سنسور فیبر نوری هانیانگ

سنسور های فیبر نوری هانیانگ (Fiber Optic Sensors) FOS

دانشمندان و محققان مطالعات جالبی در مورد کاربرد سیستم های فیبر نوری در حسگرها (سنسورها) و همچنین ارتباطات داده (اطلاعات) و بسیاری از کاربردهای دیگر انجام دادند.

به دنبال این مطالعات و تحقیقات سیستم ارتباطی فیبر نوری منجر به تبدیل آن به انتقال داده ها فراتر از گیگابایت شدند . این نوع ارتباط فیبر نوری برای انتقال داده ، صدا ، مسافت سنجی و انتقال ویدیو از طریق ارتباطات از راه دور یا شبکه کامپیوتری یا LAN  ها استفاده شدند. این نوع فناوری از موج نوری برای انتقال داده ها بر روی یک  فیبر با تغییر سیگنال های الکترونیکی به نور استفاده می کند. برخی از ویژگی های بارز این فناوری عبارتند از : وزن سبک ، تضعیف کم ، قطر کوچکتر ، انتقال سیگنال از راه دور ، امنیت در انتقال داده و غیره می باشد .به طور قابل توجهی ، فناوری مخابرات تغییرات و پیشرفت های  زیادی در استفاده  از فناوری فیبر نوری داشته است . آخرین انقلابی که در طراحی ظاهر شده است،  در دستگاه های اپتوالکترونیکی با مخابرات فیبر نوری روی دستگاه ها (دیوایسها) برای ساخت سنسور ها (حسگر) های فیبر نوری می باشد.

و بسیاری از اجزاء مرتبط با این دستگاه ها اغلب برای کاربردهای فیبر نوری توسعه فراوانی داشته اند ، نا گفته نماند که توانایی (قابلیت) سنسورهای فیبر نوری در مقایسه با سنسور های سنتی افزایش یافته است.

 

در سنسورهای فیبر نوری یا FOS یکی از انواع سنسور های هانیانگ می باشد که در آن از فیبر نوری یا عنصر (المان) حسگر (سنسور) استفاده می کنند. این حسگر ها برای سنس کردن (تشخیص) مقادیری مانند دما ، فشار ، ارتعاشات ، جابجایی چرخش یا غلظت گونه های شیمیایی استفاده می شوند. فیبر ها کاربرد های زیادی در زمینه سنجش از دور را دارند و همچنین دارای سایز (اندازه) کوچکی هستند. این سنسور ها می توانند به راحتی در مناطق (مکانهای) کوچک قرار گیرند و همچنین می توانند در مکانی که فیبر های انعطاف پذیر مورد نیاز است به درستی مورد استفاده قرار گیرند . تغییرات طول موج را می توان با استفاده از یک دستگاه بازتاب سنج فرکانس نوری محاسبه کرد . همچنین تاخیر زمانی سنسورهای فیبر نوری را می توان با استفاده از دستگاهی مانند بازتاب سنج (انعکاس سنج) حوزه زمانی نوری اندازه گیری کرد.

بلوک دیاگرام کلی سنسور فیبر نوری در شکل بالا نشان داده شده است.
این بلوک دیاگرام شامل منبع نوری ( دیود ساطع کننده نور ، لیزرو دیود لیزری ) و فیبرنوری ، عنصر حسگر ( سنسور ) آشکار ساز نوری و دستگاه ها ( دیوایس های ) پردازش نهایی ( تجزیه و تحلیل طیف نوری ، اسیلوسکوپ) است .
سنسور فیبر نوری در واقع یک نوع سنسور فوتوالکتریک هانیانگ (سنسور نوری) است که قادر است در مکان های باریک با انتقال نور از یک واحد تقویت کننده فیبر به یک واحد فیبر دیگر اجسام را تشخیص دهد و یا به عبارت دیگر اشیاء را آشکار سازی کند. (در شکل زیرمی توانید این بخش ها را مشاهده کنید)

ویژگی های سنسور فیبر نوری هانیانگ

ویژگی های یک سنسور فیبر نوری شامل موارد زیر می باشد:

• تشخیص در مکان های باریک
• مقاومت محیطی بسیار بالا
• نصب آسان
• تشخیص اجسام بدون محدودیت
• زمان پاسخ دهی سریع
• سنجش بدون تماس ( سنسور غیر تماسی )
• تشخیص (شناسایی) رنگها
• تنظیم آسان و راحت

اصول عملکردی سنسور های فیبر نوری هانیانگ

اصول عملکردی سنسور های فیبر نوری به صورت زیر می باشد:

1- خواص (ویژگی های) نوری در سنسور فیبر نوری هانیانگ

انتشار مستقیم : هنگامی که نور از طریق هوا یا آب انتشار می یابد نور همیشه در یک مسیر مستقیم حرکت می کند.

شکست (انحراف) : شکست نورپدیده ای است که نور در آن منحرف شده و به صورت مایل از طریق مرز بین دو ماده ( media ) با ضریب شکست های مختلف عبور می کند.

ضریب شکست هوا:1

ضریب شکست شیشه :1.5

انعکاس (بازتاب)

همانطور که می دانیم بازتاب یا انعکاس به سه شکل صورت می گیرد :

• بازتاب منظم ( مانند بازتاب آینه ای )
• بازتاب مجدد ( مانند گوشه مکعب )
• بازتاب پراکنده ( مانند بازتاب کاغذ )

بازتاب منظم

یک سطح صاف از قبیل شیشه یا یک آینه نور را در یک زاویه برابر با زاویه   نور برخوردی ( نور فرودی ) منعکس می کند . که به این نوع بازتاب نور، بازتاب منظم گفته می شود.

بازتاب مجدد  یا همان بازتاب گوشه مکعبی (corner cube)

بازتاب گوشه مکعبی بر اساس این اصل که با چیدمان سه سطح صاف که عمود بر یکدیگر هستند ، عمل می کند. نوری که به گوشه مکعب ساطع می شود ، بارها بازتاب منظم رامنتشر می کند و در نهایت نور منعکس شده مستقیم به سمت نور ساطع شده و به سمت عقب حرکت می کند، که از آن به عنوان بازتاب مجدد یاد می شود.

بازتاب پراکنده

سطوح مات ، مانند کاغذ سفید ، نور را  در همه جهات منعکس می کنند که این پراکندگی نور را بازتاب پراکنده می نامند این اصول عملکردی متد ( روش) تشخیصی است که توسط سنسور های بازتابش پراکنده استفاده می شوند.

• پلاریزاسیون ( قطبش ) نور
• نور را می توان به صورت موجی نشان داد که بصورت افقی وعمودی نوسان می کند . سنسورهای فیبر نوری تقریبا همیشه از منبع نور LED به عنوان چراغ استفاده می کنند . نور ساطع شده از LED ها در جهات عمودی و افقی نوسان می کند که از آن به عنوان نور غیر قطبی ( آنپلارایز) اشاره می شود. فیلتر های نوری وجود دارند که  نوسانات نور قطبی نشده را فقط در یک جهت محدود می کنند که به آنها فیلتر های قطبی گفته می شود . نوری که از LED  عبور می کند از طریق این فیلتر قطبی تنها در یک جهت نوسان می کند و نور قطبی نامیده می شود ( یا نور قطبی شده خطی )  .
• نور قطبی که در یک جهت در حال نوسان است ( در جهت عمودی ) نمی تواند از یک فیلتر قطبی کننده که نوسانات را در جهت عمود محدود می کند، عبور کند ( به عبارت دیگر فیلتر پلاریزاسیون عمودی ) .فانکشن ( تابع ) MSR در سنسور های Retro-reflective ( بازتاب مجدد ) بر این اساس عمل می کنند.

2- منبع نور در سنسور های فیبر نوری هانیانگ

نورمدولاسیون پالس :

اکثر سنسور های فوتوالکتریک از پالس مدوله شده استفاده می کنند ، نوری که اساسا در فواصل زمانی معین بار ها نور را ساطع می کند.

رنگ و نوع منبع نور

 

3. ساختار و اصول عملکرد سنسور فیبر نوری هانیانگ

واحد فیبر هیچ قطعه ( المان ) الکتریکی ندارد ، بنا براین مقاومت فوق العاده ای در برابر نویز و سایر تاثیرات محیطی ایجاد می کند.

 

– اصول آشکار سازی ( تشخیص )

فیبر نوری از یک هسته مرکزی با ضریب شکست بالا که توسط روکش با ضریب شکست کم احاطه شده است ، تشکیل شده است. زمانی که نور وارد هسته می شود ، بازتاب ( انعکاس ) داخلی به طوری که در مرز روکش که دارای ضریب شکست کمتری است نور را به سمت پایین فیبر نوری هدایت می کند . زاویه نور عبوری از طریق فیبر نوری تا زمان خروج نور از فیبر تا 60 درجه افزایش می یابد و به جسم تحت تشخیص ( آشکار سازی ) بر خورد می کند.

طبقه بندی سنسورهای فیبر نوری

طبقه بندی بر اساس روش تشخیص ( روش سنجش )

1. سنسور های دو طرفه

متد یا روش تشخیص در سنسور های فیبر دو طرفه بصورتی است که فیبر فرستنده (امیتر ) و فیبر گیرنده ( ریسیور ) رو بروی یکدیگر نصب می شوند به طوریکه نوری که از فرستنده یا امیتر ساطع می شود وارد گیرنده یا ریسیور می شود هنگامی که شیء ( جسم ) مورد سنجش از بین فیبر امیتر و ریسیور عبور می کند جسم این نور ساطع شده از طرف امیتر ( فرستنده ) را قطع کرده و مقدارنوری که وارد گیرنده می شود را کاهش می دهد. ازاین کاهش شدت نور برای تشخیص یک جسم استفاده می شود .

 

ویژگی های سنسورهای فیبر دو طرفه :

– دارای عملکرد پایدار و فواصل سنجش طولانی از چند سانتی متر تا چند ده متر می باشد .
– موقعیت حسگریا سنسور تحت تاثیر تغییرات مسیرجسم مورد سنجش قرار نمی گیرد .
– عملیات سنجش تحت تاثیر براق بودن اجسام ، رنگ آنها و انحراف آنها قرار نمی گیرد .

2. سنسور های یک طرفه

متد( روش) تشخیص در سنسور های فیبر یکطرفه بصورتی است که فیبر های فرستنده و گیرنده در یک قسمت نصب شده اند و نور بطور معمول به گیرنده بر نمی گردد هنگامی که نور امیتر ( فرستنده ) به جسم مورد سنجش برخورد می کند ، جسم نور را منعکس کرده و نور وارد گیرنده می شود و به این ترتیب شدت نوردریافتی توسط گیرنده افزایش می یابد و از این افزایش شدت نور برای تشخیص اجسام استفاده می شود.

 

ویژگی های سنسورهای فیبر یک طرفه :

– فاصله سنجش از چند سانتی متر تا چند متر است
– قابلیت نصب آسان
– شدت نور منعکس شده و ثبات عملکرد در شرایط مختلف (بعنوان مثال رنگ و صافی ) روی جسم مورد سنجش ، متفاوت است.