سنسور فشار نوری چیست؟

 سنسورهای 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 فشارنوری 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  سنسورهای فشار فیبر نوری تمرکز می کنیم.

عملکرد سنسورفشار 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  سنسوراز 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  سنسورفشار 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.

منبع : صنعت تک