اندازه گیری ارتعاش توسط فیبر نوری روشی برای تشخیص و اندازه گیری ارتعاشات در سیستم های مختلف است. این تکنیک از خواص فیبرهای نوری برای احساس تغییرات در الگوهای ارتعا استفاده می کند. در اینجا چند نکته کلیدی وجود دارد:

  1. سنسورهای لرزش فیبر نوری : این حسگرها تعدیل شده با شدت و بدون تماس (حسگر بیرونی) با جسم ارتعاشی هستند. آنها از طرح های متمایز استفاده می کنند و مزایایی را برای کاربردهای متنوع ارائه می دهند. برای مثال، طرح‌هایی وجود دارد که از فیبر نوری پلاستیکی دوگانه، فیبر نوری 2پلاستیکی جفت‌کننده ذوب شده x 1و فیبر نوری پلاستیکی کوپلر ذوب شده2×2 استفاده می‌کنند. هر طرحی مزایا و کاربردهای خاص خود را دارد..

  1. اندازه گیری ارتعاش تداخل سنجی : این روش مستلزم تعیین جابجایی یک سطح (از موقعیت متوسط) به عنوان تابعی از زمان است. هدف تعیین دامنه و محتوای فرکانس ارتعاش است..

  1. اندازه‌گیری میکرو ارتعاش هترودین نوری : یک پیکربندی تشخیص هترودین نوری تمام فیبر استفاده می‌شود که همزمان به عنوان شیفتر فرکانس و جفت‌کننده عمل می‌کند. شکل موج ارتعاش در محدوده فرکانسی بین 1 هرتز تا 200 کیلوهرتز را می توان با استفاده از این سیستم اندازه گیری کرد..

  1. نظارت بر ارتعاشات صوتی : ارتعاش فیبر متمایز ناشی از سرامیک های پیزوالکتریک را می توان تشخیص داد و حتی یک ملودی آهنگ پخش شده در نزدیکی بسته فیبر نوری را می توان از تغییرات پلاریزاسیون فیبر بازیابی کرد..

این روش‌ها مزایای زیادی نسبت به حسگرهای معمولی دارند، مانند اندازه فشرده، وزن سبک، ماهیت غیر رسانا، مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، و دقت و حساسیت بالا

نحوه عملکرد این سیستم

اندازه گیری ارتعاش توسط فیبر نوری با استفاده از خواص نور و خود فیبر نوری کار می کند. در اینجا یک توضیح ساده آمده است :

1.  حسگرهای لرزش مدوله شده شدت : ا ین حسگرها با جسم لرزان تماس ندارند و از طرح های متمایز استفاده می کنند . سنسورها از روش اندازه‌گیری ارتعاش بدون تماس با فیبر پلاستیکی استفاده می‌کنند . فاصله نسبی بین نوک دسته های فیبر تا بازتاب دقیقاً توسط یک فرآیند کالیبراسیون مناسب تخمین زده می شود . شدت نور از منبع توسط فیبر نوری تعدیل می شود . سپس از طریق فیبر نوری به آشکارساز عکس هدایت می شود ، سپس پالس های شدت نور به سیگنال الکترونیکی معادل ترجمه می شوند و به اندازه کافی پردازش می شوند .

2 . اندازه گیری ارتعاش تداخل سنجی : این روش شامل تعیین جابجایی یک سطح (از موقعیت متوسط) به عنوان تابعی از زمان است. هدف تعیین دامنه و محتوای فرکانس ارتعاش است . سیستم اندازه گیری برای پاسخ دادن به ارتعاشات در یک محدوده ، به عنوان مثال، 1 هرتز تا 1 مگاهرتز ، با دامنه های
مختلف از چند میلی متر تا زیر ångström (1 × 10 =10) مترمربع مورد نیاز است . پرتو لیزر از منبع لیزر خارج می شود و در تداخل سنج به دو پرتو (مرجع و اندازه گیری) تقسیم می شود . این پرتوها از دو بازتابنده بازتابیده می شوند و قبل از رسیدن به آشکارساز در تداخل سنج دوباره ترکیب می شوند.

  1. سنسور ارتعاش مکانیکی توزیع شده : سنسورهای ارتعاش فیبر نوری توزیع شده می توانند بسیاری از رویدادها را همراه با فیبر حسگر به طور همزمان شناسایی و بومی سازی کنند . سنسورهای ارتعاش فیبر نوری توزیع شده قابلیت سنجش ارتعاشات مکانیکی را به صورت توزیع شده دارند ، یعنی می توانند بسیاری از رویدادها را همراه با فیبر حسگر به طور همزمان شناسایی و محلی کنند . این حسگر بر اساس بازتاب سنجی حوزه زمان نوری حساس به فاز (φ-OTDR)45 است. رویدادهای مختلفی که باعث ایجاد ارتعاش می شوند، مانند یک فرد در حال راه رفتن یا دویدن ، ماشین در حال حرکت، قطار ، و بسیاری از منابع ارتعاش دیگر را می توان شناسایی ، محلی سازی و طبقه بندی کرد. تکنیک‌ها، روش‌های اندازه‌گیری و طرح‌های زیادی برای این کار پیشنهاد شده است .

    در تمام این روش‌ها ، ایده کلیدی این است که ارتعاش باعث تغییراتی در خواص نوری می‌شود که از فیبر عبور می‌کند . این تغییرات را می توان برای تعیین ویژگی های ارتعاش شناسایی و تجزیه و تحلیل کرد . سنسورها مزایای زیادی نسبت به سنسورهای معمولی دارند ، مانند اندازه جمع و جور ، وزن سبک ، ماهیت غیر رسانا ، مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی ، و دقت و حساسیت بالا .

  اجزا ساده یک سنسور ارتعاش فیبر نوری : ( پس از آشنایی کامل با نجوه عملکرد این ارتعاش سنچ به طور مفصل راجب نحوه ساخت آن بحث خواهیم کرد)

  1. فیبر نوری : فیبر نوری جزء اصلی سنسور است . نور را از منبع به آشکارساز می برد . فیبر معمولاً از پلاستیک یا شیشه مربع ساخته شده است.

    2. منبع نور : منبع نور نوری را تولید می کند که از طریق فیبر نوری ارسال می شود . این می تواند لیزر یا LED باشد .

    3. دتکتور : آشکارساز که اغلب یک آشکارساز نوری است ، نوری را که از فیبر نوری عبور کرده است دریافت می کند . این سیگنال نور را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند که می تواند تجزیه و تحلیل شود .

    4. مدولاتور : مدولاتور شدت ، فاز ، حالت پلاریزاسیون یا فرکانس نور منبع نور را کنترل می کند . وقتی لرزش خارجی روی فیبر حسگر اعمال شود ، این پارامترهای نوری تغییر خواهند کرد .

    5. پردازنده سیگنال : پردازشگر سیگنال سیگنال الکتریکی آشکارساز را تفسیر می کند . می تواند دامنه و فرکانس ارتعاش را تعیین کند .

    6. فرآیند کالیبراسیون : فاصله نسبی بین نوک دسته های الیاف تا بازتاب دقیقاً توسط یک فرآیند کالیبراسیون مناسب تخمین زده می شود .

    طراحی سنسور لرزش فیبر نوری بسته به کاربرد خاص می تواند متفاوت باشد . به عنوان مثال ، یک سنسور لرزش فیبر نوری دوگانه پلاستیکی (POF) از ترکیب‌های مختلف جفت فیبر استفاده می‌کند . حساسیت سنسور با کاهش قطر فیبر افزایش می یابد و بالعکس .

    جهت آشنایی بهتر با این سیستم به پاسخ این پرسش که بازتاب سنجی حوزه زمان نوری حساس به فاز چگونه کار می کند می پردازیم  :

    بازتاب سنجی دامنه زمانی نوری حساس به فاز (Φ-OTDR) یک تکنیک به خوبی تثبیت شده است که اندازه گیری های مکانی-زمانی یک متغیر محیطی را در زمان واقعی ارائه می دهد . در اینجا توضیح ساده ای از نحوه عملکرد آن آمده است:

1. کاوشگر فیبر : فیبر مورد آزمایش توسط یک شانه فرکانس نوری با فاصله دندانه و نمایه فاز طیفی تصادفی کاوش می شود. پاسخ ضربه ای فیبر بر روی سیگنال پراکنده عقب ایجاد شده توسط انتشار کاوشگر comb کدگذاری می شود.

2. تشخیص سیگنال : این سیگنال با یک نوسان ساز محلی ، که یک شانه فرکانس نوری دیگر با همان مشخصات فاز طیفی تصادفی مربع است ، ضرب می شود . نوسان ساز محلی و شانه کاوشگر از همان تعداد خط تشکیل شده اند ، اما فاصله خطوط نوسان ساز محلی کمی بیشتر از مقدار مربع است .

3. پردازش سیگنال : مرحله تشخیص شامل یک آشکارساز نوری متعادل و به دنبال آن یک فیلتر پایین گذر الکتریکی مربع است . ضرب و شتم بین خطوط شانه پروب و خطوط مجاور شانه نوسان ساز محلی منجر به یک شانه فرکانس رادیویی با فاصله دندانه می شود . این مستلزم تبدیل پایین پهنای باند نوری است ، که ضریب فشرده سازی نسبت بین است .

4. گسترش زمان : روش دیگر ، فرآیند فوق را می توان در حوزه زمانی به عنوان یک بسط زمانی بزرگ سیگنال شناسایی شده درک کرد .

5. حسگر : سنجش فیبر نوری توزیع شده (DOFS) در حال حاضر یک فناوری بالغ است که امکان “تبدیل” یک فیبر نوری معمولی را به آرایه ای پیوسته از حسگرهای جداگانه که در طول آن توزیع می شوند را فراهم می کند . بین طیف وسیعی از تکنیک‌های توسعه‌یافته در زمینه DOFS، آن‌هایی که مبتنی بر Φ-OTDR هستند ، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند ، عمدتاً به دلیل توانایی آنها در اندازه‌گیری اغتشاشات کرنش و دما در زمان واقعی .

6. کاربردها : این ویژگی های منحصر به فرد ، همراه با سایر مزایای سنسورهای توزیع شده (کاهش وزن ،  ایمنی الکترومغناطیسی و اندازه کوچک) حسگرهای Φ-OTDR را به یک راه حل عالی برای نظارت بر زیرساخت های بزرگ (مانند پل ها و خطوط لوله) تبدیل می کند ، به ویژه زمانی که با توجه به اینکه هزینه آنها به طور معکوس با تعداد نقاط حسگر مقیاس می شود و وضوح آن می تواند به چند متر مربع برسد .

   حسگرهای ارتعاش فیبر نوری ، در حالی که از بسیاری جهات سودمند هستند ، دارای محدودیت هایی هستند . دراینجا چند موردی ذکر شده  :

1. محدودیت‌های فرکانس : شتاب‌سنج‌های فیبر نوری که معمولاً در سیستم‌های مانیتورینگ شرایط استفاده می‌شوند ، مبتنی بر گریتینگ‌های فیبر Bragg (FBGs) هستند و نمی‌توانند برای تشخیص ارتعاشات بالاتر از 500 هرتز استفاده شوند.

2. دقت و وضوح : در حالی که حسگرهای فیبر نوری می توانند کرنش دینامیکی را در طیف وسیعی از فرکانس ها نظارت کنند ، به دلیل محدودیت های زمان پرواز ، بین محدوده مسافت و پهنای باند فرکانس تعادل وجود دارد . دقت طولانی مدت کمتر از 1٪ و وضوح کمتر از 0.01 microstrain³ است .

3. حساسیت محیطی : سنسورهای فیبر نوری می توانند به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت حساس باشند که می تواند بر عملکرد آنها تأثیر بگذارد .

4. هزینه و پیچیدگی : هزینه سنسورهای فیبر نوری می تواند بیشتر از سنسورهای سنتی باشد و نصب و راه اندازی آنها پیچیده تر است .

5. شکنندگی : اگرچه کابل های فیبر نوری از بسیاری جهات قوی هستند ، اما می توانند شکننده تر از کابل های فلزی سنتی باشند و در حین نصب یا عملیات مستعد آسیب شوند .

این محدودیت ها باید در هنگام تصمیم گیری در مورد استفاده از حسگرهای لرزش فیبر نوری برای یک برنامه خاص در نظر گرفته شوند . علی‌ رغم این محدودیت‌ها، سنسورهای لرزش فیبر نوری به دلیل مزایای منحصربه‌فردشان هنوز یک ابزار قدرتمند برای بسیاری از کاربردها هستند.

نحوه عملکرد سیستم به طور شماتیک در این شکل آورده شده

فیبرهای نوری مورد استفاده در سیستم های اندازه گیری ارتعاش و فیبرهای نوری معمولی (معمولاً برای انتقال داده ها استفاده می شود) اساساً یکسان هستند زیرا هر دو نور را از یک نقطه به نقطه دیگر هدایت می کنند . با این حال ، تفاوت اصلی در کاربرد آنها و الزامات خاص آن برنامه نهفته است .

1. حساسیت به تغییرات فیزیکی : فیبرهای نوری مورد استفاده در حسگرهای ارتعاش به گونه ای طراحی شده اند که نسبت به تغییرات فیزیکی مانند کرنش یا دما حساس باشند . هنگامی که یک لرزش رخ می دهد ، باعث تغییر در سیگنال نوری می شود که از فیبر عبور می کند . این تغییر را می توان برای تعیین ویژگی های ارتعاش شناسایی و تجزیه و تحلیل کرد.

2. طراحی حسگر : در برخی از سنسورهای ارتعاش ، فیبر نوری خود بخشی از سنسور را تشکیل می دهد . برای مثال ، حسگرهای فیبر براگ گریتینگ (FBG) از بخشی از فیبر نوری استفاده می‌کنند که در آن ضریب شکست در فواصل دوره‌ای تغییر کرده است. FBG  طول موج خاصی از نور را منعکس می کند و بقیه را منتقل می کند . هر گونه فشار یا تغییر دما ، تناوب ضریب شکست را تغییر می دهد ، که به نوبه خود باعث تغییر طول موج منعکس شده می شود.

3. مدولاسیون شدت : برخی از سنسورهای لرزش فیبر نوری از مدولاسیون شدت استفاده می کنند ، که در آن شدت سیگنال نور توسط ارتعاش تعدیل می شود . این نیاز به طراحی خاصی از فیبر نوری و سیستم حسگر دارد.

از سوی دیگر ، فیبرهای نوری “معمولی” مورد استفاده در ارتباطات راه دور عمدتاً برای انتقال داده ها در فواصل طولانی با حداقل تلفات طراحی شده اند . آنها معمولاً طوری طراحی نشده اند که نسبت به تغییرات محیطی حساس باشند.

به طور خلاصه ، در حالی که اصل اساسی نور هدایت کننده یکسان است ، طراحی و کاربرد فیبرهای نوری در یک سیستم اندازه گیری ارتعاش با مواردی که برای انتقال داده های معمولی استفاده می شود متفاوت است .

                              انجام آزمایش
بررسی کنید که PicoScope نشان می دهد که ولتاژ خروجی از آشکارساز نور وجود دارد.
مقیاس محور y نمودار را در PicoScope تنظیم کنید تا یک نمایشگر بهینه به دست آورید. اگر تقویت کننده سیگنال دارید، می توانید سطح ولتاژ ارسالی به ADC-12 را نیز تنظیم کنید. تنظیم پایه زمانی معمولی 500 ms/div و 0.1 ولت/div است .
یک انحراف کوچک روی پرتو اعمال کنید ، رها کنید و تغییر سطح ولتاژ را همانطور که توسط PicoScope نشان داده شده است مشاهده کنید . چه اتفاقی برای سیگنال می افتد ؟ آیا می توانید فرکانس ارتعاش (یعنی تعداد چرخه در ثانیه) را تعیین کنید ؟
ابتدا فرکانس ارتعاش را هنگامی که پرتو حامل هیچ جرمی نیست ، ثبت کنید . با اعمال یک انحراف کوچک در انتها و سپس رها کردن ، پرتو را به لرزه درآورید . دوره Tرا اندازه گیری کنید ، زمانی که برای 1 سیکل ارتعاش طول می کشد . اسیلوسکوپ را در حالت ماشه با تاخیر -10٪ پیکربندی کنید تا رد ارتعاش کافی برای تجزیه و تحلیل را ثبت کنید . از طرف دیگر ، می‌توانید دکمه شروع/توقف PicoScope را فشار دهید تا وقتی از ردیابی ارتعاش راضی شدید ، نمایشگر ثابت شود . فرکانس ارتعاش را با محاسبه متقابل دوره – 1/T محاسبه کنید . از عملکرد مکان نما در PicoScope خود برای کمک به اندازه گیری دوره ارتعاش در چند چرخه استفاده کنید .
حالا با جرم دیگری در انتهای خط کش امتحان کنید و تغییرات فرکانس ارتعاش را مشاهده کنید .
شکل 1 زیر مجموعه آزمایشی را برای اندازه گیری پاسخ ارتعاشی تیر کنسول نشان می دهد .
سنسور microbend یکی از اولین حسگرهای مبتنی بر شدت بود که توسعه یافت . اصل تشخیص مبتنی بر تغییر توان ارسالی به عنوان تابعی از فشار / تنش است . اساساً در این ساختار ، شدت نور با تلفات ناشی از ریزانحناهای القایی کاهش می یابد . (شکل را ببینید)

 راه اندازی آزمایشی شماتیک حسگر جابجایی فیبر نوری برای اندازه گیری فرکانس ارتعاشی (تولید شده از [23] با اجازه الزویر)
طراحی یک سیستم ارتعاش سنج فیبر نوری

  1. تعیین نیازمندی‌ها: ابتدا باید مشخص کنید که سیستم برای چه کاربردی استفاده خواهد شد و چه مشخصاتی باید داشته باشد . این شامل دامنه ارتعاشات قابل اندازه‌گیری ، دقت مورد نیاز ، و محدوده دمایی است .
  2. انتخاب فیبر نوری: بر اساس نیازمندی‌های تعیین شده ، فیبر نوری مناسب را انتخاب کنید. پارامترهایی مانند نوع فیبر (تک‌مد یا چند‌مد) ، ضریب شکست ، تلفات ، پاشیدگی و غیرخطی باید در نظر گرفته شوند .
  3. طراحی مدار الکترونیکی: مدار الکترونیکی برای کنترل منابع نوری ، مدولاسیون سیگنال‌ها ، و پردازش سیگنال‌های دریافتی طراحی شود .
  4. انتخاب سنسورها: سنسورهای فیبر نوری مانند توری براگ فیبر نوری (FBG) برای تبدیل ارتعاشات به تغییرات در طول موج نور منعکس شده انتخاب شوند .
  5. طراحی سیستم مکانیکی : سیستم مکانیکی که فیبر نوری و سنسورها را نگه می‌دارد و به ارتعاشات واکنش نشان می‌دهد، طراحی شود.
  6. شبیه سازی و بهینه‌سازی: با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند OptiFiber، می‌توانید پارامترهای فیبر نوری را شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کنید .
  7. ساخت نمونه اولیه : پس از طراحی و شبیه‌سازی ، نمونه اولیه سیستم را بسازید و آزمایش کنید .
  8. آزمایش و ارزیابی: سیستم را در شرایط واقعی آزمایش کنید و داده‌های به دست آمده را با مقادیر مورد انتظار مقایسه کنید .
  9. تکرار طراحی : بر اساس نتایج آزمایش‌ها، طراحی را تکرار و بهبود ببخشید تا به نتایج مطلوب برسید .

این مراحل به شما کمک می‌کنند تا یک سیستم ارتعاش سنج فیبر نوری موثر و دقیق طراحی کنید .

نمونه یک سیگنال ارتعاش خروجی که توسط فیبر نوری دریافت شده (شکل بالا)

Sources and Refrences                                                                                                           

Interferometric vibration measurement using optical fiber | SpringerLink

دسته‌بندی نشده

فیسبوکتوئیترپینترسترددیتDeliciousلینکدینواتس اپتلگرامایمیل

مطالب مرتبط ...

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *