فهرست مطالب
مروری بر کاربردهای تکنولوژی سنسورهای فیبرنوری (1402/1/25)
از اواخر قرن بیستم، فناوری سنجش و اندازه گیری به کمک سنسورهای مبتنی بر فیبر نوری یا ( FBS ) به تدریج در کاربردهای عملی به کار گرفته شده است. فناوری سنجش FBS به دلیل قابلیت اطمینان قوی، دقت بالا، خاصیت ضد آب قوی، حساسیت بالا، تأثیر کم از محیط خارجی و سهولت در تشکیل شبکه سنجش، به طور گسترده ای برای نظارت بر ایمنی و پایداری تونل ها، غارها و سنگ ها استفاده شده است.
استفاده از حسگرهای FBS برای نظارت بر بار و وضعیت سلامت ساختمان ها در زمان واقعی مانند تونل ها، پل ها و سایر زیرساخت ها می تواند اطلاعات مهمی را ارائه دهد. در طول فرآیند ساخت و ساز، سنسورهای FBS را می توان در سازه های مربوطه تعبیه کرد و یا می توان آنها را پس از اتمام پروژه به سطوح ساختمان مربوطه متصل کرد. با ساخت یک شبکه سنجش، می توان به نظارت کامپیوتری و نظارت بر داده های از راه دور سازه های ساختمانی دست یافت.
در صنعت برق، رایج ترین کاربرد، استفاده از سنسورهای فناوری FBS برای اندازه گیری دمای نقاط داغ سیم پیچ ترانسفورماتور ولتاژ بالا است که می توان از آن برای تشخیص عیب و هشدار اولیه استفاده کرد. نظارت زمان واقعی بر عملکرد ایمن تأسیسات برق می تواند تضمین شود و استفاده بهینه از توان حاصل شود.
در فرآیند فولادسازی، از فناوری سنجش FBS می توان برای توسعه یک دستگاه تشخیص نشت سرباره فیبر نوری برای نظارت بر اطلاعات پارامترهای مربوطه در زمان واقعی استفاده کرد. این می تواند به طور موثر از اکسید شدن فولاد مذاب جلوگیری کند، کیفیت محصول را بهبود بخشد و از مشکلات کیفیت و قضاوت نادرست در طول فرآیند تولید جلوگیری کند.
حسگرهای FBS دستگاه‌هایی هستند که ضد آتش، ضد انفجار و دارای ویژگی‌های ایمنی، پایداری و قابلیت اطمینان هستند. در فرآیند تولید، سنسورهای FBS را می توان برای هدایت یک شبکه سنجش دما توزیع شده بر روی سطح تجهیزات، مانند مخازن واکنش، که در دمای بالا و حالت فشار بالا کار می کنند، استفاده کرد. این امکان نظارت در زمان واقعی دمای سطح را فراهم می کند، امکان کشف و حذف خطرات ایمنی به موقع و اطمینان از عملکرد عادی تجهیزات را فراهم می کند.
با استفاده از حسگرهای سطح آب FBS، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و شبکه‌های فاضلاب شهری را میتوان در زمان واقعی مانیتور کرد. دقت داده مانیتورینگ FBG بالاتر از سنسورهای سنتی است. هنگامی که سطح آب تغییر می کند، FBG کشیده یا فشرده می شود، که امکان سنجش از راه دور و دورسنجی سطح آب را در زمان واقعی فراهم می کند.
سنسورهای FBS به طور گسترده در هوانوردی و ناوبری استفاده می شود. در هوانوردی، از حسگرهای فناوری FBS برای نظارت بر صعود و فرود، دامنه عملیات، سرعت، شتاب، دما، رطوبت و سایر اطلاعات ابزار پرواز در زمان واقعی استفاده می‌شود. با توجه به پارامترهای نظارتی مورد نیاز برای ابزارهای پرواز، به طور کلی نزدیک به یکصد حسگر مورد نیاز است. از آنجایی که سنسورهای FBS سبک، انعطاف پذیر و نصب آسان هستند، بهترین انتخاب هستند
کاربرد سنسور فشار فیبر نوری در جراحی با حداقل تهاجم ( 1401/12/1)
با توسعه و پیشرفت علم و فناوری، مفهوم «حداقل تهاجمی» به زمینه های مختلف جراحی نفوذ کرده است و سیستم نظارت محدود به آندوسکوپ ها نیست، بلکه از روش های مداخله ای مانند جراحی ستون فقرات و ارتوپدی نیز استفاده می کند. روشهای دیگری مانند جراحی میکرو وجود دارد که به طور گسترده ای در جراحی دست استفاده می شود. جراحی با حداقل تهاجم به استفاده از لاپاروسکوپ، توراکوسکوپ و دیگر ابزارهای پزشکی مدرن و تجهیزات مرتبط با آن اشاره دارد. در مقایسه با جراحی سنتی، جراحی حداقل تهاجمی آسیب به بدن انسان ناشی از عمل جراحی سنتی را کاهش می دهد، و ناراحتی و درد ناشی از بیماری ها را به بیماران تا حد زیادی کاهش می دهد. جراحی با حداقل تهاجمی مزایای ترومای کمتر، درد کمتر، و بهبودی سریع تر را دارد. در ده سال اخیر به طور گسترده ای در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است. بیایید نگاهی به استفاده از سنسورهای فشار فیبر نوری در تجهیزات جراحی حداقل تهاجمی داشته باشیم.
(1) سنسور فشار فیبر نوری می تواند به دقت اندازه گیری در طول عمل جراحی حداقل تهاجمی را انجام دهد
در طول عمل جراحی حداقل تهاجمی، تصاویری که بر روی صفحه تلویزیون دیده می شوند، چندین برابر واضح تر از تصویر واقعی بزرگ نمایی می شوند که دید جراح را تا حد زیادی افزایش دهد و گاهی تشخیص و درمان را می توان در همان زمان انجام داد. حسگرهای فشار مینیاتوری بر اساس سیستم های میکرو اپتو-مکانیکی می توانند بیشتر مشکلات حسگرهای فشار سیال را در حال حاضر حل کنند. از جمله این موارد می توان به درمان پمپ بالون داخل آئورتیک و دیگر کاربردهایی که نیاز به تشخیص تغییرات سریع و / یا کوچک در فشار مایع دارند، مانند نظارت بر فشار داخل کرانی یا تشخیص اورولوژیک اشاره کرد. حسگرهای فشار فیبر نوری از نظر اندازه بسیار کوچک هستند که امکان اندازه گیری میدان سریع و دقیق را می دهد که در آن پارامترهای فیزیکی باید شناخته شوند.
(2) حسگرهای فشار فیبر نوری به طور گسترده ای در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند
در زمینه پزشکی، چه تجهیزات تصویربرداری تشخیصی پزشکی در مقیاس بزرگ باشد و چه محصولات دستگاه پزشکی قابل کاشت، «سایه» فیبرهای نوری دیده می شود. بازار فیبر نوری پزشکی با توجه به افزایش کاربرد فیبرهای نوری برای جراحی حداقل تهاجمی، افزایش تقاضا برای تکنیک های تشخیصی پیشرفته، و توسعه سریع فناوری فیبر نوری پزشکی در حال رشد است. تعداد کاربردهای حسگر فشار فیبر نوری شامل تصویربرداری اشعه ایکس، لیزرهای چشمی، فتوتراپی، تشخیص های آزمایشگاهی و بالینی، اجزای سر دندان، ابزارهای تشخیصی جراحی و آزمایشگاهی، میکروسکوپ های جراحی و اندوسکوپی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. علاوه بر این، کوچک سازی دستگاه های پزشکی نیز تقاضا برای فناوری فیبر نوری پزشکی را افزایش داده است. علاوه بر این، ایمنی ذاتی آنها در مقابل تداخل الکترومغناطیسی اجازه استفاده ایمن از دستگاه های درمانی یا تشخیصی را می دهد که سیگنال های الکترومغناطیسی را بدون به خطر انداختن کیفیت سیگنال تولید می کنند. با روند بهداشت و درمان تلفن همراه و افزایش سر و صدا در بیمارستان های مدرن، استفاده از حسگرهای فیبر نوری چند پارامتری توانایی نظارت مداوم بر بیماران را بدون نگرانی از اثرات تداخل بهبود خواهد بخشید. مزایای سنسورهای فیبر نوری کوچک پزشکان با ابزار نظارت جدید ارائه, باز کردن راه را برای بهبود دقت تشخیصی و تکنیک های درمان جدید. حسگر فشار فیبر نوری فشار خون یک حسگر با حجم کوچک و با دقت بالا است که برای زمینه پزشکی طراحی شده است. کاملا مصون از تداخل الکترومغناطیسی و کاملا ذاتی امن به بدن انسان.
طرح های کاربردی سیستم نظارت بر حسگر فیبر نوری در صنایع مختلف ( 1401/10/26)
(1) سیستم مانیتورینگ حسگر فیبر برای سلامت سازه مهندسی عمران
سازه‌های مهندسی عمران در مقیاس بزرگ مانند پل‌ها، سدها، تونل‌ها، سازه‌های فضایی با دهانه بلند، سکوهای دریایی، خطوط لوله نفت و شیب‌ها با عوامل فاجعه‌باری مانند بارهای محیطی، اثرات خستگی، اثرات خوردگی و پیری مواد در حین استفاده همراه هستند. این سازه ها به طور اجتناب ناپذیری باعث انباشت آسیب و کاهش مقاومت می شوند و در نتیجه توانایی مقاومت آنها در برابر بلایای طبیعی کاهش می یابد و حتی باعث ایجاد شرایط اضطراری فاجعه آمیز می شود که مستقیماً باعث تلفات سنگین و خسارات اقتصادی می شود. بنابراین نظارت طولانی مدت سلامت این سازه های بزرگ ضروری است. سیستم پایش سلامت سازه مهندسی عمران برای نظارت بر موقعیت های مهم سازه از طریق سنسور FBG با پایداری خوب و دوام قوی استفاده می شود که زمینه ای را برای مدیریت علمی و استفاده از آن فراهم می کند.
(2) سنسورهای فیبری در پایش دمای صنعت برق
از آنجایی که سنسور FBG تحت تأثیر هیچ میدان الکترومغناطیسی قوی قرار نمی گیرد، به ویژه برای انواع تجهیزات برق فشار متوسط و بالا، سیستم های پست، نظارت بر دمای آنلاین در زمان واقعی، کابل های فشار متوسط و بالا، کابینت های سوئیچ،تونل های کابل، چاه های کابل، بین لایه های کابل، تشخیص دمای آنلاین پستهای برق و غیره مناسب است. کل شبکه سنجش دما از فیبرهای نوری تشکیل شده است. نظارت بر حسگر فیبر نوری و انتقال سیگنال فیبر نوری کاملاً بدون برق است. عملکرد عالی عایق آن منجر به رعد و برق نمی شود و سیستم می تواند در صورت دریافت به موقع رعد و برق به طور معمول کار کند. از طریق اتصال شبکه محلی، شبکه اینترنت و سیستم MIS، می تواند نظارت راحت، مستقیم، ایمن و دقیق بر تولید و عملکرد ایمنی برق را محقق کند.
(3) اطفای حریق در تونل های حسگر فیبر، پتروشیمی ها و پناهگاه های بزرگ
به عنوان یک حسگر FBG تشخیص غیر الکتریکی، یک دستگاه نوری غیرفعال است و ذاتاً بسیار ایمن است. این نه تنها می تواند جایگزین فناوری های مختلف تشخیص دمای آتش سوزی شود، بلکه در نیروگاه های هسته ای، تونل های مترو شهری، تونل های بزرگراه و راه آهن در مسافت های طولانی، تونل های کابلی، در ساختمان های مهم و مکان های دیگر. همچنین این سنسور نیازی به نیروی برق در طول مدت زمان ساخت و ساز و بهره برداری ندارد. از دیگر کاربردهای این سنسورها در انبارهای مختلف نفت، پتروشیمی، مخازن ذخیره گاز، انبارهای اشتعال زا و مواد منفجره و سایر مکان های مهم میتوان نام برد. سنسور می تواند دمای مطلق مکان را کنترل کند. و نظارت زمان واقعی تغییرات دما می تواند انواع خطرات آتش سوزی را در نطفه از بین ببرد.
(3) سیستم مانیتورینگ سلامت تجهیزات مکانیکی در مقیاس بزرگ با حسگر فیبر
ماشین آلات بالابر در مقیاس بزرگ، کشتی های 10000 تنی، توربین های بادی، ژنراتورهای بزرگ، هواپیماهای هوانوردی و سایر ماشین آلات و تجهیزات در مقیاس بزرگ ارتباط نزدیکی با ساخت و ساز اقتصادی کشور دارند. به طور کلی، فناوری تشخیص تجهیزات مکانیکی بزرگ ارزیابی وضعیت ایمنی آن از طریق بازرسی بصری دستی یا اندازه گیری با ابزارهای قابل حمل است. این منجر به ارزیابی تاخیری استفاده طولانی مدت از تجزیه و تحلیل سلامت و تاثیر شرایط اضطراری بر ماشین‌آلات می‌شود. در عین حال، روند آسیب تجهیزات مکانیکی یک فرآیند کوپلینگ میدانی پیچیده چند پارامتری است که نمی تواند توسط یک فرد یا یک پارامتر کاملاً نظارت شود. سنسور فیبر نوری می تواند اندازه گیری دما، کرنش، شتاب، جابجایی، شیب، فشار و سایر پارامترهای چندگانه را درک کند که الزامات نظارت برخط چند پارامتری، ظرفیت بزرگ، توزیع شده، زمان واقعی را برآورده می کند. نظارت بر ماشین آلات، و تا حد زیادی قابلیت اطمینان اکتساب داده ها را بهبود می بخشد.
کاربرد و فواید استفاده از سیستمهای حسگر حرارتی مبتنی بر فیبر نوری ( 1401/10/18)
اصل اندازه گیری دما با سنجش فیبر نوری توزیع شده (DTS)
وقتی صحبت از اصول کار سنسور دمای فیبر نوری می شود، دستگاه های اندازه گیری دما با حسگر فیبر نوری توزیع شده DTS عمدتاً از فناوری بازتاب دامنه زمان نوری یا حوزه فرکانس برای محاسبه دما در نقاط مختلف کابل نوری اندازه گیری دما استفاده می کنند به طوری که دمای کارکرد در زمان واقعی کابل را با اندازه گیری دمای فیبر نوری منعکس کند.نظارت بر پس‌زمینه و سایر اجزا با اندازه‌گیری دما با استفاده از فیبر نوری از آنجایی که نور منعکس شده به تغییرات دما حساس تر است، کابل اندازه گیری دما می تواند سیگنال نوری را که در طول کابل اندازه گیری دما منعکس شده است به میزبان اندازه گیری دما منتقل کند و در عین حال دما را حس کند. با استفاده از اصل بازتاب دامنه زمان نوری، موقعیت نقطه دما و مقدار دما محاسبه می شود و در نهایت میدان دمای بلادرنگ در محدوده پوشش کابل اندازه گیری دما به دست می آید تا بتوانیم اندازه گیری دما را با استفاده از فیبر نوری متوجه شویم. برای صنعت برق، با پیشرفت مداوم فناوری تشخیص در سال‌های اخیر، سیستمهای نظارت آنلاین مختلف DTS به طور گسترده توسعه یافته‌اند.
سیستم های اندازه گیری دما حسگر فیبر نوری توزیع شده عمدتا بر اساس اصول پراکندگی رامان فیبر نوری و بازتاب سنجی حوزه زمان نوری برای اندازه گیری دما هستند. سیگنال پالس لیزری با انرژی و عرض معین به فیبر تزریق می شود و سیگنال پراکنده تولید شده از ارسال آن در فیبر پیوسته است.مقدار دمای نقطه دما و داده های دمای جمع آوری شده برای پردازش داده ها به سیستم کامپیوتری منتقل می شود، مقدار دما و وضعیت تغییر هر نقطه اندازه گیری دما را نشان می دهد و نظارت بر زمان واقعی و هشدار اولیه دمای کابل را درک می کند. . اکنون ممکن است درک روشنی از اصل کار سنسور دمای فیبر نوری داشته باشید.
مزایای فناوری اندازه‌گیری دما با سنجش فیبر نوری توزیع‌شده DTS
(1) اندازه گیری مستمر توزیع شده
سنسور فیبر نوری DTS یک اندازه گیری توزیع شده واقعی است که می تواند به طور مداوم اطلاعات اندازه گیری را در طول ده ها کیلومتر کابل فیبر نوری اندازه گیری دما به دست آورد و نرخ هشدار نادرست و هشدار نادرست تا حد زیادی کاهش می یابد. در همان زمان، نظارت در زمان واقعی تحقق می یابد.
(2) تداخل ضد الکترومغناطیسی، می تواند به طور معمول در محیط الکترومغناطیسی بالا کار کند
فیبر نوری خود از مواد کوارتز تشکیل شده و کاملاً عایق الکتریکی است. در عین حال، سیگنال سنسور فیبر نوری توسط فیبر نوری حمل می شود که ذاتاً ایمن و عاری از هرگونه تداخل محیط الکترومغناطیسی خارجی است.
(3) حفاظت فیزیکی صاعقه
رعد و برق اغلب تعداد زیادی از حسگرهای الکترونیکی را از بین می برد. سنسورهای فیبر نوری DTS به دلیل عایق بودن کامل الکتریکی می توانند در برابر ضربه های ولتاژ بالا و جریان بالا مقاومت کنند.
(4) فاصله اندازه گیری طولانی، مناسب برای نظارت از راه دور
دو مزیت برجسته فیبر نوری مقدار زیاد داده ارسالی و از دست دادن اندک است که می تواند نظارت از راه دور ده ها کیلومتر را بدون رله انجام دهد.
(5) حساسیت بالا و دقت اندازه گیری بالا
از نظر تئوری، حساسیت و دقت اندازه گیری اکثر سنسورهای فیبر نوری بهتر از حسگرهای معمولی است و محصولات بالغ واقعی نیز این را ثابت کرده اند.
(6) عمر طولانی، کم هزینه و سیستم ساده
جنس فیبر نوری DTS شیشه کوارتز است که دارای ویژگی های عدم خوردگی، مقاومت در برابر آتش، مقاومت در برابر آب و عمر طولانی است و معمولاً می تواند 30 سال کار کند. با در نظر گرفتن هزینه خود سنسور و هزینه های نگهداری آتی، استفاده از سنسورهای فیبر نوری می تواند هزینه عملیاتی نهایی کل پروژه را تا حد زیادی کاهش دهد.
تکنولوژی و کاربرد سیستم های مبتنی بر سنسور آکوستیک (Distributed Acoustic Sensors)
سنجش صوتی توزیع‌شده DAS یک دستگاه اپتوالکترونیک مبتنی بر فیبر نوری است که فعل و انفعالات صوتی را در طول کابل حسگر فیبر نوری اندازه‌گیری می‌کند. یک سیستم سنجش صوتی توزیع شده از این نظر منحصر به فرد است که توزیع دما پیوسته (یا توزیع شده) را در طول کابل حسگر به جای در نقاط حسگر گسسته ارائه می دهد.
به طور معمول، فناوری DAS از کابل های فیبر نوری استاندارد مخابراتی استفاده می کند و فقط به فیبرهای تخصصی در دماهای بالا نیاز دارد. فیبرهای حسگر معمولاً بر پایه فیبرهای سینگل مود هستند، هرچند که برخی از کاربردهای تخصصی وجود دارند که از الیاف حسگر مولتی مود استفاده می کنند. هر واحد مراقبتی از یک سیستم سنجش صوتی DAS معمولاً دارای 1 یا 2 کانال است که می توانند به طور همزمان کار کنند، به عنوان مثال DAS می تواند تا 100 کیلومتر را اندازه گیری کند، و یک واحد 2 کانالی می تواند 50 کیلومتر را در هر جهت اندازه گیری کند.
تئوری و کاربرد سنجش صوتی توزیع شده DAS
واحد بازبینی حسگر صوتی DAS پالس های لیزر را به فیبر منتقل می کند. همانطور که این پالس نور در فیبر حرکت می کند، فعل و انفعالات درون فیبر باعث انعکاس نور به نام پس پراکندگی می شود، که توسط رویدادهای کرنش (یا ارتعاشی) کوچک در فیبر تعیین می شود، که به نوبه خود توسط انرژی صوتی موضعی ایجاد می شود. این نور پراکنده به سمت بالا فیبر را به واحد بازجویی می‌رساند، جایی که در فرکانس ریلی نمونه‌برداری می‌شود. زمان مورد نیاز برای پالس لیزر اجازه می دهد تا رویدادهای پس پراکندگی به طور دقیق در فواصل فیبر ترسیم شوند.
وضوح فضایی عمدتاً با مدت زمان پالس ارسالی تعیین می شود و مقدار نور منعکس شده متناسب با طول پالس است، بنابراین بین وضوح فضایی و حداکثر برد یک مبادله وجود دارد. برای بهبود حداکثر برد، استفاده از طول پالس های طولانی تر برای افزایش سطوح نور بازتابی مطلوب است، اما این منجر به وضوح فضایی بیشتر می شود.
مقایسه سنجش صوتی توزیع‌شده DAS و دیگر سیستمهای حسگر توزیع‌شده فیبر نوری
سیستم های مبتنی بر بریلوین معمولاً برای اندازه گیری کرنش و دما توزیع شده استفاده می شوند. پراکندگی بریلوین بسیار ضعیف‌تر از پراکندگی رایلی است، بنابراین بازتاب‌های چند پالس باید با هم جمع شوند تا بتوان اندازه‌گیری کرد. سیستمهای مبتنی بر رامان معمولاً برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شوند و سیستمهای سنجش صوتی DAS معمولاً مبتنی بر فناوری رامان هستند.پراکندگی رامان حتی کمتر از پراکندگی بریلوین است، بنابراین برای به دست آوردن نتایج معقول اغلب به میانگین گیری در طول چند ثانیه یا حتی دقیقه نیاز است. بنابراین، سیستم های مبتنی بر رامان تنها برای اندازه گیری دماهای با تغییر آهسته مناسب هستند. پردازش سیگنال و تجسم از آنجایی که سیستمهای سنجش صوتی توزیع‌شده مقادیر زیادی داده تولید می‌کنند، داشتن یک استراتژی برای مدیریت، پردازش و تجسم داده‌ها ضروری است.
به طور معمول، واحد بازجویی با یک واحد پردازش شبکه ای است که ذخیره سازی و پردازش داده ها را مدیریت می کند. به طور معمول، یک بافر متحرک برای ذخیره داده های خام وجود دارد، زیرا مقدار کمی بیشتر از آن ذخیره می شود. واحد پردازش با یک سری الگوریتم های هوشمند برنامه ریزی شده است که داده های خام را تفسیر می کند و تجزیه و تحلیل می کند که آیا با یک رویداد از پیش تعریف شده، مانند یک رخداد نفوذ یا نشت خط لوله مطابقت دارد یا خیر. کابل‌های حسگر فیبر نوری به مناطقی تقسیم می‌شوند، جایی که انتخاب خاصی از الگوریتم‌ها انتخاب می‌شود و آلارم‌ها در هر منطقه تعیین می‌شوند.
کاربرد سنسور فیبر نوری در سیستمهای انتقال قدرت ( 1401/9/28 )
در حالت ایده آل، فیبر باید تا حد امکان نزدیک به هسته کابل قرار گیرد تا دمای واقعی کابل را با دقت بیشتری اندازه گیری کند. برای کابل‌های برق که مستقیماً دفن می‌شوند، اگرچه فیبرهای نوری روی سطح نمی‌توانند تغییرات بار کابل را به طور دقیق منعکس کنند، اما به تغییرات مقاومت حرارتی خاک در جایی که کابل‌ها مدفون می‌شوند حساس هستند و می‌توانند هزینه نصب فیبرهای نوری را کاهش دهند.
کاربرد سنسور نوری در سنسور برق
توان الکتریکی مقدار اولیه الکتریسیته ای است که تبدیل و انتقال انرژی در سیستم قدرت را منعکس می کند. اندازه گیری توان الکتریکی بخش مهمی از اندازه گیری توان است.با توسعه سریع صنعت برق، روشهای اندازه‌گیری الکترومغناطیسی سنتی به طور فزاینده‌ای محدودیت‌های ذاتی خود را نشان می‌دهند، مانند عایق الکتریکی، تداخل الکترومغناطیسی، اشباع مغناطیسی و مسائل دیگر، بنابراین مردم بر روی یافتن روشهای جدید برای اندازه‌گیری توان الکتریکی کار کرده‌اند. می توان گفت که کاربرد سنسورهای فیبر نوری خبرهای خوبی برای رفع این مشکل برای مردم به ارمغان آورده است. ویژگی های اصلی سنسور نوری توان الکتریکی عبارتند از: از آنجایی که حسگر توان الکتریکی هم ولتاژ و هم جریان را شامل می شود، معمولاً لازم است اثرات الکترواپتیکی و مغناطیسی نوری را همزمان در نظر گرفت. ساختار سر سنسور قدرت الکتریکی فیبر نوری نسبتاً پیچیده است. سیگنال حسگر نوری سنسور قدرت الکتریکی فیبر نوری گاهی اوقات حاوی سیگنال های ولتاژ و جریان است، بنابراین روش های تشخیص و پردازش سیگنال نیز پیچیده خواهد بود.
کاربرد سنسور نوری در مانیتورینگ سیستم قدرت
انواع مختلفی از کابل های نوری در سیستم های قدرت وجود دارد که در میان آنها دما و تنش از عوامل محیطی اصلی هستند که بر عملکرد کابل های نوری تاثیر می گذارند. بنابراین، هنگام نظارت بر نقطه شکست فیبر نوری، دما و تنش کابل نوری نیز نظارت می شود که نشان می دهد هشدار اولیه و نگهداری کابل نوری اهمیت گسترده ای دارد. با اندازه گیری فرکانس و شدت نور پراکنده بریلوین ( Brillouin )در طول فیبر، می توان اطلاعات دما و کرنش فیبر را به دست آورد و فاصله حسگری طولانی است، بنابراین ارزش تحقیقاتی مهندسی گسترده ای دارد. سنسور نوری BOTDR سیگنال پراکندگی Brillouin خود منتشر شده فیبر نوری را اندازه گیری می کند و قدرت سیگنال آن بسیار ضعیف است، اما از فناوری تشخیص منسجم می توان برای بهبود نسبت سیگنال به نویز سیستم استفاده کرد. این راه حل می تواند با یک منبع نور و یک انتهای واحد کار کند، سیستم ساده است، پیاده سازی راحت است، و نقطه شکست فیبر، تلفات، دما و کرنش را می توان به طور همزمان کنترل کرد.
چرا رشته های نظامی و هوافضای خارجی به سیستمهای گریتینگ فیبر اهمیت زیادی می دهند؟ (1401/9/16)
صنعت هوافضا مکانی است که در آن حسگرها به شدت مورد استفاده قرار می گیرند.برای نظارت بر فشار، دما، لرزش، سطح سوخت، وضعیت ارابه فرود، موقعیت بال و سکان، یک هواپیما نیاز به استفاده از بیش از 100 سنسور دارد، بنابراین اندازه و وزن سنسورها بسیار مهم است. همچنین به همین دلیل است که میادین نظامی و هوافضای کشورهای خارجی به گریتینگ فیبر توجه زیادی دارند. در ادامه به چند نمونه از این کشورها اشاره میکنیم.
آمریکا:
ناسا اهمیت زیادی برای استفاده از حسگرهای فیبر گریتینگ قائل است.آنها یک شبکه حسگر گریتینگ فیبر برای اندازه گیری فشار و دما در شاتل فضایی X-33 نصب کردند تا سلامت شاتل فضایی را در زمان واقعی بررسی کنند.آنها همچنین سنسورهای فیبر نوری چند منظوره را برای سفینه های پرفشار کامپوزیتی در دمای معمولی و دمای پایین مورد مطالعه قرار دادند و اهداف کاربردی آنها وسایل نقلیه پرتاب قابل استفاده مجدد و مخازن سوخت ترکیبی ساخته شده مک‌دونالد داگلاس ، بویینگ و لاکهید مارتین است و تایید شده است که سنسور گریتینگ فیبر نوری یک فناوری ایده آل است.در سال 2008، ناسا یک پروژه آزمایشی را برای نظارت بر تغییر شکل بال پهپاد ایخانا ( Ikhana UAV) تحت بارهای استاتیکی و دینامیکی با استفاده از شبکه حسگر گریتینگ فیبر راه اندازی کرد و با موفقیت پایش تغییر شکل بال را در هنگام پرواز آنلاین هواپیما انجام داد که گام مهمی به سوی ساخت و توسعه شبکه های هوشمند سنسور بود.در این آزمایش، آنها در مجموع از 2880 سنسور FBG استفاده کردند و هر بال مجهز به 1440 سنسور FBG برای نظارت بر توزیع کرنش و تغییر شکل بال بود.آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده و آزمایشگاه دریایی نروژ به طور مشترک مطالعه ای را انجام دادند.آنها بیش از 100 حسگر گریتینگ فیبر را روی یک کشتی مین زدایی فیبر شیشه ای فعال نصب کردند و از روش های دمودولاسیون و پردازش مناسب برای اندازه گیری بدنه به صورت ایستا و پویا استفاده کردند.آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده همچنین 60 سیستم سنجش گریتینگ فیبر را در یک مدل پل 14 مقیاسی تعبیه کرد و آسیب مدل را آزمایش کرد.
ژاپن:
در سال 2012، دانشگاه توکیو و موسسه هوانوردی ژاپن (JAXA) آزمایشی را برای اندازه‌گیری تغییر شکل بال‌های بزرگ با استفاده از شبکه حسگر گریتینگ فیبر انجام دادند.آنها 246 سنسور FBG 10 میلی متری، 6 سنسور FBG به طول 300 میلی متر و 6 سنسور FBG به طول 500 میلی متر را بر روی بال های صفحات تقویت شده با فیبر کربن به طول 6 متر و عرض 1.4 متر ترتیب دادند تا تغییر شکل کل قاب بال و کرنش را تشخیص دهند. تغییر و تغییر شکل نقاط غلظت کرنش موضعی تحت بارگذاری.
آلمان :
از سال 1996 در آلمان، مرکز تحقیقات دایملر-بنز، ایرباس هوافضای دایملر-بنز و موسسه تحقیقات هوافضا به طور مشترک بال های تطبیقی گریتینگ فیبر را مورد مطالعه قرار دادند.آنها در انتظار یافتن یک طرح دینامیکی ساختاری برای بهینه سازی عملکرد آیرودینامیکی هواپیما، از سنسورهای کرنش توری فیبر تعبیه شده در توزیع استاتیک و سنسورهای دما در نظارت بر تغییرات ساختاری استفاده کردند.
فرانسه :
در فرانسه، چندین مؤسسه برای شناسایی فضای داخلی سازه‌های کامپوزیتی با تعبیه حسگرهای گریتینگ فیبر در مواد، به منظور ارزیابی کامل بودن محافظ رادار جنگنده، همکاری می‌کنند و در حال توسعه انبارهای ولتاژ بالا هستند که در کرنش سنج‌های گریتینگ فیبر تعبیه شده‌اند.
سوئد :
مؤسسه اپتیک سوئد و FFA در حال اجرای یک طرح ملی SMART با هدف توسعه سیستم اندازه‌گیری کرنش و دما با زمان چندگانه برای نظارت بر ساختارهای کامپوزیت جنگنده با حسگرهای گریتینگ فیبر هستند، و در عین حال آماده‌سازی برای توسعه سلامت و بهداشت در زمان واقعی هستند. سیستم نظارت بر عملیات مبتنی بر نظارت بر بار پیشرفته و فناوری تشخیص آسیب نیز از همین جمله اند.
استرالیا :
نیروی هوایی سلطنتی استرالیا (RAAF) و نیروی هوایی کانادا (CF) یک پروژه بین المللی آزمایش ساختار پیوسته (IFOSTP) را برای دسته ای از جنگنده های F/A-18 خریداری شده از ایالات متحده انجام دادند.IFOSTP شامل سه تست اصلی خستگی در مقیاس کامل و تست‌های بخش بال میانی بدنه است. تست وسط بدنه (تعیین شده به عنوان FT55) و تست بال (FT245) در کانادا انجام شد، در حالی که تست بدنه عقب و دم (FT46) در استرالیا انجام شد. آزمایش‌های بارگذاری و تغییر شکل بدنه و بال با مقایسه شبکه حسگر گریتینگ فیبر با شبکه حسگر کرنش سنج مقاومت سنتی انجام می‌شود. برخی از آزمایشات قبل از سال 2005 و 2008 انجام شده است و برخی آزمایشات تا کنون انجام شده است. سنسور گریتینگ فیبر براگ تنها یک فیبر دارد و عنصر حساس (گریتینگ) در هسته فیبر ساخته شده است. از مزایای اندازه کوچک و وزن سبک، تقریبا هیچ سنسور دیگری نمی تواند با آن مقایسه شود. از این رو صنایع نظامی و هوافضا به فناوری سنجش گریتینگ فیبر اهمیت زیادی می دهند و شرکت بوئینگ به تنهایی چندین پتنت فنی برای سنسورهای گریتینگ فیبر به ثبت رسانده است.
مشاهده می شود که کشورهای توسعه یافته بین المللی توجه ویژه ای به کاربرد شبکه حسگر گریتینگ فیبر در هوافضا دارند و فناوری کاربرد روز به روز به بلوغ بیشتری می رسد و با استفاده از آن دستاوردهای مرحله ای در نظارت بر بال و تغییر شکل کلی هواپیما داشته اند.
تفاوت بین سنسور فیبر نوری و سنسور فوتوالکتریک ( 1401/9/1)
سنسور فوتوالکتریک: سنسور فوتوالکتریک وسیله ای است که سیگنال های نوری را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. اصل کار آن بر اساس اثر فوتوالکتریک است. اثر فوتوالکتریک به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که وقتی نور به برخی از مواد می‌تابد، الکترون‌های مواد انرژی فوتون‌ها را جذب می‌کنند و اثر الکتریکی مربوطه رخ می‌دهد.
حسگر فیبر نوری: حسگر فیبر نوری حسگری است که حالت جسم اندازه‌گیری شده را تبدیل می‌کند به یک سیگنال نوری قابل اندازه گیری. اصل کار سنسور فیبر نوری به این صورت است که پرتو نور وارد شده از منبع نور از طریق فیبر نوری به مدولاتور ارسال می شود و خواص نوری نور مانند شدت، طول موج، فرکانس، فاز و حالت پلاریزاسیون نور توسط برهمکنش با پارامترهای اندازه گیری شده در خارج از مدولاتور تغییر می کند، که تبدیل به یک سیگنال نوری مدوله شده می شود، که سپس از طریق فیبر نوری به دستگاه فوتوالکتریک ارسال می شود و پارامترهای اندازه گیری شده از طریق دمولاتور به دست می آیند. (اصل سنسور فیبر نوری)
تفاوت عملکرد بین سنسور فیبر نوری و سنسور فوتوالکتریک
مقدمه ای بر ویژگی های سنسورهای گریتینگ فیبر ( 1401/8/23)
به عنوان یک نوع جدید از سنسور فیبر نوری، سنسور گریتینگ (grating) فیبر دارای ویژگی های مطلوبی مانند قابلیت اطمینان بالا، دقت بالا، ضد آب قوی، حساسیت بالا، تاثیرپذیری کم از عوامل محیطی خارجی، ساخت آسان شبکه حسگر و غیره میباشد. همچنین زمینه کاربرد سنسور گریتینگ فیبر گسترده تر است. این پتانسیل به طور گسترده در پتروشیمی، اطلاعات الکترونیکی، اکتشافات زمین شناسی و سایر زمینه ها استفاده می شود و برخی از محققان از فناوری حسگر فیبر نوری برای پایش لرزه ای استفاده کرده و به نتایج ایده آل دست یافته اند.
در سال های اخیر، کاربرد سنسورهای گریتینگ فیبر بیشتر و بیشتر شده است و سنسورهای الکتریکی سنتی موجود به تدریج به روز شده و در بازار فعلی جایگزین شده اند. در مقایسه با سنسورهای الکتریکی سنتی، مزایای اصلی سنسورهای گریتینگ فیبر به شرح زیر است
1- سنسور گریتینگ فیبر دارای دقت بالا و قابلیت اطمینان قوی است
فیبر نوری علاوه براینکه باریک و کم حجم است اما دارای ویژگی های دوام، ایمنی و قابلیت اطمینان و عملکرد بسیار پایدار است. سنسور گریتینگ فیبر نیز بطور متناظر دارای ویژگی های عدم رسانایی، وزن سبک، قابلیت اطمینان بالا، دقت بالا، تأثیر کمی از محیط خارجی، ساخت شبکه حسگر آسان و غیره میباشد و بدلیل دفن شدن در زمین، اساساً هیچ آسیبی به جسم مدفون وارد نمی شود. بر اساس این ویژگی ها، سنسورهای گریتینگ فیبر برای کاربردهای سخت و پرسرعت مانند بررسی معادن زغال سنگ، نظارت بر تاسیسات برق، نظارت بر انبار نفت، عملیات ایمنی زیرزمینی، نظارت بر مخزن گاز و نفت، ضربه تونل و پل، میرایی ارتعاش، شکل، مناسب تر هستند. تشخیص کنترل و غیره. به عبارت دیگر این سیستم برای نظارت لحظه ای در محیطهای خطرناک و حساس بسیار کاربردی میباشد.
2- سنسور گریتینگ فیبر دارای نرخ خرابی کم، قابلیت نگهداری قوی، عملکرد هزینه بالا، قابلیت اطمینان خوب و حساسیت بالا است.
سنسورهای گریتینگ فیبر براگ را می توان در چندین مکان در داخل ساختمان مستقر کرد و می تواند نظارت مستقلی بر پارامترهای متعدد انجام دهد و اطلاعات نظارتی را در زمان واقعی به دنیای خارج ارائه دهد.
3- پروب حسگر سنسور گریتینگ فیبر از نظر ظاهری ساده، دارای وزن سبک، از نظر جنس نرم و نصب آسان است.
سنسورهای گریتینگ فیبر براگ را می توان در محیط ها و مکان های پیچیده و مختلف نصب کرد، یا در تونل ها، پل ها و ساختمان های دیگر مدفون کرد و می تواند به طور مداوم تاثیر و کنترل شکل تونل ها، پل ها و سایر ساختمان ها را در لحظه نظارت کند و هشدار اولیه را در لحظه ارائه دهد و هنگامی که مشکل پیدا شد، آن را سریعاً ارسال کند. مداخله انسانی به موقع انجام می شود تا خطرات احتمالی ایمنی را از بین ببرد و از یکپارچگی و ایمنی سازه ساختمان اطمینان حاصل شود. پروب حسگر سنسور گریتینگ فیبر دارای عملکرد پایدار و تکرارپذیری قوی است. از آنجایی که اطلاعات مانیتورینگ کاوشگر حسگر سنسور گریتینگ فیبر توسط طول موج کدگذاری می شود، توسط عواملی مانند از دست دادن اتصال فیبر نوری و نوسان شدت نور منبع نور و کاوشگر حسگر مختل نمی شود. سنسور گریتینگ فیبر دارای توانایی ضد تداخل نسبتا قوی است.
ساختار و مفاهیم اصلی مبدل فیبر نوری (1401/8/15)
در سال های اخیر، حسگرها در جهت حساسیت دقیق، سازگار، فشرده و هوشمند در حال توسعه هستند. در این فرآیند، مبدل فیبر نوری، به عنوان عضو جدیدی از خانواده حسگرها، مورد توجه قرار می گیرد. فیبرهای نوری خواص بسیار خوبی دارند، مانند: مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و تشعشعات اتمی، خواص مکانیکی قطر ریز، نرمی و وزن سبک. خواص الکتریکی عایق و غیر القایی؛ خواص شیمیایی مقاومت در برابر آب، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و غیره می تواند نقش گوش و چشم انسان را در مکان هایی که افراد نمی توانند به آن دسترسی پیدا کنند (مانند مناطق با دمای بالا) یا مناطقی که برای افراد مضر هستند ، ایفای نقش کند.
1. ترکیب اصلی مبدل فیبر نوری
سنسور فیبر نوری تشکیل شده از یک منبع نور، یک فیبر ورودی ، یک فیبر خروجی، یک مدولاتور نوری، یک آشکارساز نوری و یک دمودولاتور . اصل اساسی این است که نور فرستاده شده از منبع ، از طریق فیبر نوری ورودی به ناحیه مدولاسیون فرستاده می شود و نور با پارامترهای اندازه گیری شده خارجی در ناحیه مدولاسیون در تعامل است، به طوری که خواص نوری (مانند شدت، طول موج، فرکانس، فاز، نرمال بودن و غیره) رخ می دهد. نور سیگنال تغییر می کند تا به نور سیگنال مدوله شده تبدیل شود و سپس از طریق فیبر خروجی به ردیاب نوری و دمدولاتور ارسال می شود تا پارامترهای اندازه گیری شده را بدست آورد.
2. مبدل های فیبر نوری را می توان با توجه به مفاهیم حسگر به دو دسته تقسیم کرد:
یک_ سنسور انتقال نور که (غیر عملکردی) و دیگری حسگر که (عملکردی) است. در مبدل فیبر نوری انتقال دهنده نور، فیبر نوری تنها به عنوان رسانه انتقال نور استفاده می شود و سنجش سیگنال اندازه گیری شده توسط سایر اجزای حساس تکمیل می شود. مدولاتور یک عنصر حساس تغییرات طیفی یا سایر خواص است. در سنسور فیبر نوری حسگر، فیبر نوری هم به سیگنال اندازه‌گیری شده حساس است و هم به ارسال سیگنال نوری، و «حسگر» و «انتقال» سیگنال در یک ترکیب می‌شوند، بنابراین فیبر نوری در این نوع سنسور پیوسته است.
با توجه به نقش های متفاوت فیبرهای نوری در این دو سنسور، الزامات فیبرهای نوری نیز متفاوت است. در سنسور انتقال نور، فیبر نوری تنها نقش انتقال نور را ایفا می کند و فیبر نوری ارتباطی یا حتی فیبر نوری چند حالته معمولی می تواند الزامات را برآورده کند و عنصر حساس را می توان با استفاده از کیفیت بالا به طور انعطاف پذیر متوجه شد. مواد، بنابراین حساسیت این نوع سنسور را می توان بسیار بالا ساخت، اما به دستگاه های کوپلینگ نوری بیشتری نیاز دارد و ساختار پیچیده تر است. ساختار سنسور فیبر حسگر نسبتا ساده است و برخی از دستگاه های کوپلینگ را می توان کمتر مورد استفاده قرار داد، اما الزامات فیبر نوری بالا است. و اغلب لازم است از فیبرهای نوری ویژه ای استفاده شود که به سیگنال اندازه گیری شده حساس بوده و خصوصیات انتقال خوبی داشته باشند. تا کنون، اولی بیشتر در عمل استفاده می شود، اما با بهبود فرآیند تولید فیبر نوری، سنسور فیبر نوری حسگر نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
وظیفه اصلی سنسور جابجایی فیبر نوری (1401/8/7)
منحنی قبل از نقطه اوج نور، ناحیه شیب جلو نامیده می شود. هنگامی که سطح اندازه گیری شده از کاوشگر دور می شود، زیرا مساحت B2 که توسط نور بازتاب شده بیشتر از C است، یعنی بخشی از نور منعکس شده به فیبر نوری دریافت کننده منعکس نمی شود و به دلیل اینکه فیبر نوری دریافت کننده دورتر است. دور از سطح اندازه گیری شده، شدت نور دریافتی کاهش می یابد، بنابراین سیگنال خروجی آشکارساز حساس به نور به تدریج ضعیف می شود، بنابراین وارد ناحیه شیب عقب منحنی می شود. در ناحیه شیب عقب، قدرت سیگنال با مجذور فاصله بین پروب و سطح اندازه گیری شده نسبت معکوس دارد. در ناحیه شیب جلوی منحنی جابجایی-خروجی، شدت سیگنال خروجی بسیار سریع افزایش می یابد، بنابراین می توان از این ناحیه برای اندازه گیری جابجایی میکرومتر استفاده کرد. سطح شیب عقب را می توان برای اندازه گیری با فاصله طولانی و حساسیت کم، خطی بودن و دقت استفاده کرد. در ناحیه موسوم به پیک، حساسیت سیگنال خروجی به تغییر شدت نور بسیار بیشتر از انتقال بیت است، بنابراین می توان از این ناحیه برای اندازه گیری نوری حالت سطح استفاده کرد.
حالت های چیدمان روشنایی و دریافت فیبرهای نوری
حالت های چیدمان روشنایی و دریافت فیبرهای نوری عمدتاً به شرح زیر است: توزیع تصادفی، توزیع نور خارجی درون خطی، توزیع نور داخلی درون خطی و توزیع نیمه و نیمه.
کار اصلی سنسور فشار فیبر نوری مشابه سنسور جابجایی فیبر نوری است. نور ساطع شده توسط منبع نور از فیبر نوری منتقل شده و به سطح داخلی دیافراگم پخش می شود، سپس منعکس می شود و سپس توسط فیبر نوری دریافت کننده دریافت می شود و به عنصر حساس به نور باز می گردد، به طوری که موقعیت پیک تغییر می کند. و سیگنال خروجی بر این اساس تغییر می کند. در مقایسه با سنسور جابجایی فیبر نوری، تغییر جزئی موقعیت بیرون زدگی ناشی از انحراف دیافراگم تحت اثر فشار است و شار نوری تابعی از شکل وزن دیافراگم و فاصله متوسط از کاوشگر به دیافراگم است.
