج متقاطع هستند، فقط انحرافات متقاطع (جهات2و3) از شاخص شكست مي تواند باعث تغيير طول موج براگ شود- با جايگزين كردن معادله هاي (4-10) و (5-10)و (6-10) در معادله (3-10) تغييرات طول موج پيك براي نور پلاريزه خطي در جهات دوم و سوم به صورت زير درمي آيد:
و                                              (7-10)
      (8-10)
در بسياري از موارد تغيير طول موج براي حسگر براگ براي هر حالت ايگن پلاريزاسيون فيبرنوري به هر سه جزء كشش اصلي درون فيبر نوري بستگي دارد. سركيس و هاسلاچ مدل بوتر و هاكرا توسعه دادند و نشان داده اند كه نتايج آنها به نتايج مشاهده شده در آزمايش هاي بارگيري متقاطع باري حسگر فيبر نوري اينتر فرومتريك نزديك است.
مورد كلي در بخش 2-4-10 مورد بحث قرار خواهد گرفت. در اينجا ما فقط در مورد مسئله تقارن محوري بحث خواهيم كرد كه در آن  . اگر فيبر نوري يك ماده ايزوتروپيك گرمايي با ضريب توسعه ثابت  باشد، در اين صورت   (j=1,2,3) معادله هاي (7-10) و (8-10) را مي توان به همان شكل نوشت:
(9-10)
كه در آن                                         (10-10)
و                                             (11-10)
f به صورت فاكتور حساسيت و   به عنوان ثابت نوري- گرمايي اصلاح شده تعريف شده است.
2-3- عامل حساسيت
زماني كه تغيير دما به قدري كوچك باشد كه از اثر آن بتوان صرف نظر كرد FBG را مي‌توان به عنوان يك حسگر كشش در نظر گرفت. بگذاريد   را به عنوان نسبت مؤثر پايسون (EPR) فيبر نوري تعريف كنيم. از معادله (11-10) واضح است كه عامل حساسيتf يك ثابت نيست بلكه تابعي ازV* مي باشد.
شكل 3-10 يك منحني نوعي از عامل حساسيت را به صورت تابعي از نسبت مؤثر پايسون نشان مي دهد كه با استفاده از پارامترهاي مواد فيبرنوري ارائه شده در جدول (1-10) محاسبه شده است. موارد زير را در نظر بگيريد.
1- 17/0=V* و 798/0=f به معني آن است كه EPR برابر است با نسبت پايسون ماده فيبر و شرايط فرض بوتر و هاكر را برآورده مي سازد. مقدار فاكتور حساسيت 798/0=f به وسيله بسياري از توليد كنندگان FBGS توصيه شده است.
2- 1- =V* و 344/0=f به معني آن است كه كشش ها در سه جهت اصلي فيبر برابر هستند. كه با مورد تنش يكنواخت ايستا يا حالت توسعه گرمايي مطابقت دارد.
3- 0/0=V* و 732/0=f به معني آن است كه هيچ تغيير شكل متقاطعي وجود ندارد.
بنابراين اگر از يك FBGS به عنوان حسگر مشمول استفاده شود، انجام يك تصحيح عامل حساسيت با توجه به كشش اصلي متقاطع ضروري است. در غير اين صورت، فقط زماني كه كشش اصلي متقاطع فيبر نوري به ميدان كشش ميزبان حساس نباشد مي توان فاكتور حساسيت را ثابت در نظر گرفت.
اگر يك FBGS تنها در معرض يك تغيير دمايي باشد، در اين صورت:
 
كه در آن  ضريب توسعه ايزوترمال فيبر نوري است. با جايگزين كردن رابطه بالا در معادله (9-10) ما مي توانيم روابط زير را استنتاج كنيم:        
معمولاً   بيش از ده برابر بزرگتر از   است (براي سيليكا   ).
بنابراين تأثير از توسعه گرمايي روي نتيجه اندازه گيري براي يك چنين FBGS تنها مي‌توان صرف نظر كرد.