بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای آبرسانی شهری پس از مدتی به دلایل مختلف دچار نشت و در نتیجه هدر رفت آب میشوند. در چنین شرایطی خطر ورود آلایندههای مختلف بر اهمیت تعمیر و نگهداری شبکههای میافزاید. بهدلیل هزینه بالای نوسازی خطوط انتقال آب شهری، استفاده از حسگرهای اندازهگیری کننده نشت آب از خطوط انتقال میتواند کمک زیادی در جهت نشتیابی این خطوط انجام دهد.
این تحقیق با هدف اندازهگیری نشت آب از خطوط انتقال شهری، به شبیهسازی یک سنسور مبتنی بر بلور فوتونی برای اندازهگیری نشت آب شهری میپردازد. در همین راستا با استفاده از نرم افزار آر سافت فوتونیک به شبیهسازی حسگری با توانایی اندازهگیری فشار آب عبوری در داخل خط لوله پرداخته شد که با بدست آوردن فشار آب بین 2 نقطه از خط لوله، میتوان میزان نشت آب در طول مورد نظر را بدست آورد.
ضریب شکست یکی از پارامترهای موثر بر انعکاس و انتقال نور از بلورهای فوتونی میباشد که به وسیله این پارامتر میتوان با قرار دادن سنسور طراحی شده در هر نقطه از خط انتقال آب، ضریب شکست آب را بدست آورد و با مقایسه آن با استاندارههای مربوطه به مجاز بودن نشت آب از خط لوله در نقاط مختلف دست یافت.
1. مقدمه
به هر ساختاری که ضریب شکست آن بهطور متناوب تغییر کند یک بلور فوتونی گویند.[1] اگر این تکرار در یک بعد باشد، بلورهای فوتونی یک بعدی نامیده میشوند و اگر این تکرار در دو یا سه بعد صورت گیرد، بلورهای فوتونی دو یا سه بعدی نامیده میشوند. این بلورها ماهیتی از جنس دی الکتریک یا فلز کم تناوب دارند و نحوه انتشار امواج الکترومغناطیسی را بهنحوی مشابه با بلورهای نیمههادی تغییر میدهند. به بیان بهتر، با عبور آب از داخل جداره موجود در مرکز سنسور، لیزر نوری را تولید نموده و به داخل بلورهای فوتونی ارسال میکند. بعد از عبور نور از داخل بلور فوتونی، نمایش شکست نور در دستگاهی به نام فوتودکتور آشکار میشود.
در لیزر جریان الکتریکی بهنور تبدیل میشود و در فوتودکتور نور به جریان الکتریکی تبدیل میشود. با اندازه گیری جریان عبوری از فوتودکتور میتوان فشار آب عبوری در لوله را در 2 نقطه مورد نظر را بدست آورد که از این طریق میتوان به میزان نشت آب از یک خط لوله پی برد
اساس کار بلورهای فوتونی بر مبنای انعکاس و انتقال نور در یک ساختار متناوب میباشد. از این ساختمان نوری برای جلوگیری از انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک باند فرکانس خاص - که شکاف باند فوتونی نامیده میشود - استفاده میکنند
از عوامل تاثیر گذار بر شبکه بلور فوتونی می-توان به ضریب شکست اشاره کرد .[3] برای بدست آوردن میزان نشت آب بین 2 نقطه مورد نظر در خط لوله، ضریب شکست آب در لحظه عبور از جداره موجود در مرکز سنسور اندازهگیری و اطلاعات به فوتودکتور جهت نمایش اطلاعات در نمایشگر ارسال میشود. عوامل زیادی بر ضریب شکست مواد تاثیر میگذارند که از جمله آن میتوان به دما و فشار اشاره کرد
با توجه به اینکه تغییر فشار آب بر ضریب شکست مواد تاثیر میگذارد و تغییر ضریب شکست نیز بر طول موج خروجی در شبکه بلور فوتونی تاثیر می-گذارد، بنابراین به راحتی و با دقت بالا میتوان با استفاده از شبکه بلور فوتونی میزان نشت آب در یک خط لوله را محاسبه نمود.[6] در این مقاله، یک سنسور برای اندازهگیری فشار آب مبتنی بر بلورهای فوتونی از جنس - آی ان پی - 1 و به شکل میلهای با شبکه مثلثی شبیهسازی شده است.
همچنین در شبیهسازی برای پر نمودن فضای بین میلهها - جهت جلوگیری از نفذ آب به سنسور - موادی با نام پلی متیل متاکریلات که یکی از سخت-ترین و محکم ترین پلیمرها با شفافیتی بالاتر از شیشه و سطحی صیقلی و مقاوم در برابر عوامل جوی میباشد در نظر گرفته میشود، سپس با ایجاد نقص خطی در شبکه بلور فوتونی مسیری برای انتشار نور در طول موج 1,55 m ایجاد میشود.
.2 معرفی ساختمان شبکه بلور فوتونی
شکل شماره 1 نمای کلی بلور فوتونی با شبکه مثلثی و ساختار میلهای آن نمایش میدهد. در شبیهسازی ها، لایه بستر و لایه پوششی از جنس مواد - آی ان پی - در نظر گرفته شد. دلیل انتخاب این مواد ضریب شکست بالا میباشد که نور بیشتری را از خود عبور میدهند. مشخصات لایهها شامل ضخامت و ضریب شکست آنها در شکل شماره 1 نمایش داده شده است.
شکل -1 شمای کلی ساختار میلهای بلور فوتونی با شبکه مثلثی و مشخصات لایهها؛ الف - نمای سه بعدی ؛ ب - نمای x-y و ج - نمای x-z شبکه بلور فوتونی
به دلیل محدودیت حافظه ساختار بلورفوتونی به صورت دو بعدی تحلیل شده است. با استفاده از نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس2 که میتواند معادلات دیفرانسیل سیستمهای غیر خطی را توسط مشتقهای جزئی به روش اجزاء محدود 3 در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل نماید، ضریب شکست موثر لایهها برابر با 3/2634 انتخاب شد. برای محاسبه شکاف باند فوتونی از روش بسط صفحهای PWE و نرمافزار آر سافت فوتونیک4 استفاده شده است.
محاسبات نشان میدهد که هر دو پلاریزاسیون TEو TM میتواند در این ساختار منتشر شود. برای محاسبه شکاف باند فوتونی در پنجره طول موج m 1/55، نمودار شکاف باند برای مودهای TEو TM با تغییر شعاع در محدوده 0 -250nm برای ثابت شبکه 520nm در شکل شماره 2 رسم شده است. مشاهده میشود که شکاف باند در میلهای به شعاع 104 nm دارای بیشترین مقدار در محدوده فرکانس نرمالیزه شده 0/3354 - معادل با طول موج m - 1/55 برای مود TE میباشد. در شکل شماره 3 ساختمان باند در مسیر K برای مود TEو TM نشان داده شده است.
شکل -2 نمودار شکاف باند برای مود TEو TM بر حسب شعاع میله.
با توجه به اینکه هر دو پلاریزاسیون TEو TM میتوانند در ساختار بسط صفحهای PWE منتشر شوند، شکل شماره 3 که نتیجه شبیه سازی در نرم افزار است، نمایش ساختمان باند در مسیر K برای مود TEو TM را نشان میدهد.
شکل-3 نمودار شکاف باند برای مود TEو TMدر مسیر K بر حسب فرکانس.
از مزایای این ساختار لایه این است که قابلیت مجتمعسازی با لیزر و فوتودتکتور را دار میباشد. همانطور که در شکل شماره 4 دیده میشود - شکل شبیه سازی شده در نرم افزار - ، لیزر نوری را در طول 1/55 m تولید نموده و به داخل بلور فوتونی ارسال میکند. بعد از عبور نور از داخل بلور فوتونی توسط فوتودتکتور آشکار میشود. تنها تفاوت ساختار لایه سنسور مبتنی بر بلور فوتونی - ساختار غیر فعال - و لیزر و فوتودتکتور - ساختارهای فعال - ، وجود لایه فعال آی ان پی با شکاف طول موج 1/55 m - که با Q1/55 - شناخته میشود - در داخل لایه فیلم - Q - 1/25 میباشد.
وجود این لایه در لیزر موجب تولید نور و در فوتودتکتور موجب جذب نور میشود. ضمنا لیزر و فوتودتکتور دارای الکترودهایی برای اعمال ولتاژ میباشند. همانطور که در شکل شماره4 دیده میشود به لیزر، ولتاژ مستقیمی جهت تولید جفت الکترون و حفره در لایه فعال اعمال شده و به فتودتکتور ولتاژ معکوس اعمال میشود تا نور جذب شده در لایه فعال به جفت الکترون و حفره تبدیل شود.
