بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
سنسورهاي اندازه گیري جابه جایی فیبر نوري برپایه میکروالکترومکانیک در اندازه گیري میزان جابجایی در هنگام تغییرات در ستون هاي یک ساختمان
چکیده
بطور کلی این مقاله اصول عملکرد و ساختار یک سنسور اندازه گیري جابجایی فیبر نوري را نشان می دهد. در سال هاي اخیر حسگرهاي الکترو نوري توسعه وکاربرد زیادي پیدا کرده اند. در برخی موارد که شرایط کاري، محدودیتهاي جدي اعمال می کند، نظیر اندازه گیریها در کارخانجات مواد محترقه، در محیطهاي با رادیو اکتیویته بالا، در محیطهاي با ولتاژ یا جریان زیاد، شرایط ایمنی ایجاب می کند که بجاي سنسورهاي معمولی فقط از سنسورهاي فیبر نوري استفاده شود. از عملکردهاي این سنسور می توان به کاربردهاي نظامی و پزشکی اشاره کرد. با استفاده از حسگرهاي فیبر نوري که به علت سبکی، دارا بودن قطر و حجم کم، دي الکتریک بودن و در نتیجه مصونیت در مقابل القا و امواج الکترومغناطیسی، قابلیت اطمینان بالا و نیز قابلیت ارسال اطلاعات در حجم زیاد و با افت فوق العاده ناچیز داراي کاربرد زیادي هستند. بر همین اساس قصد داریم سنسور اندازه گیري جابجایی فیبر نوري جدیدي که مبتنی بر تکنولوژي میکروالکترومکانیکی می باشد را که هم دقت اندازه گیري بالا و هم بعلت استفاده از این تکنولوژي قابلیت تغییر ابعاد وجود دارد را براي این نوع حسگرها، مورد آنالیز قرار دهیم.
کلمات کلیدي: FODS ,Displacement ,Core, correlation,Clad
مقدمه
فیبر نوري مبتنی بر فن آوري سنسور که امکان توسعه انواع سنسورهاي فیزیکی براي طیف گسترده اي از پارامترهاي فیزیکی را ارائه می دهد.نسبت به مبدل معمولی، سنسورهاي فیبر نوري اجراي بسیار بالایی در پاسخ به بسیاري از پارامترهاي فیزیکی مانند جابجایی، فشار، درجه حرارت و میدان الکتریکی نشان می دهند.مزایاي ذاتی فیبر نوري مانند سادگی، اندازه کوچک، تحرك، قابلیت فرکانسی گسترده و حد تشخیص بدون تماس است.اساس سنسورهاي فیبر نوري در سال 2004توسط Nalwa که متغییر با پارامترهاي فیزیکی بود مورد بررسی قرار گرفت.یکی از روشهاي مهم و جالب اندازه گیري جابجایی در روش تداخل است که توسطBergamin و همکاران اش در سال1993مورد بررسی قرار گرفت. اخیرا سنسورهاي اندازه گیري جابجایی با دقت بالا که اهمیت بسیار بالایی در کاربردهاي صنعتی و پزشکی دارند که شامل مهندسی معکوس و قطعات میکرو می باشند توسط Laurenceدر سال 1998 ارائه شده است.
بیشتر سنسور هاي اندازه گیري جابجایی با اندازهگیریشدت نورصورت میگیرندکه در سال2006 توسط BuchadeوShaligramطراحی و ارائه شد که در FODSدو فیبر به صورت مورب با زاویه گوشه اي یکسان استفاده شده است.استفاده از سنسور با فیبر مالتی مد در سال 2009،2010توسط Yasinو در سال 1994توسط Murphyمعرفی شد1]،.[2
اندازه گیري ناهمواري هاي ریز سطوح به دلیل کاربردهاي مختلف آن از اهمیت ویژه اي برخوردار است.ناصافی(زبري)سطوح در مواردي نظیر قطعات اپتیکی،قطعات با استفاده از ( AFM (Atomic Force Microscope و یا همچنین میکروسکوپ STM(Scannig Tunnel Microscopy) نیز جهت اندازه گیري دقیق ناصافی سطوح استفاده شده است.حال به بررسی انواع سنسور ها اندازه گیري جابجایی فیبر نوري می پردازیم و سپس طریقه عملکرد این سنسور ها را نشان می دهیم.3]،[4
-2 سنسور جابجایی
جابجایی به معنی تغییر موقعیت است.سنسورهاي جابجایی به دو نوع افزایشیو مطلقتقسیم می شوند. سنسورهاي افزایشی میزان تغییر بین موقعیت فعلی و قبلی را مشخص می کنند.چنانچه اطلاعات مربوط به موقعیت فعلی از دست برود،مثلا منبع تغذیه دستگاه قطع بشود، سیستم باید به مبدا خود منتقل شود.در نوع مطلق موقعیت فعلی بدون نیاز به اطلاعات مربوط به موقعیت قبلی بدست می آید.نوع مطلق نیازي به انتقال به مرجع خود را ندارد.معمولا سنسورهاي جابجایی مطلق را سنسورهاي موقعیتمی نامند.
-3سنسورهاي اندازه گیري جابه جایی فیبر نوري با تکنیک :beam-through
عملکرد این سنسور در جابجایی جانبی و محوري مورد بررسی قرار می گیرد.در حسگر، نور از طریق یک فیبر انتقال به فیبر دریافت منتقل شده و سپس نوردریافتی با آشکارساز سیلیکونی اندازه گیري میشود.این سنسور متشکل از دو مجموعه اي از فیبر، یک مجموعه که به یک منبع نور متصل است و به عنوان فیبر انتقال نامیده می شوند ومجموعه اي دیگر به یک آشکارساز سیلیکونی متصل شده و به عنوان فیبر دریافت شناخته ي شوند.
فیبر انتقال مخالف به فیبر دریافت واقع است که براي نقل مکان جانبی و محوري می باشد.نور پس از خروج از فیبر انتقالی پراکنده شده و فیبر دریافتی بخشی از نور پراکنده را براي انتقال به آشکارساز سیلیکونی که شدت آن را اندازه گیري کند˓جمع آوري میکند. شدت نور جمع آوري شده یک تابع ازجابجایی محوري و جانبی از فیبر است.الگوي شدت از طریق نظریه تجزیه تحلیلvan Etten, van der Plaats پیروي میکند و خروجی انتقالی از تابع زیر محاسبه می شود.
پرتواز طریق سنسور داراي دو دامنه متقارن وحساسیت بالاتر در قطر هسته کوچکتر است. هرچه شعاع هسته فیبر دریافتی افزایش یابد رنج خطی بودن هم افزایش می یابد.در حالی که ولتاژ در جابه جایی جانبی کوچک در این سنسور ها تغییري نمیکند بخاطر بزرگ بودن هسته فیبر دریافتی در حالی که کل انشعاب پرتوها را از فیبر انتقالی پوشش میدهد.عملکرد سنسور با جابه جایی جانبی در جدول((1به صورت خلاصه نشان داده شده است.5]،[7
جدول((1عملکردي از سنسور جابجایی جانبی
در این آزمایش،سطح پایانی فیبر انتقالی از نوك فیبر دریافتی با حفظ حرکت عمودي بین آنها به فاصله دور از آن حرکت می دهیم.و باز بیشترین ولتاژ را در جابه جایی صفر داشتیم و هرچه محور جابه جایی افزایش می یابد ولتاژ خروجی کاهش می یابد.ولتاژ خروجی از تابع زیر تبعیت میکند:
عملکرد سنسور با جابجایی محوري در جدول(2) نشان داده شده است:
جدول(2)عملکردي از سنسورجابجایی محوري
-4مشخصات این سنسورها
این سنسور باعث می شود تا تابع خروجی یک تابع بدون بعد بوده و وابستگی تابع خروجی سنسور جابجایی فیبر نوریبه زاویه واگرایی و شعاع هسته فیبر رفع شود و هرچه قدر مقدار نرخ یا ناحیه شعاع هسته((k افزایش میابد ماکزیمم فاصله خروجی به سمت راست انتقال داده می شود.می توان گفت هر چقدر مقدار ناحیه شعاع هسته بزرگتر می شود ناحیه خطی بزرگتر می شود این پدیده می تواند بعلت استفاده از دو فیبر با شعاع هسته مشخص باشد.در تغییر مکان یکسان جزئی از ناحیه همپوشانی در هسته فیبر دریافتی بوسیله نور بازتابی(درصدي از ناحیه پوشانده شده در هسته فیبر دریافتی) در این نوع سنسورها((CRR متفاوت می باشد.در سنسورهاي جابه جایی براي ناحیه شعاع هسته بزرگ نیاز به تغییر مکان اضافی داریم تا به ماکزیمم ناحیه همپوشانی برسیم.برخلاف آن حساسیت این سنسورها کاهش می یابد همانگونه که((CRR افزایش می یابد.[6]
-5 سنسور پیشنهادي طراحی شده
می توان یک سنسور اندازه گیري جابجایی را بصورت شکل زیر مدل سازي کرد.
شکل((1-3) طرح کلی یک سنسور جابجایی
همانطور که مشاهده میشود نور از یک منبع نور لیزري به تقسیم کننده نور تابانده می شود تا با زاویه نود درجه به سطح مورد نظر تابانده شودو براي مشاهده خروجی از یک آشکار سازي نوري استفاده میکنیم.می توان از یک بیم به عنوان یک سطح در حال تغییر استفاده کرد که با تاباندن نور به این بیم در هر تابش زاویه و یا شدت نور بازتابانده شده متفاوت خواهد بود که با اندازه گیري این مقدار و مقایسه آن با مقدار ورودي مقدار جابجایی بدست می آید.
شکل بالا طرحی می باشد که می توان از یک سنسور جابجایی داشت همانطور که مشخص می باشد براي انتقال نور از هیچ موج بري استفاده نشده است که ما می توانیم براي انتقال و دریافت نور از فیبر استفاده کنیم تا نور مسیر مشخصی را براي رسیدن به هدف و یا آشکار ساز طی کند.
