بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش با هدف ساخت حسگر اندازهگیری سطح مایعات و دما با استفاده از تداخلسنج ماخ-زندر فیبرنوری میباشد. این حسگر از دو ساختار متناوب میکرونی بر روی فیبر نوری تک مد ایجاد میشود. ایجاد ساختار در فیبر، عامل تزویج توان نوری به غلاف و در نهایت تداخل بین مد هسته و غلاف میباشد. نحوه انتشار مدهای غلاف به محیط اطراف فیبر وابسته است بنابراین تغییر عوامل محیطی بصورت جابهجایی طولموجی طیف قابل مشاهده است.
در اندازهگیری، با افزایش سطح مایع جابه-جایی طیف خروجی از حسگر با حساسیت- 0/519 nm/mm به سمت طولموجهای کوتاهتر است و توان خروجی حسگر با حساسیت1/186 nm/mm افزایش می-یابد. از طرفی با قراردادن کامل ساختار تداخلسنج در داخل آب تغییرات طیف خروجی حسگر به ازای افزایش دما اندازهگیری شد و مقدار حساسیت دمایی ˚c0/059nmبدست آمد که در مقایسه با دیگر حسگرها از دقت بالایی برخوردار است.
مقدمه
حسگرهای فیبرنوری برپایه تداخلسنج ماخ-زندر بطور گسترده برای کاربردهایی چون اندازهگیری دما، کشش، خمش، ضریب شکست، میدان مغناطیسی و سطح مایعات و … مورد استفاده قرار میگیرند.[1] اغلب تداخلسنجهای ماخ-زندر فیبرنوری از دو کوپلر مجزا ساخته میشوند اما در سالهای اخیر تداخلسنجهای فیبرنوری با ایجاد تغییر در ساختار - هسته-غلاف - شکل میگیرند که دارای مزیتهایی چون حساسیت بالا و ساختار فشرده هستند.
[2] شکل حجیم شده این تداخلسنجها در مقایسه با شکل نازک شده آن، از مقاومت بالاتری برخوردار هستند و نسبت به فیبرهای خاص چون فیبرهای براگ، فیبرهای شبکهای با تناوب بلند، فیبرهای با هسته نازک و … ارزانتر بوده و ساخت سادهتری دارند.[3] درکاربردهایی مانند سیستمهای ذخیرهسازی سوخت و فرآیندهای بیوشیمیایی در صنعت، که باید سطح مایع در هر بازه زمانی قابل کنترل باشد، اندازهگیری سطح مایعات از اهمیت خاصی برخوردار است.
اغلب سنسورهای متعارف اندازهگیری سطح مایعات، بر پایه روشهای الکتریکی و مکانیکی است در حالیکه استفاده از فیبرهای نوری به عنوان سنسور اندازهگیری سطح مایعات به علت حساسیت بالا، مصونیت الکترومغناطیسی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دماهای نه چندان بالا و قابلیت اندازهگیری مواد سمی و اشتعالزا انتخاب مناسبی بهشمار میآید .[4] نینگ و همکاران یک ساختار تداخلسنج ماخ-زندر را بر پایه فیبرحجیم شده برای اندازهگیری سطح آب ارائه کردند. اندازهگیری انجامشده نشان داد تغییرات سطح آب بصورت جابهجایی خطی در طیف خروجی فیبر است.[3]
فیبرهاینوری حساسیت دمایی پایینی دارند در حالیکه شکل تداخلسنج آنها به تغییرات دمایی بسیار حساس هستند. از طرفی حسگرهای فیبرنوری قابلیت اندازهگیری دماهای بالا را دارند. گوین و همکاران ساختار تداخلسنج ماخ- زندر با قراردادن فیبر تکمد بین دو فیبر چند مد را معرفی کردند که این حسگر قابلیت اندازهگیری دما تا 900 c با حساسیت 0,088nm/ c را دارد× .]5[ در این پژوهش تداخلسنج ماخ-زندر برپایه میکروساختار حجیم شده به عنوان حسگر اندازهگیری سطح مایعات و دما معرفی شده است.
به ازای تغییرات در سطح آب، طیف خروجی از حسگر به سمت طولموجهای کوتاهتر جابهجا میشود همچنین در توان خروجی از فیبر یک افزایش خطی مشاهده میشود. حساسیت این سنسور نسبت به طولموج -0,519nm/mm و برای توان 1,186nw/mm محاسبه شدهاست. یکی از مزیتهای این حسگر، اندازهگیری محدوده وسیعی از تغییرات در سطح مایعات با حساسیتهای مختلف است که با تغییر طول تداخلسنج قابل کنترل میباشد .[3] همچنین با افزایش دما پاسخ دمایی این ساختار بررسی شد. مشاهده میشود که جابهجایی طولموج طیف خروجی حسگر، با حساسیت 0/059nm/ c به سمت طول موجهای بزرگتر است.
تئوری
تداخلسنج ماخ زندر از دو ساختار میکرونی متناوب در فیبر نوری تک مد تشکیل شدهاست. وقتی که نور ورودی به فیبر به ساختار اول میرسد قسمتی از مد اصلی هسته به مدهای غلاف تزویج میشود و موجب برانگیختگی مدهای مرتبه بالاتر غلاف میشود. این دو باریکه نوری بعد از طی مسافتی به طول تداخلسنج - فاصله بین دوساختار - به ساختار دوم میرسند و به علت ثابتهای انتشار متفاوت با هم برهمنهی داشته و طرح تداخلی ایجاد میشود.
عاملی که فیبرنوری را به یک حسگر فیبرنوری تغییر ماهیت میدهد مدهای غلاف است. مدهای غلاف امواج میرا شونده هستند که از محیط اطراف خود و تغییرات آن تأثیر زیادی میپذیرند. با تغییر محیط اطراف فیبر، مانند تغییر در ضریب شکست و تغییرات دمایی ضریب شکست مؤثر برای هر مد متفاوت است بنابراین اثرات هر عاملی که اختلاف راه نوری را تغییر دهد در طیف تداخلی مشاهده خواهد شد.
در این رابطه × neffco× ،neffclad به ترتیب ضریب شکست موثر هسته و غلاف است و L طول تداخلسنج و طولموج نور میباشد. باتوجه به رابطه - - 2 هر تغییر که منجر به تغییرات ضریب شکست مؤثر هسته یا غلاف شود شکل طیف خروجی را تغییر خواهد داد. همچنین پارامتر طول تداخلسنج نیز از عواملی است که بر طرح تداخلی تاثیرگذار است. در صورتیکه تداخلسنج به عنوان حسگر اندازهگیری سطح مایعات مورد استفاده قرار گیرد میزان تغییر در ارتفاع آب ضریب شکست مؤثر را تغییر میدهد.
کار تجربی و نتایج
در شکل - 1 - ساختار تداخل سنج ماخ-زندر با ساختار حجیم شده میکرونی نشان داده شده است. ایجاد ساختار در فیبرنوری تک مد با دستگاه فیوژن - - fujikura موجود در کارخانه فیبرنوری رفسنجان انجام شد. طول هر یک از ساختارها برای حسگر اندازهگیری سطح مایعات به ترتیب 379 و347 میکرومتر و قطر آنها 204 و 216 میکرومتر میباشد. فاصله بین این دو ساختار 35 میلیمتر است. چیدمان آزمایش در شکل - - 2 نشان داده شده است که در آن حسگر فیبرنوری توسط دو نگهدارنده دریک راستا کاملاً ثابت نگهداشتهمیشود و بصورت عمودی در یک ظرف که ارتفاع آب در آن تغییر میکند، قرار
میگیرد.
منبع نوری استفاده شده در این آزمایش تقویتکننده فیبر آلاییده به اربیوم است که توسط یک لیزر 980 نانومتر پمپ میشود در نتیجه یک گسیل خودبهخود تقویت شده در بازه 1510-1580 نانومتر ایجاد میکند. از دستگاه آنالیز طیف نوری - مدل - EXFO برای اندازهگیری طیف خروجی فیبر استفاده شدهاست. با افزایش سطح آب به میزان 8mm طیف خروجی از حسگر در هر مرحله اندازهگیری میشود. تغییر ارتفاع آب قبل از رسیدن به ساختار اول شروع شده و تا بعد از ساختار دوم ادامه مییابد.
مطابق شکل - 3 - قبل از رسیدن به ساختار اول و بعد از ساختار دوم هیچ تغییری در طیف خروجی مشاهده نمیشود - عدد صفر موقعیت آب را منطبق بر ساختار اول نشان میدهد - بنابراین حساسیت تنها در ناحیه بین دو ساختار است. در محدوده طول تداخلسنج، فیبر به عنوان حسگر عمل میکند بطوریکه با تغییر ارتفاع آب طیف به سمت طول موجهای کوتاهتر به صورت خطی جا بهجا میشود - شکل -4الف - همچنین با افزایش ارتفاع آب توان نیز افزایش خطی دارد - شکل-4ب - . محدوده اندازهگیری سطح آب را میتوان با تغییر طول تداخلسنج گسترش داد.
