حسگر فیبرنوری
در قسمت اول اين مقاله پيش زمينه كلى سيستم‌هاى حسگرهای فیبرنوری ارئه مى‌شود و در قسمت دوم به بحث پيرامون اهميت خاص گريتينگ‌هاى فيبر در حوزه حسگر نورى مى‌پردازيم.
فيبر نورى يكى از مهمترين اختراعات قرن بيستم به شمار مى‌آيد. فيبرنورى كه توسط كائو و هوخام در مراحل اوليه توسعه آن پيشنهاد گرديد، به صورتى ظهور كرده است تا به گونه اى غيرقابل انكار به مهمترين واسطه انتقال موج نورى تبديل شود و ارتباطات مدرن و دانش نورى را دستخوش تحول نمايد.
حسگر فیبرنوری
اعطاى جايزة نوبل فيزيك 2009 به چارلز كائو، كسى كه اولين بار استفاده از فيبرهاى نورى را براى ارتباطات داده پيشنهاد داد، نقطه عطف اين داستان خارق‌العاده است. حسگر فیبرنوری يكى از تكنولوژى‌هايى است كه از پیشرفت‌هاى قابل توجه‌اى كه توسط صنايع ارتباطات اپتوالكترونيك و فيبرنورى انجام شده بيشترين بهره را برده است. اساساً این نوع سنسور فیبر نوری از طريق شناسايى چند ويژگى موج نورى منتشرشده از جمله شدت، فاز، قطبيت و طول موج در پاسخ به اندازهگيرى پارامتر محيط؛ عمل می‌كند.
امروزه دستگاه‌های مبتنى بر فيبر نورى از جمله گريتينگ‌هاى فيبرى، نقش بزرگی در كاربردهاى ارتباطات و حسگر فیبرنوری بازى مى‌كنند. اين كاريردها شامل تكتولوژى‌هاى سنجش عمرانى، مكانيكى، الكتريكى، هوافضا، خودروسازى، هسته‌اى، زيست پزشكى و شيميايى می‌شود.
سنسورهای فیبرنوری (FOS)
فيبر نورى از دهه 60 به عنوان واسط هدايت موج نورى پیشنهاد و توسعه داده شده است. اما اولين فيبر با اتلاف پايين ير پايه سيليكون در دهه 80 براى ارتباطات نورى ساخته شد. از آن زمان، يک روند توسعه انفجارى در ارتباطات فيبر نورى وجود داشته است و سيستم‌هاى مبتنى بر فيبر به ستون فقرات ” عصر اطلاعات” تبديل شده‌اند. به موازات اين پیشرفت‌ها، حسگر فيبر نورى، كه كاربر اصلى تكنولوژى مرتبط با صنايع ارتباطات فيبر نورى و اپتوالكترونيى بوده‌اند. براى سى سال محققان و مهندسان برنامه را مجذوب خود كرده‌اند. بسيارى از قطعات مرتبط با صنايع ارتباطات فيبر نورى و اپتوالكترونيک امروزه براى كاربردهاى سنسور فیبر نوری توسعه داده می‌شوند.
از آنجايى كه قيمت قطعات كاهش و كيفيت آنها افزايش پیدا كرده است؛ توانايى حسگر فيبرنورى در جايگزين كردن حسگرهاى سنتى براى كاربردهاى تشخيصى افزايش يافته است. در قرن 21 تكنولوژى فوتونيک به يكى ازحوزه‌هاى تحقيقاتى پايه تبديل شده است. حسگر فیبرنوری كاربردهاى گوناگونى دارند؛ از نظارت بر ساختارهاى طبيعى براى پیيش‌بينى زمين لرزه‌ها و فعاليت‌هاى آتشفشانى تا سيستم‌هاى پزشكى مثل مانيتور كردن اكسيژن خون.
در كاربردهاى ساختارى، حسگرهاى فيبرنورى براى تشخيص تنش استفاده می‌شوند. اين حسگرها همچنين براى سنجش دما، فشار، چرخش، شتاب، ميدان مغناطيسى، سرعت، لرزش، گونه‌هاى زيستى و شيميايى، درجه PH ، موج‌هاى صوتى، سنجش‌هاى محيطى و بسيارى از پارامترهاى فيزيكى ديگر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. حسگر فيبرنورى می‌توانند به عنوان وسيله‌اى تعريف شوند كه از طريق آن، كميتهاى فيزيكى، شيميايى، زيستى يا ديگر موارد با نورهدايت شده درون فيبر نورى و يا نور هدايت شده توسط فيبرنورى درون يك محيط تعاملى؛ فعل و انفعال داشته باشند تا يک سيگنال نورى مرتبط با پارامتر موردنظر توليد كنند.
حسگر فیبرنوری به صورت شماتيك در شكل ١ نمايش داده شده است. نور با استفاده از يک فيبرنورى به يک ناحيه مدو لاسيون برده شده و در آنجا توسط پديده‌هاى فيزيكى؛ شيميايى يا زيستى مدوله می‌شود سپس نور مدوله شده به يک گيرنده منتقل شده و شناسايى و وامدوله می‌شود.
فوايد تشخيص فيبرنورى شناخته شده وبه صورت گسترده ارائه شده‌اند. در مقايسه با حسگرهاى الكتريكى و الكترونيكى مرسوم، حسگر فیبرنوری برتری‌هايى دارند كه انواع ديگر نمی‌توانند يا به سختى می‌توانند بدست آورند:
- عدم حساسيت به EMI (تداخلات الكترومغناطيسى) و عدم هدايت جريان الكتريكى
- تشخيص از راه دور: اين أمكان وجود دارد كه قسمتى از فيبر را به عنوان يك معيار سنجش با يک قسمت بلند از فيبرى ديگر (ياهمان فيبر) استفاده كرد تا اطلاعات سنجش به يک ايستگاه دور منتقل شود. كابل‌هاى انتقال فيبرهاى نورى به طور قابل توجهى اتلاف سيگنال كمترى را در مقايسه با انتقال سيگنال در حسگرهاى ديگر دارند، و می‌توانند نرخ سيگنال به نويز (SNR) بالايى را حفظ كنند.
- اندازه کوچک و وزن سبک: فيبرهاى نورى ذاتاً کوچک هستند، كه به ساختن يک سيستم فشرده اندازهگيرى كمک می‌كند و براى نصب كردن يا قرار دادن در ساختارها مناسب است.
- كاركرد در محيطهاى خطرناک: حسگرهاى فيبرنورى می‌توانند تحت شرايط شديد مثل دما و فشار بالا، محيطهاى سمى و خورنده اشعه بالا، ميدانهاى الكترومغناطيسى بزرگ و ديگر محيطهاى ناملايم؛ عمل كنند.
- حساسيت بالا و پهناى باند وسيع: يک حسگر فيبرنورى به آشفتگی‌هاى كوچكى در محيطش حساس است.
- اندازهگيرى توزيع شده: يك شبكه ارتباطى فيبرنورى به كارير اجازه می‌دهد در طول خط انتقال هنگامى كه سيگنال از آن عبور می‌كند، بدون اتلاف چشمكگرى در نقاط مختلف اندازهگيرى كند.
طبقه‌بندى سنسورهاى فيبرنورى
به طور كلى، حسگر هاى فيبرنورى با توجه به كاربردشان تحت دو عنوان دسته‌بندى می‌شوند:
۱. حسگر فيبر نورى بيرونى
۲. حسگر فيبر نورى درونى
همان طور كه در شكل 2 – الف نشان داده شده است، در حسگرهاى بيرونى، عنصرى اصلى حسگر فیبرنوری در بيرون فيبر قرار گرفته و سنجش در محلى خارج از فيبر اتفاق می‌افتد. فيبر نورى فقط به عنوان وسيله‌اى براى انتقال و جمع آورى نور استفاده می‌شود. نور منتشرشده از فيبر وارد سيستم حسگر شده سپس نور مدوله شده توسط همان فيبر يا مدولاتور نور فيبر ديگرى شناسايى و دوباره جمع آورى می‌شود.
حسگرهاى درونى از اين نظر با حسگرهاى بيرونى متفاوتند كه نور براى انجام عمل سنجش لازم نيست فيبرنورى را ترک كند (شكل 2-ب). در FOS هاى دروني، ساختار فيبرنورى تغيیر پیدا كرده و خود فيبر نقش فعالى در عمل سنجش بازى مى‌كند. در واقع عنصر اصلى حسگرى در درون فيبر تعبيه می‌شوند. براى مثال، مدولاسيون نور درون فيبر انجام می‌شود تا يک پارامتر بخصوص اندازهگيرى شود. اين حسگرها حسگرهاى All-Fiber نيز ناميده می‌شوند.
حسگرهاى فيبرنورى بيرونى می‌توانند در طرح‌هايى مثل تداخل‌سنج‌هاى فابرى -پرو يافت شوند كه تنها از برخى از مزيت‌هايى استفاده مى‌كنند كه فيبرهاى نورى در مقابل تکنولوژی‌هاى رقيب عرضه مى‌كنند.
تداخل سنج فابرى- پرو يا اتالون، از يک تيغه شفاف با دو سطح بازتابنده يا از دو آينه موازى با بازتابندگی زياد ساخته می‌شود. نام اين تداخل سنج از نام‌هاى چارلز فابرى و الفرد پرو گرفته شده‌است. واژه اتالون از واژه فرانسوى etalon به معنى ييمانه اندازهگيرى يا استاندارد گرفته شده‌است. اتالون‌ها به صورت بسيار وسيع در ارتباطات راه دور ليزرها و طيف‌سنجى براى كنترل و اندازهگيرى طول موج‌هاى نور استفاده می‌شود.
حسگر هاى فيبرنورى درونى مانند زيروسكوب فيبرنورى، براگ، گريتينگ فيبرى، گرتينگ‌هاى طولانى مدت، يكروباند و حسگرهاى فيبر روكش شده يا ذوب شده از بيشتر مزيت‌هاى اين تکنولوژی استفاده می‌كنند. سيستم‌هاى با سنسور درونى بسيارى از محققان را جذب توانايى خود براى تعبيه شدن در ساختارهاى كامپوزيت كرده‌اند.
شكل 3. تداخل سنج فابرى – پرو
طبقه‌بندى سنسورها بر اساس تكنيك‌هاى مدولاسيون
حسگرهاى فيبر نورى به عنوان مبدل عمل كرده و كميت‌هايى مثل دما، كشش و فشار را به يک تغيير متناظر در تابش نورى تبديل می‌كند.
موج نورى منتشر شده در طول فيبرنورى می‌تواند بر حسب چهار فاكتور مشخص شود؛ شدت (دامنه)، فاز، طول موج (فركانس) و حالت قطبيت. هنگامى كه محيط اطراف آشفتگى مشخصى در ناحيه المان سنجش ايجاد می‌كند، حداقل يكى از اين چهار فاكتور بر اساس ميزان تأثير تغيبر می‌كنند.
از طريق اندازه گيرى تغيیرات سيگنال نورى، می‌توان اطلاعات مفيدى از تغيبرات محيط اطراف بدست آورد. بنابراين اثربخشى حسگر فيبرنورى وابسته به توانايى آن در تبديل قابل اعتماد و دقيق كميتهاى مورد اندازه گيرى به اين پارامترها است. بر اساس تكنيك‌هاى مدو لاسيون، سنسورهاى نورى به صورت زير طبقه‌بندى می‌شوند.
- FOS با مدو لاسيون شدت
- FOS با مدولاسيون فاز
- FOS با مدو لاسيون قطبيت
- FOS با مدو لاسيون طول موج
حسگرهاى مدولاسيون فاز معمولاً ازيك تداخل سنج استفاده می‌كنند و سيگنال خروجى را از طريق مقايسه فاز سيگنال دريافتى منبع نور منسجم مثل يک ليزر و دو فيبر سينگل مود را بكار مى‌گيرد. حسگرهاى شدت اساسا در ذات غيرمنسجم هستند و از نظر ساخت و بكارگيرى ساده هستند، در حالیكه حسگرهاى تداخل‌سنج از نظر طراحى و كار پیچيده بوده اما حساسيت و رزولوشن بهترى را در مقايسه با سنسورهاى با مدولاسيون شدت ارائه می‌دهند.
در حسگرهاى مبتنى بر مدو لاسيون قطبيت، يك نور قطبى صاف درون فيبر وارد می‌شود و تغيیرات حالت قطبيت به عنوان عملكرد پارامتر مزاحم مورد نظر اندازه گيرى می‌شود. در استفاده از حسگرهاى با مدولاسيون طول موج، نور از يك منبع گسترده وارد يک طرف فيبر می‌شود و تغيیر در محيط را يرحسب تغيبر در طول موج طيف بازتاب شده يا منتقل شده می‌سنجد.
حسگرهاى با مدو لاسيون شدت
در يك FOS مدولاسيون شدت، كميت مورد اندازه گيرى، شدت نور منتقل شده از فيبر را مدوله می‌كند و تغيبرات شدت نور خروجى توسط يك شناساگر مناسب اندازهگيرى می‌شود. اندازه گيرى قدرت نورى آسان‌تر از اندازه گيرى ويژگی‌هاى پيچيده نورى مثل تغيير طول موج، حالت قطبيت يا تداخل فاز است. مكانيزم‌هاى مختلف از جمله انتقال، بازتاب، ريز خم‌ها يا پديده‌هاى ديگر مثل جذب، پراكندگى يا فلوئورسنس می‌توانند همراه با اتلاف نور باشند. بسته به اينكه كدام مكانيزم شدت يک سيگنال را تغيير می‌دهد، تنوع گسترده‌اى براى معمارى اين حسگرها موجود است.
حسگرهاى فيبرنورى انعكاسى مبتنى بر شدت، نمايانگر حسگرهاى اوليه، رو به جلو و شايد با بيشترين استفاده هستند.
حسگر مبتنى بر شدت نيازمند نور ييشترى است و در نتيجه معمولا از فيبرهاى مولتى مود با هسته بزرگ استفاده می‌كند. محبوبيت اين حسگرها مرتبط با تنظيمات ساده آنها، هزينه پايبن ساخت، احتمال چند برابر شدن، نيرومندى و انعطاف‌پذيرى است زيرا هيچ جز، يا فيبر خاصى مورد نياز نيستند بجز يك منبع ثابت نورى، يک دتكتور نور و البته واحد پردازش سيگنال.
به هرحال، با اضافه كردن اجزاى مناسب به ساختمان اين حسگرها، عملكرد می‌تواند بهبود يابد و سنجش در نقاط متعدد ممكن شود.
حسگر هاى فيبرنورى مبتنى بر شدت داراى يک سرى محدوديت‌هايى براى اندازه گيرى هستند كه به علت اتلاف‌هاى مختلف در سيستم تحميل شده‌اند و ارتباطى به اثر محيطى كه بايستى اندازه گيرى شوند ندارند.
منابع خطاى احتمالى شامل اتلاف‌هاى مختلفى به واسطه اتصالات و شكاف‌ها، اتلاف ريزخم‌ها، اتلاف خم‌هاى ماكر، زوال فيبر نورى و عدم تطبيق منابع نورى و دتكتورها می‌شود. تغييرات شدت منبع نور همچنين ممكن است سبب خوانش و تفسير اشتباه شود، مگر آنكه از یک سيستم مرجع استفاده شود. FOS با مدولاسيون شدت در تنوع زيادى از ستسورهاى درونى و بيرونى يافت می‌شود.
حسگرهاى با مدولاسيون فاز
حسگرهاى با مدولاسيون فاز از تغيیرات در فاز نور براى شناسايى استفاده می‌كنند. مبناى جذابيت مدولاسيون فاز نورى، حساسيت داخلى بالاى آن به تغييرات محيطى است، به طورى كه اندازه گيری‌ها با رزولوشن بسيار بالا ممكن باشند. فاز نور عبورى از فيبر توسط تغييرات محيطى مدوله می‌شود. مدولاسيون فاز بعداً به صورت تداخل سنجى، از طريق مقايسه فاز نور در فيبر سيگنال و در فيبرنورى مرجع شناسايى می‌شود.
در يك تداخل سنج، نور به دو پرتو تقسيم می‌شود. به طوريكه يكى از پرتوها در معرض عمل اندازه گيرى است و متحمل يك تغيبر فاز می‌شود و پرتوى ديگر از محيط سنجش ايزوله شده و به عنوان مرجع استفاده مي‌شود. هنگامى كه پرتوها دوباره تركيب می‌شوند با يكديگر تداخل می‌يابند. اين پرتوها براى اندازه گيرى فشار، چرخش، ميدان مغناطيسى و غيره استفاده می‌شوند. حسگرهاى تداخلى بر اساس تداخل امواج نورى، به اطلاعات مورد نظر می‌رسند. حسگرهاى ماخ زاندر، مايكلسون؛ ساگناک، فابرى- پرو، قطبش سنجى و تداخل سنج‌هاى گريتينگ، از تذاخل سنج‌هاى رايج هستند.
اين حسگرهاى تداخل سنجى كاربردهاى گسترده‌اى در علم مهندسى و فيلد تكنيكال دارند. تداخل سنج ماخ زاندر مرسوم ترين حسگر مدولاسيون فاز است. به طور كلى، حسگر فيبرنورى مبتنى بر فاز حساس تراز حسگر مبتنى بر شدت است.
حسگرهاى با مدولاسيون قطبشس
فيبر نورى از شيشه ساخته می‌شود. ضريب شكست فيبر می‌تواند از طريق اعمال فشار يا كشش تغيير كند. اين يديده اثر فوتو الاستيک ناميده می‌شود. به علاوه، در خيلى از موارد، استرس يا كشش در جهات مختلف متفاوت است، به طوريكه كه تغيير القا شده ضربب شكست نيز در جهات مختلف متفاوت باشد. بنابراين، يك اختلاف فاز القا شده در جهات قطبش مختلف وجود دارد. به عبارت ديگر تحت آشفتگی‌هاى خارجى، مثل استرس يا كشش، فيبرنورى مانند يك دنبال كننده خطى عمل می‌كند. از اين رو، با شناسايى تغيبر در حالت قطبيت خروجى، آشفتگى خارجى می‌تواند احساس شود.
قطبش نقش مهمى را در سيستم‌هاى مبتنى بر فيبر سينگل مود بازى می‌كند. پديده‌هاى فيزيكى مختلفى وضعيت قطبش نور را تحت تأثير قرار می‌دهند. اين پديده‌ها شامل چرخش فارادى، الكتروزيراسيون، اثر الكترواپتيك و اثر فوتو الاستيك می‌شوند. مدولاسيون قطبش همچنين ممكن است توسط تعدادى از شيوه‌هاى ديگر مثل پيچش مكانيكى يا با اعمال استرس روى فيبر، عرضه شود. می‌توان ميدان مغناطيسى، ميدان الكتريكى، دما و گونه‌هاى شيميايى را بر اساس اثر قطبيت انذازه گيرى نمود.
حسگرها با مدول طول موج
حسگرهاى با مدولاسيون طول موج از تغيبرات طول موج نور براى شناسايى استفاده می‌كنند. حسگرهاى با مدول طول موج در واقع آنهايى هستند كه از گريتينگ‌هاى محاط درون فيبرنورى استفاده می‌كنند. گريتينگ يك ساختار تناوبى است كه باعث می‌شود نور يا انرژى الكترومغناطيس ورودى به گونه خاص عمل كند كه وابسته به تناوب گريتينگى است.
در بخش دوم اين مقاله در مورد حسگرهاى مبتنى بر كريتينك فيبر مطالبى ارائه خواهد شد.
**این مقاله توسط مهندس محمد علی مساواتی تر جمه و تدوین گردیده و در فصلنامه صنعت سيم و كابل، شماره ۷۵ به چاپ رسیده است.**
