بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
سنسورهاي فيبر نوري
چکيده
تکنولوژي سنسور فيبر نوري امکان حس کردن انواع پارامترها از جمله کرنش ، دما و فشار در محيط هاي ناملايم و مکانهاي پرت و دوردست را ميسر نموده است . اين نوع سنسورها برخي از مشخصه هاي موج نور در فيبرهاي نوري مانند شدت و فاز يا استفاده از فيبر نوري به صورت محيط واسطه براي انتقال اطلاعات مربوط به اندازه گيري را تعديل مي نمايند. مزيت سنسورهاي فيبر نوري در مقايسه با سنسورهاي الکتريکي متداول باعث کاربرد بيشتر اين سنسورها در محيط هاي مختلف گرديده تا جائيکه در حال حاضر جز مولفه هاي اصلي در بهينه سازي فرآيندهاي صنعتي، سيستم هاي کنترل کيفيت ، تشخيص دارويي پيش گيري و کنترل ناهنجاري ها فرآيند کلي تلقي مي شوند. اين مقاله اي مختصري است درباره آشنايي بيشتر با تکنولوژي فيبر نوري و برخي کاربردهاي آن که باعث شده است اين شاخه از تکنولوژي نوري که هنوز در ابتداي راه است ، به رشته اي جذاب و جالب توجه تبديل گردد.
کليدواژه : سنسورهاي فيبر نوري ، سنسورهاي توزيعي، کاربرد سنسور، سنسور ترک
١- مقدمه
در طي دهه هاي گذشته به تبع رشد و پيشرفت حاصل در صنعت مخابرات فيبر نوري و اپتوالکترونيک ، محصولات زيادي دستخوش تغييرات فراواني شده اند.
در فرآيند توسعه فيبرهاي نوري، تحقيقات زيادي با محوريت طراحي مناسب فيبرها صورت گرفته است . يکي از تبعات اين تحقيقات ، ايجاد طرحي نو با هدف استفاده از فيبرهاي نوري در طراحي سيستمهاي حسگر بود که در نهايت باعث ايجاد مولفه ها و ابزارهاي حسگر مبتني بر فيبر نوري گرديد.
نياز به حجم بسيار بالاي فيبر در صنعت مخابرات هزينه مواد اوليه سنسورهاي فيبري را بسيار پائين آورده و منجر به افزايش چشمگير کارکرد فيبرها در طي چند سال اخير گرديده است [١]. در نتيجه، قابليت سنسورهاي فيبر نوري براي استفاده به جاي سنسورهاي مرسوم در اندازه گيري ميدان مغناطيسي و الکتريکي، روتاسيون ، شتاب ، موقعيت خطي و زاويه اي، لرزه ، اکوستيک ، فشار، دما، کرنش ، رطوبت ، گرانروي، اندازه گيري هاي شيميايي و بسياري ديگر از کاربردهاي سنسورها افزايش يافته است .
توجه فزاينده به حسگرهاي فيبري در نتيجه عواملي مانند اندازه کوچک ، وزن کم ، ايمني در برابر تداخل امواج الکترومغناطيسي (EMI)، ترکيبات منفعل (تمامي دي الکتريک ها)، عملکرد در دماي بالا، پهناي باند وسيع ، حساسيت بالا، سختي شرايط محيطي و قابليت حسگري توزيعي مي باشد [٢].
از فيبرهاي نوري به منظور حسگر در کنار يک وسيله سنسوري خاص يا يک فيبر به عنوان خود سنسور براي ايجاد نظارت مستمر تغييرات فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي در موردپژوهي ها يا مطالعات کنترلي استفاده مي شود. در سنسورهاي فيبر نوري، اطلاعات در ابتدا در تمامي سنسورهاي نوري با ايجاد تغيير در فاز، پلاريزاسيون ، فرکانس ، شدت يا احتمالا ترکيب انتقال داده مي شود. اما آشکارساز تصويري که نوعي وسيله نيمه هادي است ، تنها شدت نور را در سطح آشکارساز حس مي کند. بنابراين ، فن حسگري با پلاريزاسيون ، تعديل فرکانس يا فاز شامل مدارات نوري پردازنده سيگنال داراي انترفرومتري يا توري مي باشد [٣].
مي توان سيگنال هاي حاصل را نسبت به مکانهايي غير از محل سنسور از طريق سيستم انتقال سيگنال فيبر نوري مسافت سنجي کرد. در بخشهاي زير انواع اصلي سنسورهاي فيبر نوري توليد شده معرفي شده و در ادامه به بحث و بررسي نحوه استفاده از آنها خواهيم پرداخت .
١- سنسورهاي فيبر نوري
در سالهاي اخير، تکنولوژي و کاربردهاي فيبرهاي نوري پيشرفت بسيار سريع و چشم گيري داشته است .
فيبر نوري، به عنوان يک واسطه فيزيکي، همواره دستخوش تغييرات مختلفي گرديده است . بنابراين ، برحسب شدت تغييرات محيطي و آشفتگي هاي حاصل ، دچار تغييرات هندسي (اندازه ، شکل ) و اپتيکي (شاخص انکسار، تبديل مد) مي گردد.
در مخابرات براي حفظ اعتبار سيگنالهاي ارسالي و دريافتي سعي مي شود تا اين اثرات ناشي از تغييرات محيطي به حداقل ممکن برسد. از طرف ديگر، در حسگري فيبرهاي نوري واکنش نسبت به تغييرات بيروني عمداافزايش مي يابد تا تغيير حاصل در تشعشع نوري به عنوان ابزاري براي تعيين آشفتگي هاي بيروني به کار برده شود. در مخابرات ، انتقال سيگنال از طريق فيبر از قبل تعديل مي گردد، در حاليکه در دريافت سيگنال ، فيبر به صورت تعديل کننده (مدولاتور) عمل مي نمايد. از طرفي فيبر مي تواند بصورت مبدل عمل کرده و داده هاي اندازه گيري شده مانند دما، تنش ، کرنش ، روتاسيون يا جريان الکتريکي و مغناطيسي را به تغييرات حاصل در تشعشعات نوري تبديل نمايد. از آنجائيکه نور با پارامترهايي مانند شدت ، فاز، فرکانس و پلاريزاسيون تعيين مي گردد، يک يا چند مورد از اين پارامترها ممکن است دچار تغيير گردد. بنابراين مفيد واقع شدن سنسور فيبر نوري به شدت اين تغييرات و توانمندي ما در اندازه گيري و کميПت سنجي با همان ميزان دقت و اعتبار اوليه بستگي دارد.
از جمله مزاياي سنسورهاي فيبر نوري مي توان به عدم وابستگي آن به EMI، پهناي باند وسيع ، فشرده بودن ، قابليت تغيير هندسي و جنبه اقتصادي آنها اشاره کرد. در مجموع ، FOS در مقايسه با ساير انواع سنسورها، از حيث دارا بودن حساسيت بالا شناخته شده است . اين سنسورها در طبيعت به واسطه ساختار دي الکتريکي، منفعل هستند.
فيبرهايي که طراحي خاصي دارند مي توانند دماهاي بسيار بالا و شرايط محيطي سخت را تحمل کنند. در دورسنجي و ساير کاربردهايي که به منظور دريافت اطلاعات از دور دست انجام مي گيرد، استفاده از فيبر به عنوان گيج سنسور ميسر مي باشد.
همزمان با آن طول بلند همان فيبر يا يک فيبر ديگر مي تواند کار انتقال اطلاعات دريافتي به ايستگاه دوردست را انجام دهد. مي توان با آرايش هاي خاصي مناطق وسيع جغرافيايي و ساختارهاي بزرگ را تحت پوشش سنسورها قرار داد.
٣- طبقه بندي سنسورها
انواع مختلفي از سنسورهاي فيبر نوري وجود دارد که مي توان آنها را به صورت زير طبقه بندي کرد:
- بر مبناي فرآيند تعديل و تفکيک سنسور که بر حسب آن نام هاي سنسورشدت ، فاز، فرکانس يا پلاريزاسيون را به خود مي گيرد.از آنجائيکه شناسايي فاز يا فرکانس در اپتيک نيازمند تکنيکهاي تداخل سنج است ، لذا در اين موارد از عنوان سنسور تداخل سنج نيز استفاده مي شود.
- سنسورهاي فيبر نوري را مي توان بر مبناي نوع کارکرد آنها نيز طبقه بندي کرد: سنسورهاي فيزيکي (مانند اندازه گيري دما، تنش و غيره )؛ سنسورهاي شيميايي (مانند اندازه گيري ميزان pH، آناليز گاز، بررسي هاي طيف نمايي و غيره )؛ سنسورهاي بيومديکال (که از طريق سوند يا آندوسکوپها براي اندازه گيري جريان خون ، ميزان گلوکز و موارد ديگر در بدن کار گذاشته مي شود). هر دو نوع سنسور شدتي و تداخل سنج را مي توان جز يکي از مقوله هاي فوق نيز دسته بندي کرد [٤].
- سنسورهاي دروني و بروني يکي ديگر از انواع طبقه بندي سنسورهاست . در سنسورهاي بروني دريافت اطلاعات در محدوده اي خارج از فيبر صورت مي گيرد و فيبر ضرورتابه عنوان مجرايي براي انتقال عقب و جلوي نور به ناحيه دريافتي و به صورت مطلوب و موثر عمل مي نمايد. اما در سنسورهاي دروني يک يا چند خصوصيت فيزيکي فيبر دستخوش تغييراتي مي شود که در بخش فوق بدان اشاره کرديم .
- سنسورهاي فيبر نوري را مي توان با توجه به نقاط اندازه گيري آنها نيز تقسيم بندي کرد. سه نوع مهم از اين دسته سنسورها عبارتند از : سنسورهاي نقطه به نقطه، سنسورهاي مالتي پلکس و سنسورهاي توزيعي. در نوع نقطه به نقطه فقط يک نقطه اندازه گيري در انتهاي کابل اتصالي فيبر نوري قرار دارد که مشابه بسياري از سنسورهاي الکتريکي مي باشد. در سنسورهاي مالتي پلکس اندازه گيري در نقاط چندگانه به موازات يک خط فيبري صورت مي گيرد و در سنسورهاي توزيعي نيز دريافت اطلاعات در هر نقطه اي از خط فيبري مقدور است ، معمولااين نقاط در هر يک متر از مسافتهاي چندکيلومتري واقع مي شوند [٥].
هر کدام از اين طبقه بندي ها به نوبه خود داراي تقسيمات فرعي تري بوده و تقسيمات فرعي تر نيز انواع سنسورهاي فيبري را شامل مي شوند.در بخش هاي بعدي به بررسي مهمترين انواع سنسورها مي پردازيم .
٣-١- سنسورهاي دروني و بروني
در سنسورهاي دروني، مشخصه هاي خود فيبر به تنهايي مي تواند عملکرد يک محيط را به مدولاسيون باريکه نور عبورکننده از آن تبديل نمايد. اين مدولاسيون مي تواند در قالب فاز، شدت يا پولاريزاسيون باشد. عمل دريافت اطلاعات در سنسور فيبر نور دروني در درون خود فيبر اتفاق مي افتد. به واقع مي توان هر نوع اثر محيطي را به سيگنال نوري قابل ترجمه تبديل نمود.
يکي از کاربردهاي رايج اين نوع سنسور اين است که اثر محيطي را مي تواند توسط چندين رويکرد مختلف اندازه گيري نمايد.
نکته کليدي غالباطراحي سنسوري است که بتواند تنها اثر محيطي مورد نظر را دريافت نمايد.
برعکس ، در سنسورهاي بيروني، از فيبر تنها به عنوان حامل اطلاعات استفاده مي شود. اين فيبر به جعبه سياه اطلاعات فشرده در باريکه نوري که به سمت گيرنده راه دور تابيده مي شود منتهي مي گردد. جعبه سياه معمولاحاوي آينه، باتري مايع يا گازي، بازوي کنسولي(طره اي) يا چندين مکانيسم ديگر است که مي تواند باريکه نور را تعديل کرده يا تغيير دهد [١].
٣-١- سنسورهاي فيبر نوري
مدولاسيوني
اين نوع سنسورها شامل چهار دسته اند. در اين بخش به بررسي هر کدام از اين سنسورها خواهيم پرداخت .
٣-١-١- سنسورهاي فيبر نوري شدتي
از برخي جنبه ها نوع ساده سنسور فيبر نوري همان نوع بيروني است که بر مبناي مدولاسيون شدت کار مي کند. در شکل ١، يک سنسور لرزه اي يا ممانعتي نشان داده شده که از دو فيبر نوري نزديک به هم تشکيل شده است . نور به يکي از فيبرهاي نوري پاشيده مي شود؛ نور با خروج از اين فيبر به صورت مخروط نوري گسيل مي يابد، زاويه تابش نور به فاصله بستگي دارد [١].
شکل ١: از سنسورهاي فيبرنوري لرزه اي و ممانعتي مبتني بر روزنه عددي مي توان بورايندپاشزه تيبگايرنيي مايززنان شانلرگرزه هادي بدندستگاده يچها استفاده کرد
در مورد اين نوع سنسورها، شاخص نرمال سازي شده مدولاسيون (m) را مي توان به صورت زيرتعریف کرد:
در اينجا، I= تغيير در توان اپتيکي در اثر مدولاسيون ؛ I0= توان اپتيکي رسيده به آشکارساز بدون استفاده از مدولاسيون ؛ و P= آشفتگي مي باشد [١].
سنسورهاي فيبر نوري شدت يک سري محدوديت هايي دارند که به واسطه افت متغير در سيستم روي مي دهد و به اثر محيطي مورد نظر بستگي ندارد. منابع احتمالي وقوع اين خطا عبارت است از افت متغير در نتيجه رابط ها و اتصال ها، افت ميکروخمش ، افت ماکروخمش و خزش مکانيکي و ناميزاني منابع نوري و آشکارسازها. براي جلوگيري از اين مسائل ، در بسياري از سنسورهاي فيبري شدت با کارکرد بسيار عالي روش طول موج دوگانه به خوبي جواب مي دهد. يکي از طول موجها براي درجه بندي تمامي خطاهاي ناشي از وارياسيون شدت نامطلوب با عبور از منطقه دريافتي مورد استفاده قرار مي گيرد [٥].
مکانيسم هاي انتقالي بسياري وجود دارد که مي تواند در حين عبور نور از درون فيبر نوري منجر به تغيير شدت نور شود بنابراين سنسورهاي فيبرنوري شدت در اين موارد قابليت استفاده دارند. اين مکانيسمها عبارتند از: افت خمش ميکرو، شکستگي، جفت شدگي فيبر به فيبر، پوشش اصلاح شده ، بازتابندگي(قابليت انعکاس )، جذب ، تضعيف ، پراکندگي مولکولي، اثرات مولکولي، ميدانهاي ناپايدار [٦].
• سنسورهاي فيبر نوري شدت مبتني بر خمش ميکرو
پر واضح است که با خمش فيبر، در اثر خمش ، افت بوجود مي آيد.
خمش محلي، خمش ميکرو ناميده مي شود. بنابراين شدت نور حاصل با ميزان خمش ميکرو ارتباط مي يابد.
از اين رو با شناسايي تغييرات حاصل در نور خر جي مي توان ي ز ن خمش ميکرو را اندازه گيري کرده و از سنسور فيبر نوري استفاده نمود .[3]
شکل ٢: سنسور ميکروخمشي ساده
علاوه بر اندازه گيري جابجايي، فچشناديرن ، نپايرروامتورمدوقيعگريت مانرنادنيکزرنمش ي توان بصورت مکانيکي با جابجايي اين وسيله داراي انتهاي ميکرو جفت شده و توسط سنسور فيبر نوري اندازه گيري کرد. يکي از مزيت هاي کعم مده هزفيينهبربوندون رياسحساس وبههرمگش امه کدرو کبهنارکاروش ودبازميتاب توسانندج دمنامطنقههوزسمياعن نرقاطهتحت ضعف پواشين ش دنروآع ردف.يبراصهاليي تنوريرن حساس به خمش ميکرو اين است که دقت کلي نسبتاپائيني دارند.
• سنسورهاي فيبر نوري شدت مبتني بر انعکاس
شکل ٣ طرح کلي سنسور فيبر نوري مبتني بر انعکاس را نشان مي دهد.
در اين سنسور، نور در فيبر از سمت چپ به راست عبور کرده ، از انتهاي فيبر خارج شده و به بازتابنده سيار برخورد مي کند. اگر بازتابنده ها به فيبر نزديک تر شوند بخش اعظمي از نور دوباره به داخل فيبر منعکس شده و به اين ترتيب سيگنال نور پر شدتي شناسايي مي گردد. اما اگر بازتابنده ها در فاصله دورتري از انتهاي فيبر واقع شوند، نور کمتري به فيبر بازتابانده شده و سيگنال ضعيفي شناسايي مي گردد. بنابراين ، از رابطه همسو بين فيبر- بازتابنده و شدت نور بازتابانده شده مي توان براي اندازه گيري فاصله جابجايي استفاده کرد. براي جلوگيري از تأثيرگذاري نوسانات شدت منبع نور، معمولايک سيگنال مرجع مناسب به اين نوع سنسورهاي فيبر نوري شدت افزوده مي گردد.
شکل ٣: سنسور فيبر نوري مبتني بر انعکاس
• سنسورهاي فيبر نوري شدت مبتني بر جفت شدگي موج ناپايدار
پديده موج ناپايدار زماني بوجود مي آيد که نور در فيبر نوري تک مدي منتشر شده و بصورت کامل به هسته فيبر نرسد بلکه بخشي از آن وارد منطقه پوشش شيشه اي اطراف گردد. آن بخشي از موج نور که وارد منطقه شيشه اي اطراف گرديده ، موج ناپايدار ناميده مي شود. از اين پديده در ساختن يکي از پرکاربردترين قطعات فيبر نوري که نوعي جفت کننده مسيري است استفاده مي کنند. شدت جفت شدگي بين دو فيبر معمولاتابعي از مسافت بين هسته دو فيبر مي باشد. هر چه اين فاصله کمتر باشد، شدت جفت شدگي هم بيشتر است . در شکل ٤ يک نمونه سنسور فيبر نوري مبتني بر پديده جفت شدگي موج ناپايدار نشان داده شده است . نور وارد يکي از فيبرها مي شود، و در منطقه اي که هسته دوم در مجاورت آن قرار گرفته انتشار مي يابد به طوريکه بخشي از موج ناپايدار فيبر اول در منطقه فيبر دوم قرار مي گيرد. بنابراين ، پديده جفت شدگي موج ناپايدار بوجود مي آيد. ضريب جفت شدگي با فاصله جدايي بين دو فيبر ارتباط مستقيم دارد. وقتي يک اثر محيطي مانند فشار، موج اکوستيک ، يا تغيير دمايي منجر به تغيير فاصله بين دو فيبر گردد، ضريب جفت شدگي نيز تغيير مي يابد. بنابراين شدت نور شناسايي شده در فيبر دوم نيز تغيير مي يابد. پس با بررسي تغييرات شدت در فيبر دوم ، تغيير محيطي را مي توان حس کرد.
شکل ٤: سنسور فيبر نوري مبتني بر پديده موج ناپايدار
• سنسورهاي فيبر نوري طيفي
سنسورهاي فيبرنوري طيفي بر اساس باريکه نور تعديل شده از نظر طول موج توسط اثر محيطي کار مي کنند. نمونه هايي از اين نوع سنسورهاي فيبري عبارت است از سنسورهايي که بر مبناي تشعشع جسم سياه ، جذب ، فلوئورسانس ، اتالون و شبکه متفرق کننده کار مي کنند.
يکي از ساده ترين انواع اين سنسور، سنسور جسم سياه است . محفظه جسم سياه در انتهاي فيبر نوري قرار داده مي شود. وقتي دماي محفظه افزايش يابد، شروع به درخشش کرده و بصورت منبع نوري عمل مي کند. آشکارسازها در کنار فيلترهاي نوار باريک براي شناسايي پروفيل منحني جسم سياه و در نتيجه برآورد دما به کار مي روند.
از اين نوع سنسورها با کارکرد تجاري جهت اندازه گيري دما در محدوده چند سانتيگرادي در ميدانهاي شديد استفاده مي کنند.
عملکرد و دقت اين سنسورها در دماهاي بالاتر بهتر بوده و در دماي زير ٢٠٠ درجه سانتيگراد به خاطر پائين بودن نسبت سيگنال به نويز، دچار افت عملکرد و دقت مي گردد.
بايد اين اطمينان حاصل شود که داغ ترين نقطه به عنوان محفظه جسم سياه انتخاب شده و روي کابل خود فيبر قرار نگرفته است چون اين امر منجر به خراب شدن يکپارچگي سيگنال مي گردد.
• سنسورهاي فيبر نوري پلاريزاسيوني
فيبر نوري از شيشه تهيه مي شود. ضريب انکسار فيبر بسته به اعمال تنش و کرنش مي تواند تغيير يابد. اين پديده اثر فوتو الاستيک ناميده مي شود. در ضمن ، در بسياري از مواردتنش يا کرنش در جهات مختلف متفاوت بوده و از اين جهت ضريب انکسار القا شده نيز در جهات مختلف متفاوت خواهد بود. بنابراين نوع تفاوت فاز القا شده بين جهات مختلف پلاريزاسيون بوجود مي آيد.
به بيان ديگر، تحت شرايط وجود اختلال بيروني، مانند تنش يا کرنش ، فيبرنوري مانند بازدارنده خطي عمل مي کند. بنابراين ، با شناسايي تغيير در حالت پلاريزاسيون خروجي، مي توان اختلال بيروني را حس کرد .[1]
