انواع حسگرهاى نورى
فيبرنورى، سبك انعطاف‌پذير و مقاوم در برابر صاعقه است. اين ماده عمدتاً براى ارتباطات نورى مورد استفاده قرار می‌گیرد با اين حال، هنگام استفاده از آن به عنوان سنسور، می‌توان توزيع دما، تنش و لرزش را در كل طول يك فيبرنورى طولانى اندازه گرفت. از اين خصوصيات سنسورهاى فيبرنورى می‌توان به عنوان ابزارى براى تشخيص سلامتى زيرساخت‌هاى اجتماعى از جمله پله‌ها، تونل‌ها و ساير سازه‌هاى بزرگ و يا كشف زود هنگام خرابى تجهيزات و ساير خرابی‌ها در نيروگاه‌هاى نفتى و شيميايى استفاده نمود.
انواع حسگرهاى نورى
در بخش قبلى به معرفى كلى حسگرهاى فيبرنورى و طبقه‌‌بندى آن پرداختيم. در اين قسمت كلاس نسبتا جديد حسگرهاى فيبرنورى؛ يعنى حسگرهاى گریتينگ معرفى و حسگرى براساس بازتاب برولوئين ارائه خواهد شد.
١- حسگرهاى مبتنى بر گریتینگ فيبرى
انواع حسگرهاى نورى مبتنى بر مدولاسيون شدت و فاز، مشكلاتى دارند كه لازم است در كاربردهاى عملى رفع شوند. مشكلات مرتبط با نوسانات نيروى منبع؛ اتلاف‌هاى كوپلر، اتلاف‌هاى خم شدن، اتلاف‌هاى مكانيكى ناشى از ناهمترازى و اثرات جذب به طور قابل توجهى بر روى عملكرد اندازه گیری حسگرهاى فيبرى مبتنى بر شدت، اثر خواهند گذاشت. دقت اندازه گیری حسگرهاى فيبر مبتنى بر فاز نيز اغلب به دليل وجود انحرافات دما و لرزش به خطر می‌افتد. در بين طيف حسگرهاى فيبر، اميدواركننده‌ترين پيشرفت‌ها براساس تكنولوژى گریتینگ هستند.
يك گریتینگ فيبرنورى از القاى يك آشفتگى تناوبى ضريب شكست به طول اندازه قطر هسته (کور) فيبرنورى ايجاد می‌شود. آشفتگى تناوبى ضريب شكست مؤثر، امكان كوپل شدن يك مد در هسته فيبر، به مود انتقال رو به عقب و يا رو به جلو را می‌دهد. گریتینگ‌هاى فيبرى براساس تناوب گریتینگ و نوع مدل ورودى به دو دسته تقسيم می‌شوند:
فيبر گریتینگ هاى (FBGs) Bragg – كه گریتینگ‌هاى بازتابى يا كوتاه تناوب نيز ناميده می‌شوند. جايى كه كوپلينگ بين دو مود در حال حركت در جهات مخالف اتفاق می‌افتد.
گریتینگ هاى تناوب بلند (LPGs) – كه گریتینگ‌هاى انتقالى نيز ناميده می‌شوند. جايى كه كوپلينگ بين دو مود در هسته (Core) و پوسته (Cladding) در حال حركت در جهت يكسان اتفاق می‌افتد. اين مودهاى پوسته به سرعت در حين انتشار ضعيف شده و سبب اتلاف باند در طول موج‌هاى ناهمسان در طيف انتقال گريتينگ می‌شوند. هنگامى كه منبع پهن باند، نور را تزريق می‌كند، يک طول موج خاص بازتاب شده و بقيه منتقل می‌شوند. هرگاه كميت محيطى بر روى ناحيه گریتینگ اثر گذارد، بالاترين طول موج جابه‌جا می‌شود. در FBG طيف بازتاب شده مطالعه می‌شود. در حالى كه در LPG طيف منتقل شده مورد بررسى است.
مورد استفاده‌ترين انواع حسگرهاى نورى مبتنى بر طول موج، حسگر گریتینگ Bragg است. FBG ها تكنولوژى مخابرات مدرن و متعاقبا حسگر فيبرنورى را متحول كرده‌اند. در مورد دوم، FBG ها به علت حساسيت بالاى خود، قابليت تسهيم و هزينه توليد منطقى يك عامل سنجش عالى هستند. به علاوه، انواع مختلفى از FBG ها براى پاسخگويى به نيازهاى علمى توسعه يافته‌اند.
عملکرد حسگر FBG
اساس كار يک حسگر FBG براساس تغيیر طول موج Bragg در هنگامى است كه تحت اثر يك كميت باشد. طول موج برگ تابعى از فاصله آشفتگی‌هاى ضريب شكست در هسته فيبر است و كشش و دما دو پارامتر پايه هستند كه با تغيير در اين فاصله می‌توانند مستقيماً طول موج برگ FBG را تنظيم كنند.
در نتيجه FBG هاى نرمال نمی‌توانند به عنوان حسگرهاى شيميايى یا زیستى استفاده شوند. براى استفاده از FBG به عنوان یک عامل حسگر انكسارسنج، شعاع روكش اطراف ناحيه گریتینگ بايد كاهش یابد، تا ضریب شکست موثر هسته فیبر به طور قابل توجه تحت تاثير ضريب شكست محيط خارجى قرار گيرد. به عنوان يك نتيجه، تغيیرات در طول موج Bragg به همراه تعديل نوسان بازتاب شده مورد انتظار است.
باندهاى تضعيف LPG تابعى قوى از آشفتگی‌هاى خارجى مثل كشش، دما، خم شدگى و ضريب شكست اطراف است. حضور اين آشفتگی‌هاى خارجى، قدرت كوپلينگ بين مودهاى هسته و روكش را تحت تاثير قرار می‌دهد كه می‌تواند سبب تغيير در دامنه و طول موج باندهاى تضعيفى در طيف انتقال LPG شود.
اندازه گیری اين پارامترهاى طيفى در پاسخ به محيط اطراف ناحيه گریتینگ، اساس سنجش با LPG ها است. در يک LPG نور هدايت شده با محيط خارجى برهم كنش دارد و ضريب نفود مودهاى روكش به ضريب شكست هسته، روكش و جنس محيط خارجى بستگى دارد.
در حال حاضر، سنجش ضریب شکست براساس گریتینگ فیبر، يک موضوع فوق‌العاده مهم در زمينه سنجش بيوشيميايى است كه گرايشات تحقيقاتى قابل توجهى را به خود جذب می‌كند. FBGها به طور كلى به اختلافات ضريب شكست محيط اطراف كمتر حساس‌اند زيرا هسته فيبر با لايه روكش به خوبى كاور شده است. اين امر، كاربرد FBG ها را در سنجش زيستى و شيميايى محدود می‌كند. در نتيجه، گریتینگ‌هاى بلند تناوب (LPG) براى كاربردهاى سنجش شيميايى و زيستى مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
شكل ١. اساس كار يك حسگر FBG
2- دستكاه هاى مبتنى بر بازتاب سنج نورى
وقتى نور وارد محيط شفافى می‌شود. قسمتى از توان آن بر اثر پديده پراكنش (Scattering) به اطراف پراكنده شده كه بخشى از آن به عنوان نور برگشتى (Backscatter) به مبدا ارسال بر می‌گردد. پراكنش نور ممكن به علت برخورد نور با ذرات با اندازه كمتر از طول موج ايجاد شود قسمت اعظم آن از نوع الاستيك است يعنى طول موج نور برگشتى تغيبر نمی‌كند كه آن را پراكندگى رايلى می‌ناميم و قسمت بسيار كمى از آن با تغيير طول موج همراه است كه پراكندگى رامان نامگذارى شده است. نور برگشتى رايلى مبناى عمل دستگاه‌هاى بازتاب سنج نورى در حوزه زمان (OTDR) بوده كه براى اندازه‌گيرى افت فيبر و يا محل‌يابى خطاهاى فيبر در مسير نصب بكار گرفته می‌شود. دليل ديگر پراكندگى می‌تواند به علت تغيير چگالى محيط انجام گيرد. این تغییر ممکن است به دلیل اعمال فشار و یا گرادیان دمایی انجام گيرد نور برگشتى در اين حالت غير الاستيك بوده و با تغيیرات فركانس همراه است. اين پديده را پراكندگى بريلوئين می‌ناميم. دستگاه‌هاى بازتاب‌سنج بريلوئين در دامنه زمان (BOTDR) و يا دامنه همبستگى (BOCDR) طراحى و ساخته شده‌اند كه براى سنسورهاى پیوسته مورد استفاده گسترده هستند و در واقع از انواع حسگرهاى نورى به شمار می‌آیند.
شکل2. پراکندگی بریلوئین در سنسور نوری
- بازتاب سنجى دامنه همبستگى نورى بريلوئين (BOCDR)
BOCDR می‌تواند دما، تنش و لزش را با وضوح مکانی سانتی‌متر (اندازه گیری در جهت طولى يك فيبرنورى) اندازه گیری كند. اين فناورى از اين اصل استفاده می‌كند كه فركانس نور پراكنده بريلوئين بسته به اين پارامترها در يک فيبرنورى توليد می‌شود. با اتصال تنها يک انتهاى فيبرنورى به يك دستگاه اندازه‌گیری، دما، تنش و لرزش در كل طول يك فيبرنورى را می‌توان به سرعت با وضوح مكانى بالا اندازه‌گيرى كرد.
- مزاياى اندازه گیری توزيع و وضوح مكانى
از آنجا كه فيبرنورى خود به عنوان يك سنسور توزيع شده استفاده می‌شود، می‌توان محدوده‌اى از ١ كيلومتر يا بيشتر را بدون فواصل تاریک اندازه‌گیری كرد. اكر يك مكان مشكوک به نظر برسد، می‌توان نقطه را با تفكيک پذيرى مكانى زياد با جزئيات تجزيه و تحليل کرد.
شکل۳. وضوح مکانی در سنسورهای نوری
3- چشم انداز براى آينده
- زير ساخت‌هاى اجتماعى
با استقرار فيبرنورى در زيرساخت‌هاى اجتماعى مانند پله‌ها و تونل‌ها و استفاده از آن به عنوان يك سنسور توزيع تنش / لرزش، می‌توان موارد زير را تحقق بخشيد:
الف- توانايى بهبود ايمنى با تشخيص آسيب‌ها يا نقص‌ها در مراحل اوليه و يا با مشاهده‌هاى بعدى از نقاط مشكل. همچنين می‌تواند براى تشخيص اوليه سلامتى زيرساخت‌ها پس از زلزله مورد استفاده قرار گیرد.
شکل۴. زیرساخت های نیازمند به نظارت دائم
ب- كاهش هزينه‌هاى تعمير و نكهدارى با باريك كردن نقاط بازرسى و قطع كار حادثه‌اى مانند جداسازى قطعات / نصب مجدد و تنظيم داربست.
- برنامه‌هاى كاربردى در صنعت كشاورزى
در صنعت كشاورزى بناها و تاسيسات پیچیده‌ای استفاده می‌شود كه تعداد زيادى از امكانات در يک سايت وسيع به هم وصل می‌شوند. بنابراين، ممكن است يا بهره‌ورى كاهش يابد يا حوادثى رخ دهد، مگر اينكه امكانات به درستى نگهدارى و مديريت شوند. روش بهبود بهره‌ورى جمع آورى كارآمد اطلاعات دما، كرنش و لرزش با نصب انواع حسگرهاى نورى در تاسيسات گياهى و تجزيه و تحليل داده‌ها به منظور بهبود سلامت، ايمنى، همسويى با محيط زيست و قابليت حفظ آن است.
شکل۵. نمونه کاربردی سنسورهای نوری در مجتمع‌های صنعتی
**این مقاله توسط مهندس محمد علی مساواتی تر جمه و تدوین گردیده و درفصلنامه صنعت سيم و كابل، به چاپ رسیده است.**
محصولات مرتبط
کابل فیبر نوری
کابل فیبر نوری 12 کور DRAKA ، مالتی مود ، In/Out LSOH, MM 50
کابل فیبر نوری
