بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله حسگر فیبر نوری پلیمری بر اساس تداخل سنج فابری پرو ارائه شده است. حساسیت بالای دمایی، ساخت آسان، اندازهی کوچک و محکم بودن از مزایای این حسگر میباشد. ساختار اصلی این حسگر یک استوانه از جنس PDMS است که سر فیبر نوری تک مد قرار گرفته و درون این استوانه یک گاف هوا به طول تقریبی 200 میکرومتر ایجاد شده است. با استفاده از تبدیل فوریه و تفکیک فرکانس فضایی مربوط به کاواک، حساسیت دمایی حسگر برابر با 15 nm/ °C به دست آمد.
-1 مقدمه
مبحث حسگرهای فیبر نوری از حدود نیم قرن پیش شروع شده است و به خاطر مزایای زیاد آن از جمله اندازه کوچک و فشرده، دقت بالا و مصونیت از امواج الکترومغناطیسی، با سرعت بالایی در حال گسترش می-باشد.این حسگرها به کمک انواع ساختارهای انبوه و جدید، پتانسیل زیادی برای تقویت حساسیت دارند. در این میان گروه حسگرهای فابری پرو به خصوص انواع پلیمری آن حساسیت بالایی در حوزهی تغییرات دمایی از خود نشان داده اند.
این امر به جهت خواص این مواد و به طور خاص PDMS در مقابل مادهی سیلیکا و هوا میباشد. به طور مثال حسگر LPG لایهنشانی شده با PDMS دارای حساسیت 250pm/C است که 5 برابر بیشتر از LPG معمولی میباشد. همچنین حسگر توری براگ لایه نشانی شده با این ماده نیز 4,2 برابر بیشتر از توری معمولی میباشد.به عنوان نمونهای دیگر حسگر نازکشدهی خمیده که در قالب PDMSی محدود شده است دارای حساسیت -6.25 nm/C میباشد و شکل S آن دارای حساسیت -2.17 nm/C است.همچنین حسگر پلیمری با کاواک میکرو کره هوا دارای حساسیت بالای 5.013nm/C است.
در این مقاله حسگری با ساختار استوانهای از جنس پلیدیمتیلسیلوکسان ارائه شده است. این حسگر دارای یک کاواک هوا درون خود میباشد و اساس کارکرد آن بر پایهی فابریپرو است.
-2 تئوری حسگر
حسگر تار نوری ارائه شده در تصویر شکل 1 نشان داده شده است. پرتوهای نور از گاف هوای موجود بین تار نوری و PDMS بازتاب شده و داخل فیبر نوری تزویج می شوند. همانطور که در شکل نشان داده شده است حسگر دارای دو سطح مرزی میباشد که عبارتند از سطح مشترک فیبر و هوا و سطح مرزی بین هوا و محیط پلیمری.
شکل :1 شماتیک حسگر استوانهی پلیمری
هنگامیکه نور از منبع نوری به درون فیبر منتشر میشود، با برخورد به هریک از این سطوح بازتاب کرده و در نهایت پرتوهای بازتابی از سطوح، مجددا به درون فیبر تزویج شده و با یکدیگر تداخل میکنند. با توجه به معادلات فرنل، ضریب بازتاب دو سطح درگیر در حسگر به ترتیب برابر با 0,035 و 0,028 می باشند. به سبب همین کوچک بودن مقدار ضریب بازتابها، میتوان از بازتابهای مرتبه-های بالاتر چشمپوشی کرده و فقط دو پرتو بازتابی مرتبه اول را با یکدیگر جمع بست تا نتیجهی تداخل حاصل شود. در این حالت شدت تداخل نهایی برابر با رابطهی زیر خواهد بود:
در این رابطه، Ii ها شدتهای بازتابی از هر یک از سطوح میباشند. همچنین n، d و 0 به ترتیب نشاندهنده ضریب شکست، طول کاواک هوا و فاز اولیه است. هر تغییری در فاز تابع کسینوسی رابطه - 1 - میتواند طیف تداخلی حسگر را جابهجا کند. تغییرات دمای محیط پیرامون حسگر، به دو طریق منجر به تغییرات فاز میشود؛ یکی از طریق تغییر ضریب شکست و دیگری تغییر طول کاواک. هریک از عوامل فوق بسته به میزان ضریب ترمو-اپتیک و ضریب انبساط گرمایی محیط های درگیر در حسگر میتواند تاثیر متفاوتی در جابجایی طیف و درنتیجه حساسیت حسگر داشته باشد.
با توجه به جمله ی تداخلی رابطهی - 1 - ، تغییرات فاز به ازای تغییرات دمایی به صورت زیر خواهد بود:
عبارت اول در معادله - 2 - مربوط به ضریب ترمو-اپتیک و عبارت دوم مربوط به ضریب انبساط گرمایی محیطهای درگیر در حسگر میباشد. از آنجا که ضریب انبساط گرمایی PDMS در مقایسه با سایر مواد از جمله سیلیکا بزرگ میباشد - در حدود - 0,0002 œC-1، به همین سبب حسگر فوق حساسیت دمایی بالایی از خود نشان میدهد.
-3 ساخت حسگر
در ساختار حسگر فیبر نوری ارائه شده در این مقاله، پلیدیمتیلسیلوکسان - - PDMS نقش اصلی را ایفا میکند. برای ساخت این حسگر ابتدا مواد سفتکننده و پایه Sylgard 184 - Silicone elastomer به نسبت 1:10 با یکدیگر ترکیب شده و قالب استوانه ای به شعاع 3میلیمتر با آن پر شد. سپس فیبر نوری که سر آن صاف بریده شده به همراه سوزن جهت استحکام حسگر در مرکز استوانه و به ارتفاع مناسبی از کف قالب قرار گرفت. سپس قالب به مدت 90 دقیقه درون فر در دمای 90 درجه سانتیگراد قرار گرفت تا PDMS سفت شده و به حالت جامد درآید.
در ادامه، حسگر استوانهای از قالب جدا شده و با عقب کشیدن فیبر، گاف هوایی با طول مناسب درون آن ایجاد میشود. در نهایت فیبر نوری را به انتهای سوزن چسبانده تا فیبر در جای خود ثابت شود. طیف نهایی حسگر پلیمری ساخته شده در شکل - 2 - نشان داده شده است. طول کاواک هوا در این حسگر 200 میکرومتر میباشد - با استفاده از روش تبدیل فوریه - .
شکل :2 طیف تداخلی بازتابی حسگر پلیمری
-4 تحلیل طیف حسگر در پاسخ دمایی
به منظور تحلیل پاسخ حسگر در مقابل تغییرات دمایی، ابتدا از طیف تداخلی تبدیل فوریه گرفته میشود. در ادامه، با استفاده از فیلتر میان گذر، نمودار مربوط به کاواک هوای این حسگر از طیف مدوله شدهی شکل - 2 - استخراج میشود که حاصل آن در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل :3 طیف فیلتر شده مربوط به کاواک هوا
پس از فیلترکردن کاواک هوا، شیفت طول موجی نمودار مربوطه را در اثر تغییرات دمایی در بازهی 30 درجه الی 40 درجهی سانتی گراد بررسی میکنیم. در نهایت، با دنبال کردن یکی از اکسترممهای طول موجی، نتایج تحلیل طیف در نمودار شکل زیر ارائه شده است.
پس از اتمام فرآیند ساخت، حسگر مربوطه تحت آزمایش دمایی قرار گرفت. برای این منظور از لیزر پهنباند استفاده شده است؛ نور فرودی پس از بازتاب از مرزهای درون حسگر و تداخل با یکدیگر، در نهایت درون فیبر تزویج شده و توسط طیف سنج مشاهده شده است.
شکل :4 جابجایی اکسترمم طول موجی بر اثر تغییرات دمایی برای کاواک هوای حسگر
