مقدمة عن مجسات الألياف البصرية وأنواعها مع التطبيقات

جرب أداة القضاء على المشاكل





في عام 1960 ، تم اختراع ضوء الليزر وبعد اختراع الليزر ، أبدى الباحثون اهتمامًا بدراسة تطبيقات أنظمة اتصالات الألياف الضوئية للاستشعار واتصالات البيانات والعديد من التطبيقات الأخرى. بعد ذلك نظام اتصالات الألياف البصرية أصبح الخيار الأمثل لجيجابت وما وراء نقل البيانات بجيجابت. يستخدم هذا النوع من اتصالات الألياف الضوئية لنقل البيانات والصوت والقياس عن بعد والفيديو عبر اتصالات بعيدة المدى أو شبكات الكمبيوتر أو الشبكات المحلية. تستخدم هذه التقنية موجة ضوئية لنقل البيانات عبر الألياف عن طريق تغيير الإشارات الإلكترونية إلى ضوء. تشمل بعض الميزات المميزة الممتازة لهذه التقنية الوزن الخفيف ، والتوهين المنخفض ، والقطر الأصغر ، ونقل الإشارات لمسافات طويلة ، وأمان الإرسال ، وما إلى ذلك.

مجسات الألياف البصرية

مجسات الألياف البصرية



بشكل ملحوظ ، فإن تكنولوجيا الاتصالات غيرت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الألياف البصرية. ظهرت الثورة الأخيرة كمصممين للجمع بين النتائج الإنتاجية الأجهزة الإلكترونية الضوئية مع أجهزة اتصالات الألياف الضوئية لإنشاء أجهزة استشعار الألياف البصرية. غالبًا ما يتم تطوير العديد من المكونات المرتبطة بهذه الأجهزة لتطبيقات مستشعرات الألياف الضوئية. زادت قدرة مجسات الألياف الضوئية بدلاً من أجهزة الاستشعار التقليدية.


مجسات الألياف البصرية

تستخدم مستشعرات الألياف الضوئية التي تسمى أيضًا مستشعرات الألياف الضوئية الألياف الضوئية أو عنصر الاستشعار. تُستخدم هذه المستشعرات لاستشعار بعض الكميات مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الاهتزازات أو الإزاحة أو الدوران أو تركيز الأنواع الكيميائية. للألياف استخدامات كثيرة في مجال الاستشعار عن بعد لأنها لا تتطلب طاقة كهربائية في مكان بعيد ولها حجم صغير.



تعتبر مستشعرات الألياف الضوئية هي الأفضل للظروف غير الحساسة ، بما في ذلك الضوضاء والاهتزاز العالي والحرارة الشديدة والبيئات الرطبة وغير المستقرة. يمكن أن تناسب هذه المستشعرات المساحات الصغيرة بسهولة ويمكن وضعها بشكل صحيح حيثما كانت هناك حاجة إلى ألياف مرنة. يمكن حساب انزياح الطول الموجي باستخدام جهاز قياس انعكاس مجال التردد البصري. يمكن تحديد التأخير الزمني لأجهزة استشعار الألياف الضوئية باستخدام جهاز مثل مقياس انعكاس المجال الزمني البصري.

رسم تخطيطي لمستشعر الألياف البصرية

رسم تخطيطي لمستشعر الألياف البصرية

يظهر الرسم التخطيطي العام لمستشعر الألياف الضوئية أعلاه. يتكون مخطط الكتلة من مصدر بصري ( الصمام الثنائي الباعث للضوء و LASER و Laser diode) والألياف الضوئية وعناصر الاستشعار والكاشف البصري وأجهزة المعالجة النهائية (محلل الطيف البصري وراسم التذبذب). يتم تصنيف هذه المستشعرات إلى ثلاث فئات بناءً على مبادئ التشغيل وموقع المستشعر والتطبيق.

أنواع أنظمة استشعار الألياف الضوئية

يمكن تصنيف هذه المستشعرات وشرحها بالطريقة التالية:


1. بناءً على موقع المستشعر ، يتم تصنيف مستشعرات الألياف الضوئية إلى نوعين:

  • مجسات الألياف البصرية الداخلية
  • مستشعر الألياف الضوئية الخارجية

مجسات الألياف البصرية من النوع الجوهري

في هذا النوع من أجهزة الاستشعار ، يحدث الاستشعار داخل الألياف نفسها. تعتمد المستشعرات على خصائص الألياف الضوئية نفسها لتحويل إجراء بيئي إلى أ تعديل من شعاع الضوء الذي يمر من خلاله. هنا ، قد تكون إحدى الخصائص الفيزيائية للإشارة الضوئية في شكل تردد ، طور ، كثافة استقطاب. الميزة الأكثر فائدة لمستشعر الألياف البصرية الداخلية هي أنه يوفر الاستشعار الموزع على مسافات طويلة المدى. يظهر المفهوم الأساسي لمستشعر الألياف البصرية الداخلي في الشكل التالي.

مجسات الألياف البصرية من النوع الجوهري

مجسات الألياف البصرية من النوع الجوهري

أجهزة استشعار الألياف البصرية من النوع الخارجي

في مستشعرات الألياف البصرية من النوع الخارجي ، يمكن استخدام الألياف كناقلات للمعلومات توضح الطريق إلى الصندوق الأسود. يولد إشارة ضوئية اعتمادًا على المعلومات الواردة في الصندوق الأسود. قد يكون الصندوق الأسود مصنوعًا من المراياوالغاز أو أي آليات أخرى تولد إشارة ضوئية. تستخدم هذه المستشعرات لقياس الدوران وسرعة الاهتزاز والإزاحة والالتواء وعزم الدوران والتسارع. الاختصاص الاستفادة من هذه المجسات هي قدرتهم على الوصول إلى الأماكن التي لا يمكن الوصول إليها بطريقة أخرى.

أجهزة استشعار الألياف البصرية من النوع الخارجي

أجهزة استشعار الألياف البصرية من النوع الخارجي

أفضل مثال على هذا المستشعر هو قياس درجة الحرارة الداخلية لمحرك الطائرة النفاث الذي يستخدم الألياف لنقل الإشعاع إلى البيرومتر الإشعاعي الموجود خارج المحرك. بنفس الطريقة ، يمكن أيضًا استخدام هذه المستشعرات لقياس درجة الحرارة الداخلية لـ محولات . توفر هذه المستشعرات حماية ممتازة لإشارات القياس ضد تلف الضوضاء. يوضح الشكل التالي المفهوم الأساسي لمستشعر الألياف الضوئية الخارجية.

2. بناءً على مبادئ التشغيل ، يتم تصنيف أجهزة استشعار الألياف الضوئية إلى ثلاثة أنواع:

  • على أساس الشدة
  • على أساس المرحلة
  • على أساس الاستقطاب

مستشعر الألياف البصرية القائم على الكثافة

تتطلب مستشعرات الألياف الضوئية القائمة على الكثافة مزيدًا من الضوء وتستخدم هذه المستشعرات أليافًا أساسية متعددة الأوضاع وكبيرة الحجم. يعطي الشكل الموضح فكرة عن كيفية عمل شدة الضوء كمعامل استشعار وكذلك كيف يجعل هذا الترتيب الألياف تعمل كمؤشر استشعار الاهتزاز. عندما يكون هناك اهتزاز ، سيكون هناك تغيير في الضوء الذي يتم إدخاله من طرف إلى طرف آخر وهذا سيجعل الذكاء لقياس سعة الاهتزاز.

مستشعر الألياف البصرية القائم على الكثافة

مستشعر الألياف البصرية القائم على الكثافة

في الشكل ، يعتمد مستشعر الألياف البصرية والاهتزاز الأقرب على شدة الضوء في الأجزاء اللاحقة. هذه المستشعرات لها قيود كثيرة بسبب الخسائر المتغيرة في النظام والتي لا تحدث في البيئة. تتضمن هذه الخسائر المتغيرة الخسائر الناتجة عن التوصيلات ، وخسائر الانحناء الجزئي والكلي ، والخسائر بسبب التوصيلات في المفاصل ، وما إلى ذلك. وتشمل الأمثلة أجهزة الاستشعار القائمة على الكثافة أو مستشعر النتوءات الدقيقة ومستشعر الموجة الزائلة.

تشمل مزايا مستشعرات الألياف الضوئية هذه التكلفة المنخفضة ، والقدرة على الأداء كأجهزة استشعار حقيقية موزعة ، وبسيطة جدًا في التنفيذ ، وإمكانية تعدد الإرسال ، وما إلى ذلك. وتشمل العيوب الاختلافات في شدة الضوء والقياسات النسبية ، إلخ.

مستشعر الألياف البصرية القائم على الاستقطاب

تعتبر الألياف الضوئية القائمة على الاستقطاب مهمة لفئة معينة من أجهزة الاستشعار. يمكن تعديل هذه الخاصية ببساطة عن طريق المتغيرات الخارجية المختلفة وبالتالي هذه أنواع أجهزة الاستشعار يمكن استخدامها لقياس مجموعة من المعلمات.تم تطوير ألياف خاصة ومكونات أخرى بميزات استقطاب دقيقة. بشكل عام ، تُستخدم في مجموعة متنوعة من تطبيقات القياسات والاتصالات ومعالجة الإشارات.

مستشعر الألياف البصرية القائم على الاستقطاب

مستشعر الألياف البصرية القائم على الاستقطاب

يظهر أعلاه الإعداد البصري لمستشعر الألياف الضوئية القائم على الاستقطاب. يتم تشكيله عن طريق استقطاب الضوء من مصدر الضوء من خلال المستقطب. يبدأ الضوء المستقطب عند 45 درجة إلى المحاور المختارة بطول استقطاب الانكسار لحماية الألياف. يتم تقديم هذا الجزء من الألياف كألياف استشعار. بعد ذلك ، يتغير فرق الطور بين حالتي الاستقطاب تحت أي اضطرابات خارجية مثل الإجهاد أو الإجهاد. بعد ذلك ، وفقًا للاضطرابات الخارجية ، يتم تغيير استقطاب الخرج ، وبالتالي ، من خلال النظر في حالة استقطاب الإخراج في الطرف التالي من الألياف ، يمكن اكتشاف الاضطرابات الخارجية.

مستشعر الألياف البصرية القائم على المرحلة

تُستخدم هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار لتغيير ضوء الباعث على إشارة المعلومات حيث يتم ملاحظة الإشارة بواسطة مستشعر الألياف الضوئية القائم على المرحلة. عندما يتم تمرير شعاع ضوئي عبر مقياس التداخل ، ينفصل الضوء إلى شعاعين ، حيث يتعرض أحدهما لبيئة الاستشعار ويتم عزل الحزمة الأخرى عن بيئة الاستشعار ، والتي تُستخدم كمرجع. بمجرد إعادة تجميع العوارض المنفصلة ، فإنهما يعترضان طريقهما مع بعضهما البعض. أكثر مقاييس التداخل شيوعًا هي Michelson و Mach Zehnder و Sagnac ومقاييس التداخل الشبكية ومقاييس التداخل القطبية. هنا ، يتم عرض مقاييس التداخل ماخ زيندر وميكلسون أدناه.

مستشعر الألياف البصرية القائم على المرحلة

مستشعر الألياف البصرية القائم على المرحلة

فيما يلي الاختلافات والتشابهات بين مقياسي التداخل. من حيث أوجه التشابه ، كثيرًا ما يُعتبر مقياس ميكلسون للتداخل مطويًا مقياس تداخل Mach Zehnder. يتطلب تكوين مقياس التداخل Michelson مقرنة ألياف بصرية واحدة فقط. نظرًا لأن الضوء يمر مرتين عبر ألياف الاستشعار والألياف المرجعية ، يتضاعف انزياح الطور البصري لكل وحدة طول من الألياف. وبالتالي ، فإن حساسية ميكلسون أفضل. ميزة أخرى واضحة لـ Michelson هي أنه يمكن استجواب المستشعر باستخدام ليف واحد فقط بين وحدة الكشف عن المصدر والمصدر. ولكن ، يلزم وجود مرآة انعكاس عالية الجودة لمقياس تداخل ميكلسون

3. بناءً على التطبيق ، يتم تصنيف مستشعرات الألياف البصرية إلى ثلاثة أنواع مثل

  • جهاز استشعار كيميائي
  • المستشعر المادي
  • الاستشعار الطبي الحيوي

جهاز استشعار كيميائي

المستشعر الكيميائي هو جهاز يستخدم لتحويل المعلومات الكيميائية في شكل إشارة فيزيائية قابلة للقياس مرتبطة بتركيز نوع كيميائي معين ، يعتبر المستشعر الكيميائي مكونًا مهمًا للمحلل وقد يشمل بعض الأجهزة التي تؤدي ما يلي الوظائف: معالجة الإشارات وأخذ العينات ومعالجة البيانات. قد يكون المحلل جزءًا مهمًا من النظام الآلي.

جهاز استشعار كيميائي

جهاز استشعار كيميائي

يعمل عمل المحلل وفقًا لخطة أخذ العينات كدالة للوقت كشاشة. تشتمل هذه المستشعرات على وحدتين وظيفيتين: مستقبل ومحول طاقة. في جزء المستقبل ، يتم تحويل المعلومات الكيميائية إلى طاقة يمكن قياسها بواسطة محول الطاقة. في جزء محول الطاقة ، يتم تحويل المعلومات الكيميائية إلى إشارة تحليلية ولا تظهر حساسية.

المستشعر المادي

المستشعر المادي هو جهاز مصنوع وفقًا للتأثير المادي والطبيعة. تُستخدم أجهزة الاستشعار هذه لتوفير المعلومات حول خاصية مادية للنظام. يتم الإشارة إلى هذا النوع من أجهزة الاستشعار في الغالب بواسطة أجهزة استشعار مثل أجهزة الاستشعار الكهروضوئية ، مجسات كهرضغطية ، وأجهزة استشعار الإجهاد المقاومة المعدنية وأجهزة الاستشعار المقاومة بيزو أشباه الموصلات.

الاستشعار الطبي الحيوي

المستشعر الطبي الحيوي هو جهاز إلكتروني يستخدم لنقل كميات غير كهربائية مختلفة في المجالات الطبية الحيوية إلى كميات كهربائية يسهل اكتشافها. لهذا السبب ، يتم تضمين هذه المستشعرات في تحليل الرعاية الصحية. تقنية الاستشعار هذه هي المفتاح لجمع المعلومات الباثولوجية والفسيولوجية البشرية.

الاستشعار الطبي الحيوي

الاستشعار الطبي الحيوي

تطبيقات مجسات الألياف البصرية

تستخدم مستشعرات الألياف الضوئية في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل

  • قياس الخصائص الفيزيائية مثل درجة الحرارة والإزاحةوالسرعة ، إجهاد الهياكل من أي حجم أو أي شكل.
  • في الوقت الحقيقي ، مراقبة الهيكل المادي للصحة.
  • المباني والجسور والأنفاقوالسدود والمنشآت التراثية.
  • كاميرا للرؤية الليلية ، أنظمة الأمن الإلكترونية ، كشف التفريغ الجزئي وقياس أحمال عجلات المركبات.

وبالتالي ، نظرة عامة على مجسات الألياف البصرية وقد تمت مناقشة التطبيقات. هناك العديد من المزايا لاستخدام مستشعرات الألياف الضوئية للاتصال لمسافات طويلة والتي تشمل الحجم الصغير ، والوزن الخفيف ، والاكتناز ، والحساسية العالية ، وعرض النطاق الترددي العريض ، وما إلى ذلك. كل هذه الخصائص تحقق أفضل استخدام للألياف البصرية كمستشعر. بصرف النظر عن هذا ، لأي مساعدة بخصوص هذا الموضوع أو أفكار المشروع القائمة على الاستشعار ، يمكنك الاتصال بنا عن طريق التعليق في قسم التعليقات أدناه.

اعتمادات الصورة:

  • مستشعر الألياف البصرية بواسطة الأتمتة
  • المستشعر الكيميائي بواسطة الغضب.ال
  • جهاز الاستشعار الطبي الحيوي imimg