بخشی از مقاله
چکیده :
اندازهگیری دما و کرنش در محیطهای مختلف از اهمیت زیادی برخوردار است. در این پژوهش با استفاده از ترکیب حسگر توری براگ و تداخل سنج فابری پرو روشی برای اندازهگیری همزمان دما و کرنش ارائه شده است. در این حسگر دو توری براگ در فاصله L از یکدیگر داخل یک فیبر نوری تعبیه میشوند و نقش آینه های تداخل سنج فابری پرو را بازی میکنند. توریهای براگ که کاملا مشابه هستند طول موج مشخصی را بازتاب و بقیهی طیف نور را عبور میدهند.
تداخل سنج فابریپرو نیز طول موجهای مشخصی را عبور میدهد. با تنظیم ساختار به گونهای که قلهی بازتابها در مجاورت یکدیگر باشند قلهی تیزی برای بازتاب بوجود میآید. با تغییر دما و کرنش، ضریب شکست و دوره تناوب توری نیز تغییر میکند که باعث جابجایی طول موج بازتابی از توری براگ میشود. در نتیجه جابجایی قلهی بازتاب معیاری برای اندازه گیری دما و کرنش میشود. این حسگر را با استفاده از نرم افزار متلب شبیه سازی نمودیم و دیدیم که میزان حساسیت آن به دما و کرنش نسبت به ساختار توری براگ بهینه شده است.
مقدمه:
با توجه به رشد سریع فناوری، نیاز به حسگرهایی با دقت و حساسیت بالا برای اندازهگیری پارامترهای مختلف در محیط ها و دستگاه های گوناگون، روزافزون میباشد. در این میان اندازه گیری پارامترهایی مانند دما، فشار و کرنش در بسیاری از ساختارها و دستگاهها بسیار ضروری است و بنابراین نیاز به حسگرهای دقیق و حساس برای اندازه گیری این پارامترها آشکار است.
استفاده از فیبر نوری به دلیل حجم و هزینهی کم، استفادهی آسان از آن، سنجش از راه دور، عدم نیاز به منبع الکتریکی در محل، مقاوم بودن در برابر نویز و تداخلات الکترومغناطیسی و دیگر عوامل محیطی مانند رطوبت و امواج صوتی بسیار مناسب - Zhang et al, 2001, Wu et al 2016 - میباشد. برای ساخت حسگرهای فیبر نوری معمولا از ساختارهای توری - گریتینگ - براگ یا فابری پرو و یا ترکیب آنها استفاده میگردد - . - Wu et al, 2016, Dewra et al, 2015 توری براگ معمولا با ایجاد یک تغییر متناوب در ضریب شکست هسته یک فیبر نوری ایجاد میگردد.
اولین بار در سال 1978 هیل و همکاران به توسعه ی توری براگ پرداختند - Meltz, W, . - 1989, Kawasaki, Hill, 1978 ایجاد توریهای براگ معمولا با تابش دو پرتو همدوس متقاطع اشعهی ماوراء بنفش به قسمتی از یک فیبر انجام میگردد. ضریب شکست در طولی از فیبر که اشعهی ماوراء بنفش به آن تابانده شده به طور متناوب تغییر میکند که این مبنای تولید یک فیلتر نوری با استفاده از توری براگ میباشد.
با تابش طیفی از نور به توری براگ، امواج با طول موج B که در آن دوره تناوب و neff ضریب شکست توری می باشد، بازتاب و بقیه طول موجها عبور میکنند. به این ترتیب میتوان از توری براگ به عنوان یک فیلتر نوری استفاده کرد. با تغییر عوامل محیطی، مانند دما، کرنش و فشار دوره تناوب و ضریب شکست توری و در نتیجه طول موج بازتابی تغییر میکند.
در سال 1998، پاتریک و همکاران توانستند توسط حسگر توری، با تشخیص جابجایی طول موج ناشی از خمش، میزان انحنا را اندازهگیری کنند که این روش دارای عیب تداخل الکترومغناطیسی و حساسیت نسبتاً بالا به تغییرات دما بود - . - Patrick et al, 1998 در سال 2014 رامیرر و همکاران با پیادهسازی فیلترهای سیگنال به فرم بلادرنگ به روش الگوریتم کوچکترین مجذور، موفق به ساخت سنسورهای خمش شدند که دارای عیب خطای اندازهگیری نسبتا بالا بود Perez- - . - Ramirez et al, 2014 به این ترتیب میتوان با اندازه گیری طول موج براگ به میزان تغییرات دما، کرنش و یا فشار پی برد.
در سال1898 دو فرانسوی به نامهای فابری و پرو وسیلهی تداخل سنجی جدیدی را ارایه نمودند، که با استفاده از دو آینهی نیمه شفاف کاملاً موازی پدیده تداخل امواج را نشان میداد - . - Liu, 2005 تیسنگ و چن توانستند سنسور دمای فابریپرو را توسعه دهند به نحوی که میتوانست افزایش و کاهش دما را تشخیص دهد و جهت اختلاف دما را به عنوان تابع زمان تعیین کند - . - Tseng, .Chen, 1988 طی سالهای 2010-2001 کاربردهای دیگر سنسور فابریپرو از جمله اندازهگیری فشار، ضریب شکست، سطح گاز و مایعات بررسی شد.
بعد از سال 2010 کاربردهای دیگری از جمله اندازهگیری سرعت جریان، دمای بالا، کرنش و رطوبت مورد مطالعه قرار گرفت - . - Rajibul Islam et al, 2014 استفاده از ترکیب گریتینگ براگ و تداخل سنج فابری پرو باعث افزایش دقت و صحت اندازهگیری میشود. دو توری براگ در یک فیبر نوری نقش دو آینه یک تداخل سنج فابری پرو را بازی می کنند. دو توری را در فاصلهی L از هم قرار میدهیم که این فاصله نقش کاواک فابریپرو را دارد. شکل1 ساختار این حسگر را نشان میدهد.
زمینه نظری و شبیه سازی :
در این پژوهش برای محاسبهی توان عبوری و بازتابی ساختار مرکب توری براگ و تداخل سنجفابری پرو از روش ماتریس انتقال استفاده نمودهایم. این روش بر پایه نظری جفت شدگی مدها بنا شدهاست.
