حسگرهای فیبر نوری
-
حسگرهای فیبر نوری

تعریف: حسگرهای نوری برپایة افزاره‌ های فیبری
حسگرهای فیبر نوری، ابزارهایی هستند که بر پایة ادوات فیبری بنا شده اند و برای تشخیص مقادیری چون دما، کرنش مکانیکی، جابجایی ‌ها، ارتعاشات، فشار، شتاب، دوران‌ها (که به وسیله ژیروسکوپ‌های اپتیکی، بر اساس اثر ساگناک[1]، اندازه ‌گیری می‌شوند) یا غلظت مواد شیمیایی بکار می‌روند. در این ابزارها نوری که در بیشتر اوقات توسط لیزر (معمولا یک لیزر فیبری تک-فرکانس) یا منبع ابردرخشان[2] تامین می‌شود، از طریق فیبر نوری ارسال می‌شود. تغییر ویژگی‌های باریکه هم در فیبر و هم توری براگ فیبری[3] به آشکارساز می‌رسد و اندازه‌ گیری می‌شود.
در مقایسه با دیگر حسگرها، حسگرهای فیبر نوری مزایایی دارند که در زیر به آنها اشاره می‌شود:

  • این حسگرها نیازی به ارتباط الکتریکی از طریق سیم نداشته و در واقع از مواد عایق الکتریکی تولید می‌شوند که امکان استفاده از آنها را در محیط ‌های ولتاژ بالا، فراهم می‌کند.
  • از آنجایی‌که جرقة الکتریکی به وجود نمی‌آید، بکارگیری آنها در محیط ‌های با خطر انفجار بالا، امن خواهد بود.
  • این ادوات در برابر اختلالات الکترومغناطیس (EMI)[4] ایمن هستند و می‌توان آنها را حتی در حضور صاعقه هم مورد استفاده قرار داد. در عین حال در دیگر دستگاه ‌ها هم اختلالات الکتریکی بوجود نمی ‌آورند.
  • مواد مورد استفاده در این وسایل از نظر شیمیایی خنثی هستند. یعنی محیط اطراف خود را آلوده نمی‌کنند و در برابر خوردگی نیز، مقاوم هستند.
  • کاربرد حسگرهای فیبر نوری در گسترة دمایی بسیار وسیعی امکان‌پذیر است (خیلی گسترده ‌تر از آنچه که برای بسیاری از تجهیزات الکترونیکی ممکن است).
  • قابلیت مخابرة همتافته[5] در حسگرهای فیبری وجود دارد. به عبارت دیگر چند حسگر می‌توانند از طریق یک فیبر نوری واحد و یک منبع نوری واحد، به صورت هم‌زمان، داده ‌برداری کنند.
حسگرهای توری براگ
اغلب حسگرهای فیبر نوری بر پایة توری براگ فیبری ساخته می‌شوند. اصول اصلی بسیاری از حسگرهای فیبر نوری، طول ‌موج براگ یا حداکثر طول ‌موج انعکاس توری براگ فیبری است، که نه تنها به تناوب توری براگ وابسته است، بلکه به دما و کرنش مکانیکی نیز بستگی دارد. در فیبرهایی که از جنس سیلیس ساخته می‌شود، پاسخ جزئی طول ‌موج براگ به کرنش، تقریبا 20 درصد کمتر از خود کرنش است زیرا تاثیر مستقیم کرنش تا حدی با کاهش ضریب شکست، کاهش می‌یابد. در مورد اثر دما نیز باید گفت که تاثیر دما بر طول ‌موج براگ، مشابه انبساط حرارتی حاصل از آن است. تاثیر کرنش و دما با روش‌های متنوعی قابل تشخیص است. به عبارت دیگر، با بکارگیری توری های مرجع، که متأثر از کرنش نیستند، یا با ترکیب انواع مختلف توری‌ های فیبری، می‌توان اثر دما و کرنش را بر حداکثر طول ‌موج انعکاس توری براگ فیبری، بطور هم‌زمان مشاهده کرد. در مواجهه با کرنش خالص وضوح تغییرات در دامنه 1 میکروکرنش قرار می‌گیرد. یعنی تغییرات نسبی طول از درجه 1 به میلیون و دقت اندازه ‌گیری کمتر از آن نخواهد بود. در اندازه‌ گیری ‌های پویا، برای مثال در محیط‌ های صوتی، حساسیت‌های بهتر از 1 نانوکرنش در دامنه فرکانس 1 هرتز قابل دست‌یابی است.
 
داده ‌برداری (حسگری) توزیع ‌شده
دیگر انواع حسگرهای فیبر نوری، از اصول توری براگ فیبری استفاده نمی­کنند. بلکه بر پایة پراکندگی ریلی[6]، پراکندگی رامان[7] یا پراکندگی بریلوئن[8] ساخته می‌شوند. به عنوان مثال بازتاب ‌سنجی نوری برپایة زمان[9]، روشی است که در آن، می‌توان انعکاس‌های ضعیف را با استفاده از یک سیگنال پالسی پروب[10]، متمرکز نمود. در عین حال امکان استخراج وابستگی دما یا کرنش شیفت فرکانسی بریلوئن نیز وجود دارد.
در موارد مشابه، مقادیر اندازه ‌گیری شده، نوعی میانگین‌ گیری از کل طول فیبر است. حسگرهای دمای قطعی و نیز تداخل‌سنج‌های ساگناک، مثل ژیروسکوپ‌ها، در این حیطه قرار می‌گیرند. در موارد دیگر، مقادیر وابسته به موقعیت همچون دما و کرنش در حیطة داده‌ برداری توزیع‌ شده، اندازه ‌گیری می‌شوند.
 
داده‌ برداری شبه ‌توزیع ‌شده
یک تک فیبر، می‌تواند حاوی مجموعه‌ هایی از حسگرهای توری برای پایش دما و توزیع کرنش در طول کل فیبر باشد. چنین آرایشی، داده ‌برداری شبه ‌توزیع‌ شده، نامیده می‌شود. روش‌های مختلفی برای آدرس ‌دهی توری‌های واحد و در نتیجه موقعیت‌های دقیق آنها در طول فیبر وجود دارد که عبارتند از:

  • در تکنیک مخابره همتافتگری اختلاف طول ‌موجی (WDM)[11] یا انعکاس ‌سنجی نوری برپایة فرکانس (OFDR)[12]، توری‌ها، دارای طول ‌موج های براگ کمی متفاوت هستند. در این روش از یک لیزر با طول‌ موج قابل تنظیم[13]، در واحد داده ‌برداری استفاده می‌شود که به عنوان مثال می‌تواند برای طول ‌موج یک توری خاص و طول ‌موج حداکثر بازتابش تنظیم شود و اثر دما و کرنش را نشان دهد. یک منبع نوری پهن-باند (به عنوان مثال، منبع لومینسان پرشدت)، می‌تواند با آشکارساز نوری جاروب طول‌ موج، (به عنوان مثال، فابری-پرو[14] فیبری) یا با یک طیف سنج بر پایة CCD استفاده شود. در هر حال حداکثر تعداد توری‌ها معمولا بین 10 تا 50 عدد است و به بازة تنظیم یا پهنای باند منبع نور و فاصلة زمانی طول ‌موج مورد نیاز در هر توری فیبری محدود می‌شود.
  • در روش دیگری که به مخابره همتافتگری اختلاف زمانی (TDM)[15] موسوم است، از توری‌های بازتابنده ضعیف همسان استفاده می‌شود که با پالس‌های نوری کوتاه داده ‌برداری شده است. بازتاب توری‌های مختلف از طریق زمان رسیدن، از یکدیگر متمایز می‌شوند. مخابره همتافتگری اختلاف زمانی، اغلب با مخابره اختلاف طول‌ موج ترکیب می‌شود تا تعداد کانال‌های مختلف را به صدها و حتی هزاران عدد افزایش دهد.
  • یک کلید نوری اجازة انتخاب بین خطوط مختلف فیبری را فراهم می‌کند و تعداد حسگرهای ممکن را چند برابر می‌کند.
 
دیگر رویکردها
جدا از رویکردهایی که در بالا به آنها اشاره شد، روش‌های جایگزین بسیاری وجود دارد که در زیر به آنها اشاره خواهد شد:

  • وقتی توری براگ فیبری، صرفا به عنوان بازتابنده مورد بهره ‌برداری قرار گیرد، می‌تواند به عنوان حسگر تداخل ‌سنجی فیبری[16] عمل کند و جابجایی فازی اندازه‌ گیری شده، ناشی از ناحیة فیبری است که بین بازتاب دهنده‌ ها، قرار گرفته است.
  • وقتی که آینة انتهایی یک تشدید کنندة لیزر فیبری، شامل فیبر آلاییده با اربیوم[17] که نور پمپ 980 نانومتری را از طریق خط فیبر دریافت می‌کند، از یک توری حسگر، تشکیل شده باشد، حسگرهای لیزری توری براگ[18]، بدست می ‌آید. طول ‌موج براگ که به دما و کرنش بستگی دارد، طول ‌موج لیزر را تعیین می‌کند. این رویکرد، که تغییرپذیری زیادی دارد، وضوح و حساسیت بسیار بالای حسگر را که ناشی از پهنای کم پرتوی لیزر فیبری است، تضمین می‌کند.
  • در پاره ‌ای از موارد، یک جفت توری براگ، به عنوان تداخل ‌سنج فابری پرو فیبری، مورد استفاده قرار می‌گیرد، که به ویژه، قادر است با حساسیت بالا، به اختلالات خارجی، واکنش نشان دهد. تداخل ‌سنج فابری پرو از طرق دیگر، چون فاصلة هوایی متغیر در فیبر هم قابل تولید است.
  • توری‌های فیبری با دورة تناوب بلند، به طور اختصاصی برای داده‌ برداری چندگانه، (مثلا دما و کرنش) مناسب هستند و برای داده ‌برداری از کرنش نسبت به تغییرات دما حساسیت کمی دارند.
 
کاربردها
حتی پس از سال‌ها توسعه، جایگزینی فن‌ آوری‌های کارآمد کنونی، با حسگرهای فیبری کاری دشوار است و این حسگرها به رغم محدودیت‌های حاکم بر حسگرهای قدیمی، هنوز توفیق چندانی در فروش بدست نیاورده ‌اند. اما در برخی کاربردها مثل داده ‌برداری از محیط ‌های خشنی چون ولتاژ بالا، ماشین‌آلات توان بالا یا اجاق‌های مایکروویو قابلیت‌های جذابی دارند. حسگرهای توری براگ می‌توانند در پایش شرایط‌ هایی، مثل بال هواپیماها، توربین‌های باد، پل‌ها، سدهای بزرگ، چاه ‌های نفت و خطوط لوله به‌کار گماشته شوند. ساختمان‌هایی که از حسگرهای فیبر نوری مجتمع بهره ‌مند هستند، ساختارهای هوشمند خوانده می‌شوند و اجازه پایش شرایط داخلی و حصول اطلاعات مهمی چون کرنش در اجزاء مختلف سازه که با پیر‌شدگی، ارتعاشات و غیره مواجه هستند را فراهم می‌نماید. پیش ‌بینی می‌شود که سازه‌ های هوشمند محرک اصلی توسعة بیشتر حسگرهای فیبر نوری در آینده باشند.
 



[1]Sagnac
[2]Superluminescent
[3]Fiber Bragg Grating
[4]Electromagnetic Interference
[5]Multiplexing
[6]Rayleigh scattering
[8]Brillouin scattering
[9]Optical Time Domain Reflectometry
[10]Probe
[11]Wavelength Division Multiplexing
[12]Optical Frequency Domain Reflectometry
[13]wavelength-tunable laser
[14]Fabry–Pérot
[15]Time Division Multiplexing
[16]Interferometric Fiber Sensor
[17]Erbium
[18]Bragg Grating Laser Sensor

1395/10/14