حسگر های 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 الكتريكىتشخيص 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 فيبرنورى‏به طور كلى، حسگر هاى فيبرنورى با توجه به كاربردشان تحت دو عنوان دسته‌بندى می‌شوند:۱. حسگر فيبر نورى بيرونى۲. حسگر فيبر نورى درونى‏همان 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.