سنسور فشار نوری (اصول کاری، ساختار و کاربردها)

سنسور فشار نوری چیست؟

سنسور های فشار نوری از طریق تأثیر نور، تغییر فشار را تشخیص می دهند.

در ساده ترین حالت این سنسور می تواند یک سیستم مکانیکی باشد که با افزایش فشار، عبور نور را مسدود می کند. در سنسورهای پیشرفته تر، اندازه گیری اختلاف فاز، امکان اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات فشار کوچک را فراهم می آورد.

اصول کاری سنسور فشار نوری

در یک سنسور فشار نوری مبتنی بر شدت، افزایش فشار باعث می شود منبع نور به تدریج مسدود شود. سپس سنسور تغییر میزان نور دریافتی را اندازه گیری می کند.

به عنوان مثال، در مکانیسم ساده ای که در زیر نشان داده شده است، اعمال فشار، یک دیافراگم را جابجا می کند و تیغه مات متصل به آن، نوری که از LED می تابد را مسدود می کند. افت شدت نور توسط فتودیود تشخیص داده می شود و اندازه گیری مستقیمی از فشار را نشان می دهد.

یک سنسور فشار نوری ساده، نیاز به یک فتودیود مرجع دارد (همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است) که هرگز توسط تیغه مات مسدود نمی شود. این ویژگی به سنسور این اجازه را می دهد تا تغییرات در نور خروجی ناشی از عوامل دیگر مانند: فرسوده شدن منبع نور، تغییر در ولتاژ تغذیه و غیره را اصلاح کند.

این سیستم های مکانیکی نسبتاً بزرگ هستند. نسخه های بسیار کوچکتر با یک غشای بازتابنده و دو فیبر نوری ساخته می شوند، یکی به عنوان منبع نور و دیگری برای دریافت نور منعکس شده در نظر گرفته می شوند. اعمال فشار،  غشاء (دیافراگم) را خم می کند و مقدار نور بازتاب شده به دتکتور (تشخیص دهنده) را تغییر می دهد (شکل زیر).

سایر سنسورهای فیبر نوری از تداخل سنج برای اندازه گیری تغییرات طول مسیر و فاز نور ناشی از تغییر فشار استفاده می کنند. در ادامه این مقاله بیشتر بر روی سنسور های فشار فیبر نوری تمرکز می کنیم.

بیشتر بخوانید : چگونه بهترین سنسور فشار را انتخاب کنیم؟

عملکرد سنسور فشار نوری

سنسورهای فشار فیبر نوری را می توان به عنوان بیرونی، جایی که حس کردن در خارج از فیبر انجام می شود، یا ذاتی و درونی، جایی که فیبر خودش در پاسخ به فشار تغییر می کند، دسته بندی کرد.

با استفاده از تداخل سنج می توان اندازه گیری نوری بسیار حساسی را انجام داد، اندازه گیری تغییر فاز بین نوری که دو مسیر متفاوت را طی کرده است، این کار می تواند تغییرات در فاصله مربوط به کسری از طول موج نور را تشخیص دهد.

دو نوع سنسور فشار وجود دارد که از تداخل سنجی (Interferometry) استفاده می کنند که عبارتند از:

1. Fabry-Pérot interferometer (FPI)
2. fibre Bragg grating (FBG)

FPI یک سنسور از نوع بیرونی است که از تداخل بین چندین پرتوی نوری منعکس شده بین دو سطح در یک حفره استفاده می کند. با تغییر فاصله بین آنها، تداخل میزان نور دریافت شده از یک طول موج خاص را تغییر می دهد. این یکی از بهترین فن آوری های سنسورهای فشار نوری است. ساده، دقیق و بسیار راحت برای تنظیم اندازه ها و محدوده های فشار مختلف هستند.

FBG یک سنسور ذاتی است که دارای یک سری منظم از ساختارهای بازتابنده در فیبر است که در اثر کشش یا منعطف شدن فیبر تحت تأثیر قرار می گیرند. این باعث می شود طول موج نور منعکس شده تغییر کند.

ساختار سنسور فشار نوری

حفره Fabry-Prot با دو سطح منعکس کننده موازی را می توان در نوک فیبر نوری (همانطور که نشان داده شده است) ایجاد نمود.

یک سطح نیمه بازتابنده به فیبر (M1) متصل شده و یک غشای بازتابنده در انتهای مخالف حفره (M2) ایجاد می شود. این غشاء یک دیافراگم را تشکیل می دهد که با اعمال فشار حرکت می کند.

تغییر فاصله بین آینه ها باعث ایجاد اختلاف در مسیر طی شده توسط هر پرتوی نور (E1 و E2) می شود و از این رو تغییر فاز نسبی بین آنها ایجاد می شود. تداخل حاصل باعث تقویت یا کاهش طول موجهای خاص نور می شود.

وجود بازتاب های چندگانه و تعداد زیاد پرتوهای مداخله کننده، منجر به اندازه گیری با وضوح بسیار بالا می شود.

با استفاده از یک سری از تغییرات دوره ای در ضریب شکست فیبر، می توان یک توری براگ در یک فیبر ایجاد نمود. این باعث می شود طول موج خاصی از نور منعکس شود یا منتقل شود (بر اساس نسبت بین طول موج و فاصله) و در نتیجه طیف نور بازتاب شده همچنان که فیبر و فاصله کشیده می شود، تغییر کند.

فیبر را می توان به دیافراگمی متصل کرد که هنگام اعمال فشار ، فیبر را می کشاند. فشرده سازی فیبر همچنین اثرات ساینده را تغییر می دهد و دو قله در طیف ایجاد می کند.

بیشتر بخوانید : تفاوت سوئیچ، گیج، ترانسدیوسر، ترانسمیتر و سنسور فشار چیست؟

بیشتر بخوانید :  آموزش چگونگی اتصال صحیح سنسور فشار به سیستم ارتینگ

یک توری براگ ایجاد شده در یک فیبر نوری ، که در آن n0 ، n1 ، n2 و n3 نشان دهنده تغییرات دوره ای در ضریب شکست فیبر است.

خروجی هر دو نوع سنسور را می توان به دو روش اندازه گیری کرد. در صورت استفاده از منبع تک رنگ یا باند باریک، تغییرات در دامنه سیگنال خروجی ایجاد خواهد شد (همچنان که طول حفره (یا فاصله یا گریتینگ) مقدار طول موج منعکس شده را تصحیح می کند.)

همچنین می توان از یک منبع نور با باند وسیع مانند نور سفید نیز استفاده کرد. در این حالت، فرکانس هایی که در آن تداخل سازنده یا مخرب رخ می دهد با فشار تغییر می کنند. این را می توان با یک آنالایزر طیف اندازه گیری کرد.

این سازه ها، به ویژه حفره های Fabry-Prot، همچنین برای تکنیک های ساخت سیلیکون مناسب هستند که اجازه می دهد سنسورهای نوری حتی کوچکتر نیز به عنوان تجهیزات میکرو الکترومکانیکی (MEMS)  ساخته شوند.

موج بَرها (Waveguides )، معادل الیاف نوری و اجزای مکانیکی مانند غشاها می توانند در مقیاس میکرومتر ساخته شوند.

این سنسورها به دلیل کوچک بودن می توانند خیلی سریع به تغییرات فشار پاسخ دهند. دیودهای ساطع کننده نور ، لیزرهای حالت جامد ، تشخیص دهنده های فتودیود و اجزاء الکترونیک همه در یک تجهیز کوچک می توانند قرار داده شوند.

کاربردهای سنسور فشار نوری

• به دلیل عدم تاثیر پذیری از تداخل الکترومغناطیسی، سنسورهای فشار فیبر نوری برای محیط های سخت صنعتی بسیار مناسب هستند (برای مثال در صنعت نفت و گاز، داخل یک چاه که به راحتی فشار به ۲۰ kpsi و دما تا ۱۸۵ °C می رسد). سنسورهای نوری در این شرایط سخت همچنان عملکرد خوبی دارند.

• اندازه کوچک، انعطاف پذیری، عدم وجود ولتاژهای خطرناک بالقوه و ساخته شدن سنسورها از مواد غیر سمی، باعث می شود تا این سنسور ها برای کاربردهای پزشکی بسیار مناسب باشند.

• قسمت های زیادی در بدن وجود دارد که اندازه گیری فشار آن ها می تواند برای تشخیص، نظارت طولانی مدت یا در طول درمان مهم باشد.

• و همچنین اندازه گیری های واضح تر مانند فشار در رگ های خونی و ریه ها، اغلب برای اندازه گیری فشار در دستگاه گوارش، مثانه، مغز، استخوان ها و مفاصل مفید است. سنسورهای فیبر نوری این امکان را می دهند که این موارد با روشی بهتر و حداقل آسیب زننده انجام شود.

بیشتر بخوانید : چیلر و هر آنچه راجع به آنها باید بدانید

الزامات سنسور فشار بسته به دلیل اندازه گیری، مکان اندازه گیری، دامنه مقادیر اندازه گیری و اینکه آیا این یک اندازه گیری تکی یا نظارت طولانی مدت است، متفاوت است. همچنین استانداردهای مختلفی برای تجهیزات پزشکی تعریف شده است که سنسورهای فشار فیبر نوری طیف گسترده ای از این الزامات را برآورده می کنند.

مزایا و معایب سنسور فشار نوری

• سنسورهای فشار مبتنی بر شدت، نسبت به تغییرات دما بسیار حساس نیستند زیرا اندازه گیری و تشخیص دهندهای مرجع به همان اندازه تحت تأثیر قرار دما می گیرند. از آنجا که میزان حرکت مورد نیاز بسیار اندک است، خطاهای هیسترزیس و تکرارپذیری بسیار کم است.

• اندازه کوچک و انعطاف پذیری سنسورهای فیبر نوری بدان معنی است که می توان آنها را در مکان هایی مستقر نمود که استفاده از روش های دیگر دشوار باشد.

• عدم احتیاج عنصر حسگر به هیچ منبع تغذیه باعث می شود تا این سنسورها در طیف گسترده ای از کاربرد ها مورد استفاده قرار گیرند که در آن تغذیه کردن سنسور می تواند مشکل باشد. این ویژگی همچنین مشکلات انتقال سیگنال را به دلیل پارازیت خازنی، تداخل الکترومغناطیسی و غیره از بین می برد.

• از طرف دیگر، اندازه کوچک آنها می تواند به این معنی باشد که آنها مانند سایر سنسورهای دیگر مستحکم نیستند. حساسیت بالای آنها همچنین می تواند آنها را در برابر لرزش های صوتی یا مکانیکی حساس تر کند.

بیشتر بخوانید :  مهم ترین نکات شوک و لرزش در صنایع

بیشتر بخوانید : منظور از زمان پاسخ دهی (Response Time) در سنسور چیست؟

سخن آخر :

اتوماسیون صنعتی صنعت تک، یک مجموعه تخصصی آموزش ، معرفی و فروش تجهیزات اندازه گیری فشار از جمله سنسور فشار ، ترانسمیتر فشار ، پرشر سوئیچ (پرشر سوئیچ دانفوس)و گیج فشار است که به مشتریان خود کمک می کند به راحتی سنسور یا ترانسمیتر مناسب خود را شناسایی و در صورت نیاز خرید کنند. شما همواره می توانید جهت مشاوره و یا راهنمایی با شماره ۰۲۱۴۴۰۳۲۵۷۸ تماس بگیرید.