بخشی از مقاله
چکیده
نیاز به حسگرهایی با حساسیت بالا در اندازه گیري ارتعاشات، امواج صوتی، نظارت بر سلامت سازه ها و مواردي از این دست، لزومی است بر تحقیق و طراحی دقیق حسگرهاي توري براگ تار نوري که برخوردار از برتریهاي حائز اهمیتی هستند. در این تحقیق، یک حسگر ارتعاش توري براگ تار نوري بر اساس روش توري براگهاي جفت شده، طراحی و بهینه سازي خواهد شد.
این روش توانایی پاسخدهی به محدوده فرکانسی بالایی را داشته و از حساسیت، سطح سیگنال به نویز و ناحیه پویایی مناسبی برخوردار خواهد بود. در این مقاله، تنظیم حساسیت و خطاي وارد از تغییر طول موج براگ دو توري از حالت بهینه، مشخصه سازي شده و ناحیه خطی عملکرد حسگر و چگونگی تنظیم آن مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. از آنجا که تغییر طول موج نور بازتاب یافته از توري براگ تار نوري نه تنها با اعمال کرنش بلکه در مواجهه با تغییرات دمایی محیط نیز رخ خواهد داد؛ اغلب نیاز به پایدارسازي حرارتی این حسگر بوده و با توجه به این مهم، روش طراحی شده و بهینه سازي شده در این تحقیق نیز برخوردار از جبران حرارتی خواهد بود.
مقدمه
در مقایسه با دیگر حسگرهاي ارتعاش، حسگرهاي ارتعاش توري براگ تار نوري از حساسیت بالا، مصونیت در برابر امواج الکترومغناطیس، اندازه کوچک، پایداري مناسب، طول عمر بالا و بسیاري برتریهاي دیگر برخوردارند و بدین علت جایگاه ویژه اي در این صنعت پیدا کرده اند. اندازه گیري ارتعاش در جامدات، امواج صوتی در مایعات، شناسایی آسیب هاي وارد بر ساختار سازه هاي شهري و یا ایمن سازي معادن از جمله کاربردهایی است که نیازمند ویژگی هاي تامین شده توسط این دسته از حسگرهاي نوري است. [1-3]
بمنظور دستیابی به نیازهاي کاربردي در هر مورد، انتخاب روش وامدگردانی1، پایدار سازي حرارتی2 و تنظیم و انتخاب میزان حساسیت و ناحیه پویایی3 حسگر بسیار حائز اهمیت است. در این تحقیق با انتخاب روش وامدگردانی توسط توري براگ جفت شده، به طراحی این حسگر پرداخته و با بهینه سازي آن، به انتخاب ویژگی هاي توري هاي براگ طرح خواهیم پرداخت.
توري براگ تار نوري و شبیه سازي طیف بازتابی آن
تحت اعمال ارتعاش
توري براگ تار نوري، تار نوري است که عمدتا با بکارگیري تابش UV، تغییرات متناوب ضریب شکست درون هسته آن نوشته شده است. قسمتی از نور فرودي در برخورد به توري براگ تار نوري، بازتاب یافته و بخش دیگر عبور می کند. این امر در شکل 1 نشان داده شده است. بدین ترتیب توري براگ، توانایی ایفاي نقش آینه در لیزر فیبري و فیلترهاي مخابراتی را داراست.
همچنین بدلیل حساسیت طول تناوب توري براگ و نیز تغییرات نوشته شده در ضریب شکست موثر مدي به دما و کرنش، بسیاري از عوامل اعم از کمیتهاي فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی را می توان توسط توري هاي براگ به دقت اندازه گیري نمود. در جدول 1 حساسیت طول موج توري براگ نسبت به تغییرات دما و کرنش براي سه طول موج براگ اولیه، آورده شده است. [4]
بنابراین اساس کار حسگر توري براگ، مبتنی بر اندازه گیري جابجایی طول موج بازتاب براگ از آن است. در حقیقت، سیگنال خروجی تحت کمیت مدنظر بر اساس طول موج رمزگذاري می شود. هنگامیکه به یک توري براگ تار نوري، ارتعاش اعمال می شود؛ بدلیل اعمال کرنش متغیر با زمان بر توري براگ، تغییر پیاپی طول موج براگ مشاهده می شود. نتایج شبیه سازي چنین وضعیتی براي یک ارتعاش یکنواخت با فرکانس 1kHz با بکارگیري روش ماتریس انتقال اساسی در شکل 2 آورده شده است. چنانچه نشان داده شده است؛ طول موج براگ به خوبی تغییرات فرکانسی حاصل از ارتعاش را دنبال خواهد کرد.
براگ جفت شده
براي مشاهده طول موج بازتاب براگ و تغییرات ایجاد شده در آن باید بدنبال روشی کارامد بود که حین برخورداري از هزینه پایین، پاسخگوي نیازهاي کاربري بوده و از جبران حرارتی برخوردار باشد چرا که تحت تغییرات دمایی نیز امکان جابجایی طول موج براگ وجود دارد و مدنظر قرار ندادن این امر، از دقت و اطمینان داده هاي اکتسابی بسیار خواهد کاست.
در این تحقیق از روش وامدگردانی با توري براگ جفت شده [5]، استفاده شده است که طرح آن در شکل 3 آمده است. ارتعاش اعمال شده به توري براگ حسگر که با نماد زچعک نشان داده شده است؛ باعث تغییرات پیاپی طول موج بازتاب براگ این توري خواهد شد. این در حالی است که طول موج براگ توري دوم که نقش وامدگردانی نور فرودي را برعهده خواهد داشت؛ تحت تاثیر ارتعاش قرار نمی گیرد.
جابجا شدن طول موج دو توري براگ نسبت به هم، سبب تغییر در بخش همپوشانی طیف مربوط به آن دو شده؛ در نتیجه نور رسیده به آشکارساز نوري بطور متناوب در زمان و بسته به ارتعاش اعمال شده به حسگر تغییر خواهد کرد. این امر در شکل 4 بوضوح نشان داده شده است. انتخاب این توري براگ دوم بعنوان بخش وامدگردانی طول موج نور بازتابی به حذف اثرات حرارتی می انجامد؛ چرا که طول موج دو توري براگ با قرار گرفتن در یک محیط و به شرط برخورداري از ضریب حرارتی برابر، به یک اندازه جابجا شده و نهایتا تنها عامل موثر بر همپوشانی طیف هاي دو توري براگ، ارتعاش اعمال شده به توري براگ حسگر خواهد بود.
بهینه سازي عملکرد حسگر
شیب طیف توري براگ دوم در نقطه اي که بیشینه بازتاب توري براگ اول قرار دارد؛ تعیین کننده حساسیت حسگر ارتعاش خواهد بود. با توجه به این امر میزان حساسیت حسگر در مکان بیشترین شیب با توجه به نیم پهناي4 توري براگ دوم در شکل 5 رسم شده است. شکل:5 بیشترین شیب و در نتیجه بیشینه حساسیت حسگر به نیم پناي توري براگ دوم که نقش وامدگردان را دارد؛ بستگی خواهد داشت. در نوشتن دو توري براگ که بتوانند همپوشانی دقیقی با هم داشته باشند باید روشی بکار گرفت که چنین دقتی را فراهم کند.
