حسگرهای فیبر نوری

تعریف: حسگرهای نوری بر پایه ابزار فیبری
حسگرهای فیبر نوری، ابزارهایی هستند که بر پایه ادوات فیبری بنا شده اند و برای تشخیص مقادیری چون دما، کرنش مکانیکی، جابجایی‌ها، ارتعاشات، فشار، شتاب، دوران‌ها (که به وسیله ژیروسکوپ‌های اپتیکی، بر اساس اثر ساگناک[۱]، اندازه‌گیری 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 لومینسان پرشدت^[۲] تامین می‌شود، از طریق فیبر نوری ارسال می‌گردد. تغییر ویژگی‌های آن هم در فیبر و هم توری براگ فیبری^[۳] به آشکارساز می‌رسد و اندازه‌گیری می‌شود.
در مقایسه با دیگر حسگرها، حسگرهای فیبر نوری مزایایی دارند که در زیر به آنها اشاره می‌شود:

 
حسگرهای توری براگ
اغلب حسگرهای فیبر نوری بر پایه توری براگ فیبری ساخته می‌شوند. اصول اصلی بسیاری از حسگرهای فیبر نوری، طول‌موج براگ یا حداکثر طول‌موج 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 سیلیکا ساخته می‌شود، پاسخ جزئی طول‌موج براگ به کرنش، تقریبا ۲۰ 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 طول‌موج براگ، مشابه انبساط حرارتی حاصل از آن است. تاثیر کرنش و دما با روش‌های متنوعی قابل تشخیص است. به عبارت دیگر، با بکارگیری توری‌های مرجع، که متأثر از کرنش نیستند، یا با ترکیب انواع مختلف توری‌های فیبری، می‌توان اثر دما و کرنش را بر حداکثر طول‌موج انعکاس توری براگ فیبری، بطور هم‌زمان مشاهده کرد. در مواجهه با کرنش خالص وضوح تغییرات در دامنه ۱ میکروکرنش قرار می‌گیرد. یعنی تغییرات نسبی طول از درجه ۱ به میلیون و دقت اندازه‌گیری کمتر از آن نخواهد بود. در اندازه‌گیری‌های پویا، برای مثال در محیط‌های صوتی، حساسیت‌های بهتر از ۱ نانوکرنش در دامنه فرکانس ۱ هرتز قابل دست‌یابی است.
 
داده‌برداری (حسگری) توزیع‌شده
دیگر انواع حسگرهای فیبر نوری، از اصول توری براگ فیبری استفاده نمی­کنند. بلکه بر پایه‌ی پراکندگی ریلی^[۶]، پراکندگی رامان^[۷] یا پراکندگی بریلوئن^[۸] ساخته می‌شوند. به عنوان مثال انعکاس‌سنجی نوری برپایه‌ی زمان[۹]، روشی است که در آن، می‌توان انعکاس‌های ضعیف را با استفاده از یک سیگنال پالسی پروب[۱۰]، متمرکز نمود. در عین حال امکان استخراج وابستگی دما یا کرنش شیفت فرکانسی بریلوئن نیز وجود دارد.
در موارد مشابه، مقادیر اندازه‌گیری شده، نوعی میانگین‌گیری 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 حیطه‌ی داده‌برداری توزیع‌شده، اندازه‌گیری می‌شوند.
 
داده‌برداری شبه‌توزیع‌شده
یک تک فیبر، می‌تواند حاوی مجموعه‌هایی از حسگرهای توری برای پایش دما و توزیع کرنش در طول کل فیبر باشد. چنین آرایشی، داده‌برداری شبه‌توزیع‌شده، نامیده می‌شود. روش‌های مختلفی برای آدرس‌دهی توری‌های واحد و در نتیجه موقعیت‌های دقیق آنها در طول فیبر وجود دارد که عبارتند از:

 
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:

 
کاربردها
حتی پس از سال‌ها توسعه، جایگزینی فن‌آوری‌های کارآمد کنونی، با حسگرهای فیبری کاری دشوار است و این حسگرها به رغم محدودیت‌های حاکم بر حسگرهای قدیمی، هنوز توفیق چندانی در فروش بدست نیاورده‌اند. اما در برخی کاربردها مثل داده‌برداری از محیط‌های خشنی چون ولتاژ بالا، ماشین‌آلات توان بالا یا اجاق‌های مایکروویو قابلیت‌های جذابی دارند. حسگرهای توری براگ می‌توانند در پایش شرایط‌هایی، مثل بال هواپیماها، توربین‌های باد، پل‌ها، سدهای بزرگ، چاه‌های نفت و خطوط لوله به‌کار گماشته شوند. ساختمان‌هایی که از حسگرهای فیبر نوری مجتمع بهره‌مند 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. پیش‌بینی می‌شود که سازه‌های هوشمند محرک اصلی توسعه بیشتر حسگرهای فیبر نوری در آینده باشند.
 

---