Technical information

1395/07/06 12:28

معرفی سنسور فیبر نوری

 

 

 

 

حسگرهای  فیبر نوری

فیبر نوری به طور عمده در صنعت ارتباطات و مخابرات استفاده می شود و به طور قابل توجهی این صنعت را دستخوش تغییر قرار داده است. با این حال، از کاربردهای در حال رشد فیبرهای نوری، بکارگیری آنها در سنسور و حسگرهاست که برای سنجش و اندازه گیری استفاده می شوند. سنسورهای نوری در واقع تجهیزاتی هستند که استفاده از آنها در صنعت رواج دارد.  این سنسور های نوری بر مبنای ارسال و دریافت نور کار میکنند.

 

سنسور فیبر نوری، دستگاه مبتنی بر فیبر می باشد که برای تشخیص برخی از مقادیر مانند دما، فشار، ارتعاشات، جابجایی، چرخش و یا غلظت گونه های شیمیایی، کنترل سطح مخازن ، تشخیص پارگی ورق ، کنترل انحراف پارچه و کنترل تردد و ... به کار برده می شود. از ابزارهای دقیق و دستگاه های مخصوص مورد نیاز برای سنسور می توان به منبع نوری (اغلب لیزر تک فرکانس فیبر)، عنصر اصلی حسگر، آشکارساز نوری و دستگاه های پردازش پایانی اشاره کرد.

حوزه اندازه گیری در دهه 1980 شاهد پیشرفت های عمده ای در تکنولوژی حسگرهای فیبر نوری بوده است.

انواع حسگر فیبر نوری :

1. حسگر فیبر نوری محض 

2. حسگر فیبر نوری از راه دور

 

حسگرهای فیبر نوری از راه دور فقط از فیبر جهت انتقال نور به یک دستگاه مستقل دیگر استفاده می کنند. که در آن دستگاه به تحریک نور پاسخ می دهد. در حالی که حسگرهای فیبر نوری محض به تغییرات ناشی ازمحیط در نور به هنگام عبور آن از داخل فیبر نوری وابسته اند.  در اغلب حسگر های نوری محض، در پاسخ آنها به اثرهای بیرونی، یکی از دو اتفاق زیر رخ می دهد

  .1نور از هسته به پوسته نشت کرده و جذب می شود. 2. نور مجبور به طی مسیری می شود، که با نوری که مسیر نوری دیگری را طی می کند متفاوت است. این مسئله سبب ایجاد اختلاف فاز در بین دو موج نوری می شود. این اختلاف فاز را می توان با استفاده از ترکیب دو موج نوری از طریق بر هم نهی و مشاهده الگوی تداخلی آشکار کرددر حسگرهای نوری از فیبر تک مد استفاده می شود .این فیبر، فیبری است با توان پائین و هسته بسیار کوچک و درنتیجه این فیبر ها دارای زاویه پذیرش کوچک هستند

با تغییر مشخصات در پاسخ به محرک های گوناگون، حسگرهای فیبر نوری حساسیت زیاد و گسترده دینامیکی وسیعی را فراهم می آورند.

یک سیستم حسگر فیبر نوری شامل یک کابل فیبر نوری متصل به یک حسگر از راه دور، و یا 

آمپلی فایر است. (شکل 1).

 

شکل 1. در یک سیستم سنجش فیبر نوری، کابل فیبر نوری است که به تقویت کننده متصل اجازه می دهد تا سنسور برای رسیدن به مناطق غیر قابل دسترس به

 

 سنسورهای فوتوالکتریک استاندارد برسد.

 

سنسور، نور را ساطع و دریافت می کند، و انرژی نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کندکابل جزء مکانیکی است، که نور را به داخل و خارج از مناطق که یا خیلی 

 

دور و یا خیلی نزدیک هستند انتقال می دهد.

 

این فیبر نوری شامل یک هسته پلاستیکی یا شیشه ای احاطه شده توسط یک لایه از مواد پوششی (شکل 2) می باشد. تفاوت در تراکم بین این دو جزء، کابل

 را قادر می سازد مطابق با اصل بازتاب داخلی کلی، عمل کند.

 

 

 

 

 

شکل 2.  پرش کردن نور در دیوارهای کابل فیبر نوری.

 

سنسور فیبر نوری دامنه وسیعی از مزایای فوق العاده را ارائه می دهد که به همین خاطر در بسیاری از فیلدها به موفقیت فراوان رسیده است. مزایای آن به شرح زیر است:

1) ضد انفجار:  در سنسور فیبر نوری، سیگنال اولیه نور است. بنابراین، هیچ خطر جرقه برای فیبر وجود ندارد.
2) ایمنی نسبت به تداخل الکترومغناطیسی:  از آنجا که فیبرها از مواد عایق مانند شیشه تشکیل شده اند سنسور فیبر نوری به فرکانس رادیویی و الکترومغناطیسی حساسیتی ندارد.

3) اندازه کوچک، وزن سبک و انعطاف پذیر:  این قابلیت باعث گسترش کاربرد سنسور فیبر نوری در بسیاری از زمینه ها مانند صنعت هواپیمایی شده است.

4) حساسیت بالا:  سنسورهای فیبر نوری بسیار حساس هستند و دارای پهنای باند بزرگی می باشند. هنگامی که تعدادی از سنسورها با پهنای باند بالا مالتی پلکس می شوند دارای مزیت های فراوانی شده و نتایج و داده های حاصله را به خوبی انتقال می دهند.

5) سنجش از راه دور:  با تلفات کم فیبرهای نوری ، سیگنال نوری را می توان در یک فاصله طولانی (10m-1000m) منتقل کرد. بنابراین سنجش از راه دور با فیبر نوری امکان پذیر است.

6) تراکم و فشردگی:  با وجود قابلیت نیمه هادی در سنسورهای فیبر نوری (ابعاد کوچک آشکارسازها و منابع) می توان به راحتی سیستم حسگر فشرده نوری طراحی کرد.

7) استحکام و مقاومت در برابر محیط : فیبر نوری از موادی نظیر پلاستیک یا شیشه ساخته شده است که زنگ زدگی با خود به همراه ندارد، بنابراین، فیبرها هنگامی که در مجاورت الکترولیت، اشعه های یونساز و غیره قرار می گیرند دارای ثبات بسیار عالی می باشند. به علاوه فیبرها می توانند تا دمای 350 درجه سلسیوس را تحمل کنند. در فیبرهای خاص این رقم تا 1200 درجه سلسیوس نیز افزایش می یابد.


بر اساس مکان سنسور، سنسور فیبر نوری به طور کلی به دو نوع، درونی و بیرونی طبقه بندی می شود. سنسور فیبر نوری درونی سنجش و سنس کردن فواصل بسیار بزرگ را به عهده دارد و بهترین و پرکاربردترین نوع سنسوراست. در سنسور فیبر نوری درونی، سنجش و سنس کردن در خود فیبر انجام می شود. تنها یک منبع ساده و آشکارساز مورد نیاز برای سنسور است. این نوع سنسور بستگی به خواص و جنس فیبر نوری برای تبدیل یک عمل محیطی به یک مدولاسیون از پرتو نور عبوری، دارد. مفهوم اساسی سنسور فیبر نوری درونی در تصویر زیر نشان داده شده است.

 

سنسور فیبر نوری بیرونی از کابل فیبر نوری استفاده می کند که به طور معمول Multimode می باشد، که کار آن انتقال نور مدوله از سنسور غیر فیبر نوری ، و یا سنسور الکترونیکی متصل به یک فرستنده فیبر نوری می باشد. در این سنسور، فیبر ممکن است به عنوان حامل، که راه را به باکس سیاه نشان می دهد استفاده شود. سیگنال نوری بسته به اطلاعات وارد به باکس سیاه تولید می شود. جعبه سیاه ممکن است از آینه، گاز و یا هر گونه مکانیسم دیگری که بتواند یک سیگنال نوری تولیدکند، ساخته شده است. این سنسورها برای اندازه گیری چرخش، سرعت ارتعاش، جابجایی، پیچش، گشتاور و شتاب استفاده می شوند. مزیت عمده این سنسورها توانایی بکارگیری برای رسیدن به جایی که از طرق دیگر غیر قابل دسترس است، می باشد. بهترین مثال از این سنسور اندازه گیری دمای داخل موتور هواپیمای جت است. عکس زیر مفهوم اساسی سنسور فیبر نوری خارجی را نشان می دهد.

 

 

 

الیاف شیشه
فیبر نوری از شیشه یا پلاستیک ساخته شده است. فیبرهای نوری شیشه ای از یک بسته از رشته های شیشه ای بسیار نازک، تشکیل شده است. برای غلاف

 فولادی زره ​​پوش جنس استنلس استیل استفاده شده است چون انعطاف پذیر است به جهت محافظت از بسته الیاف

cladded ، اما برای برخی از کابل های یک ژاکت پلی وینیل کلرید (پی وی سی) استفاده شده است.الیاف شیشه ای در دمای بالا و یا یک محیط خورنده بسیار 

انعطاف پذیر هستند. فیبر شیشه ایمی تواند در برابر درجه حرارت 450 درجه فارنهایت به عنوان یک محصول استاندارد مقاومت کند. 

الیاف شیشه ای می توانند خم چرخه ای نامحدود را نیز تحمل کنند. با توجه به این مسئله، الیاف شیشه ای می تواند به خم شدن شدید، کشش، ارتعاش 

شدید، کشیدن، و دیگر رفتار خشن ایستادگی کند. 

الیاف پلاستیکی
کابل فیبر نوری پلاستیکی معمولا از یک رشته منفرد معمولا با قطر 0.254-1.52 میلی متر تشکیلشده است. این الیاف انعطاف پذیر، و بسیار عالی برای برنامه

 های کاربردی که نیاز به تکرار خم و همچنین برای استفاده در مناطق بسیار تنگ است. که به طور کلی اجازه می دهد بوسیله یک دستگاه برش مشتریان بتوانند

 کابل را به طول های مختلف به فروش برسانند.
 

 

 

 

انتخاب کابل مناسب برای سنسور فیبر نوری 

 

جدا از فرآیند انتخاب خود سنسور ، یکی دیگر از مباحث مرتبط، انتخاب کابل فیبر نوری مناسب برای سنسور می باشد. وقتی بخواهیم یک کابل فیبر نوری مناسب را انتخاب کنیم، چندین فاکتور وجود دارد که لحاظ کردن آنها در انتخاب کابل فیبر نوری مناسب برای اپلیکیشن مربوطه باید مورد توجه قرار گیرد.

 

 

گام هایی برای انتخاب کابل مناسب برای سنسور فیبر نوری

 

 

گام اول: نوع سنسور مورد استفاده را مشخص کنید


برای هر نوع سنسور فیبر نوری ( fiber-optic sensor ) یک گروه کابل فیبر نوری متناسب با آن سنسور وجود دارد که می توانید از میان آنها کابل مربوطه را انتخاب کنید. در صنعت معمولا با سنسورهایی مواجه خواهیم شد که یا برای کابل های پلاستیکی طراحی شده است و یا سنسور هایی که برای کابل های شیشه ای طراحی شده اند. همچنین ممکن است سنسور مربوطه با هر دو نوع کابل و یا توسط یک آداپتور قابل استفاده باشد.

 

گام دوم: انتخاب Diffuse یا thru-beam 


سنسور های نوری مورد استفاده در صنعت از سه نوع هستند : سنسور های نوری یک طرفه(Diffuse) ، سنسور های نوری رفلکتوری ( Retro-Reflective ) و سنسور های نوری دو طرفه (Thru Beam)
در سنسور های نوری یک طرفه و رفلکتوری بخش فرستنده وگیرنده در کنار یکدیگر در داخل یک کیس نصب می شوند ولی در سنسور های دوطرفه فرستنده وگیرنده مجزا از یکدیگر می باشند و نور توسط فرستنده ارسال می شود و گیرنده ای که در مقابل فرستنده نصب شده، این نور را دریافت می کند.

سنسور های یک طرفه (سمت راست) سنسور های رفلکتوری (سمت چپ) سنسور های دو طرفه

بنابراین کابل های فیبر نوری نیز برای کار در یکی از دو حالت زیر انتخاب میشوند:


کابل های Diffuse که دارای یک head سنس کننده با دو رشته سیم برگشتی به سنسور (emitter و receiver) هستند. اینها برای فواصل کوتاه استفاده می شوند اما نیازمند نصب هیچگونه تجهیز دیگری جهت آشکار سازی هدف نیستند


کابل های Thru-beam که دارای دو head سنس کننده مجزا هستند و با فاصله از یکدیگر نصب میشوند و وقتی که شعاع نوری (beam) ما بین آنها شکسته شود یک خروجی را تریگر میکنند. برای این روش شما نیازمند دو تکه کابل مشابه هستید که به سمت emitter/receiver سنسور متصل می شوند. کابل های فیبر نوری thru-beam پلاستیکی به صورت جفت فروخته می شوند در حالی که کابل های شیشه ای به صورت تکی فروخته میشوند. کابل های Thru-beam دارای مدل هایی با طول بلندتر هستند و (head) های مخصوص نوع slot  برای این نوع کابل ها ارائه میشود.

گام سوم: نوع Head 
کابل های فیبر نوری از نظر نوع Head و متناسب با اپلیکیشن مورد استفاده دارای تنوع انتخاب هستند. این مدل ها به شرح زیر است:


• Straight smooth cylindrical


• Straight threaded cylindrical


• Side-view/Periscope


• Rectangular


نوع خاص (slot, bendable probe, array) و غیره.

 

گام چهارم: نوع فیبر نوری و جنس پوشش کابل


همانطور که پیشتر گفته شد، کابل های فیبر نوری از دو نوع هستند: فیبر نوری شیشه ای و فیبر نوری پلاستیکی.

گام پنجم: محدوده قابل سنس

 (Sensing range)


محدوده قابل سنس برای یک کابل فیبر نوری متاثر از ترکیب نوع سنسور و کابل مشخص میگردد. برخی از سنسور های نوری قادرند در mode های مختلفی کار کنند که موضوع مذکور روی این محدوده تاثیر گذار است. معمولا در کاتالوگ هر محصول محدوه موثر بر اساس مدل سنسور و mode کاری آن (در صورت استفاده) ذکر میگردد.

 

گام ششم: طول کابل فیبر نوری


طول کابل های فیبر نوری برای اتصال به سنسور های نوری از حدود ۹۰ سانتی متر شروع میشود و می تواند تا حدود ۳ متر باشد

 

 

نظرات

نظر شما
نام :
پست الکترونیکی :
وب سایت :
متن :

تصویر :

برچسب ها :