دانلود مقاله منسوجات هوشمند - توسعه تکنولوژی فرآوری TSC در نساجی

-مقدمه توسعه سریع ترکیبات ساختاری نساجی (TSC ها) بازار و فرصت های پژوهشی جدیدی را برای صنعت نساجی و دانشمندان این رشته ایجاد کرده است.

ترکیبات نساجی سه بعدی، بر طبق، یکپارچگی ساختاری شان دارای یک شبکه دسته تارها در یک حالت یکنواخت می باشد، که نتیجه آن افزایش قدرت درون بافتی و بین بافتی، انعطاف پذیری بیشتر تشکیل شکل ساختاری پیچیده و امکان بیشتر تولید قطعات بزرگ با هزینه کمتر در مقایسه با ترکیبات سنتی است.

سختی و استحکامل بیشتر همراه با وزن کمتر باعث افزایش کاربرد آنها در صنایع هوا فضا، خودروسازی و مهندسی شهری شده است.

پیش بینی شده است که بهبود تکنولوژی های فرآوری و ترکیب آنها با تکنولوژی‌های ساختار هوشمند منجر به رشد صنعتی عمده در قرن بعد با استفاده از به چالش افتادن وضعیت فلز است دیگر مواد متداول مهندسی گردیده است.

یک موفقیت در توسعه تکنولوژی فرآوری TSC به درک بهتر رابطه خواص- ساختار پردازش دارد.

یک گام مهم در این جهت نظارت بر توزیع تنش/ کرنش داخلی در زمان واقعی در طول فرآوری اجرای منسوج و جامد شدن متعاقب آن تا ساختارهای نهایی است.

مسئله مهم دیگر در کاربرد TSC ها حساس کردن آنها به شرایط داخلی سلامت و محیطی خارجی آنها است.

تجمیع شبکه های حسگری در داخل ساختارهای تولید- تقویت اولین گام برای هوشمند ساختن مواد محسوب می شود.

علاوه بر این، پیچیدگی ساختار TSC مثل اثر پوست- هسته ترکیبات تابیده سه بعدی کاراکتریزه کردن مواد را امری دشوار ساخته است.

در گذشته اندازه گیری توزیع تنش/ کرنش داخلی یک چنین ماده ای پیچیده با استفاده از روش های متداول مانند معیار کرنش و حسگرهای فرابنفش تقریباً غیرممکن شده است.

به علاوه، نیاز به بعضی انواع شبکه حسگری در این ساختارها لحاظ شده است تا وسیله‌ای باشد برای (1) نظارت بر توزیع تنس داخلی TSC های insith در طول فرایند تولید، (2) اجازه دادن جهت نظارت سلامت و ارزیابی آسیب TSC ها در طول خدمات و (3) قادر به ساختن یک سیستم کنترلی برای نظارت فعال و واکنش نشان دادن به تغییرات محیط کاری.

تکنولوژی های فیبر نوری که ارائه دهنده کارکردهای انتقال سیگنال و حسگری با هم است.

در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است، به ویژه در ساختارهای بتن هوشمند شامل بزرگراه ها، پل ها، سدها و ساختمان ها.

تعدادی از پژوهشگران از تکنولوژی حسگرهای فیبر نوری (FOS) برای نظارت بر فرآیند تولید و ارزیابی سلامت ساختار ترکیبات الیافی تقویت شده استفاده کرده اند.

از آنجایی که فیبرهای نوری دارای اندازه کوچک و سبک وزن، ساختار با تارهای منسوج و آماده مشمول یا حتی بافته شدن درون TSC ها هستند، مطمئن ترین وسیله برای تشکیل شبکه حسگری ذکر شده در بالا می باشند.

این فصل مروری بر انواع مختلف حسگرهای فیبرنوری، مسائل عمده ترکیبات منسوج هوشمند تجمیع شده با حسگرهای الیاف براگ (Bragg) که زوج دما و کرنش است، ابزار اندازه گیری کرنش چند محوری، مسائل مربوط به اعتماد پذیری و مؤثر بودن اندازه گیری و همچنین سیستم های مختلف اندازه گیری برای ترکیبات منسوج هوشمند تجمیع شده با حسگرهای نوری فیبر.

2- فیبرهای نوری و حسگرهای نوری فیبر به طور طبیعی، یک فیبرنوری شامل یک هسته است که اطراف آن یک روکش کاری صورت گرفته که شاخص شکست آن کمی کمتر از شاخص مربوط به هسته می باشد.

این فیبر نوری در طول فرایند ترسیم با یک لایه محافظ پلیمری، پوشیده شده است.

درون هسته فیبر، اشعه های نور تابیده شده روی هسته- روکش با زوایای بزرگتر از زاویه بحرانی به صورت کلاً داخلی منعکس شده و از داخل هسته و بدون شکست هدایت می شوند.

شیشه سیلیکا متداول ترین ماده برای الیاف نوری است، جایی که روکش کاری به طور طبیعی با سیلیکای خالص گداخته صورت می گیرد و هسته از سیلیکای داپ تشکیل شده که حاوی چند مول ژرمانیم می باشد.

سایز ناخالصی ها مانند فسفر را نیز می توان مورد استفاده قرار داد.

جذب خیلی کم در یک فیبر ژرمانوسیلیکات همراه با یک حداقل ضریب افتدر و یک حداقل مطلق در صورت می گیرد.

بنابراین نور در دو پنجره ده ها کیلومتر از طریق فیبر انتقال می یابد، بدون اینکه افت زیادی در یک شرایط هدایت صحیح به وجود می آید.

به همین علت است که امروزه فیبر نوری جایگزین سیم کواکسیال مسی به عنوان وسیله انتقال برتر امواج الکترومغناطیس نشده و انقلابی در ارتباطات جهانی ایجاد کرده است.

موازی با توسعه سریع عهد ارتباطات فیبر نوری، حسگرهای نوری فیبر نیز توجه زیادی به خود جلب کرده و رشد زیادی را در سال های اخیر تجربه کرده است.

این حس گرها سبک، کوچک و انعطاف پذیر هستند.

بنابراین آنها بر یکپارچگی ساختار مواد مرکب تأثیر نمی گذارند و می توان آنها را با پارچه های تقویت شده تجمیع کرد تا ستون فقرات ساختار را تشکیل دهند.

آنها مبتنی بر یک تکنولوژی واحد متداول هستند که ابزارها را قادر می سازد تا برای نابسامانی های فیزیکی بیشمار حس گری از یک ماهیت آبی، الکتریکی، مغناطیسی و گرمایی توسعه یابند.

تعدادی از حسگرها را می توان در امتداد یک فیبرنوری با استفاده از تکنیک های تقسیم طول موج، فرکانس، زمان و پلاریزاسیون تسهیم کرد تا سیستم های حس گری توزیع شده یک، دو یا سه بعدی ایجاد شود.

آنها از داخل ساختار یک مسیر هدایت کننده ایجاد نمی کنند و گرمای اضافی تولید نمی کنند که بتواند به صورت بالقوه به ساختار آسیب بزند.

آنها به جداسازی الکتریکی از ماده ساختاری ندارند و تداخل الکترومغناطیسی ایجاد نمی کنند، این می تواند یک مزیت خیلی مهم در بعضی کاربردها باشد.

FOS ها را برای بکارگیری در ساختارهای هوشمند می توان بر طبق اینکه آیا حسگری توزیع شده، موضعی (نقطه) یا تسهیم شده (چند نقطه) است تقسیم بندی کرد.

اگر حسگری در امتداد طول فیبر توزیع شده باشد،‌ توزیع اندازه گیری شده به عنوان یک تابع موقعیت می تواند از سیگنال خروجی تعیین گردد.

بنابراین یک فیبر واحد می تواند به طور مؤثر تغییرات در کل جسمی که در آن قرار دارد را کنترل کند.

یک حسگر موضعی تغییرات اندازه گیری شده را فقط در مجاورت حسگر شناسایی می کند.

بعضی حسگرهای موضعی می توانند خودشان تسهیم شوند، که در آن حسگرهای موضعی چند گانه در فواصل معین در امتداد طول فیبر قرار می گیرند.

هر حس گر را می توان به وسیله تشخیص طول موج، زمان یا فرکانس جداسازی کرد و در نتیجه امکان پروفایل کردن زمان واقعی پارامترها در کل ساختار فراهم می شود.

پیش از اختراع گراتینگ های براگ فیبر(FBC ها)، FOS ها را بر طبق طرح حسگری ؟؟

در دو گروه بزرگ طبقه بندی کرد، اینتزیومتریک و اینترفرومتریک.

حسرگرهای اینتنزیومتریک فقط مبتنی بر میزان نور شناسایی شده که از فیبر عبور می کند است.

در ساده ترین شکل آن یک توقف انتقال ناشی از شکستن یک فیبر درون سیستم، آسیب ممکن را نشان می دهد.

حسگرهای اینترفرومتریک برای گستره ای از کاربردهای با حساسیت بالا مانند حس گرهای میدان مغناطیسی و آبی تولید شده است و معمولاً مبتنی بر الیاف تک حالتی هستند.

برای مثال، اینترفرومتریک ماچ- زند، همانگونه که در شکل 1-10 نشان داده شده، یکی از متداول ترین پیکربندی ها است.

با این نوع ابزار، تنش را می توان مستقیماً به وسیله قرار دادن بازوی فیبر حس گری در ساختار کنترل کرد و این امر هنگامی صورت می پذیرد که بازوی مرجع به طول یکسان از محیط جدا شده باشد.

گرچه یک چنین پیکربندی نسبت به تنش خیلی حساس است اما کل طول فیبر در یک بازو به کشش پاسخ می دهد و بنابراین موضع گیری ناحیه حسگری مشکل است.

یک حس گر می تواند تداخلی دیگ، که برای حسگری موضعی مناسب تر است، مبتنی بر تداخل بین نور منعکس شده از دو سطح نزدیک می باشد که تشکیل یک اینترفرومتر نوع فابری پیروت (FP) با طول معیار کوتاه می دهد (شکل2-10).

کشش یا تنش به کار رفته در درون شاخص ساختار را می توان با اندازه گیری طیف بازتابی یا سیگنال نور بازتابی از انحناءFP تعیین کرد که تابعی از فاصله بین دو سطح بازتابی است.

عیب اینگونه ابزارها این است که انجام اندازه گیری های مطلق سخت است و تشکیل یک ردیف حس گر تسهیم شده در امتداد طول یک فیبر به علت اتلاف زیاد ساختار ناپیوسته یک کاوFP مشکل می باشد.

بررسی و تحلیل مفصل به وسیله Measures, Udd ارائه شده است.

3- تحلیل مبانی حسگرهای گراستیک براگ فیبر لحاظ شده 1-3- مبانی FBGS چون FBG دارای مزیت های زیادی بر دو گروه دیگر است و اطمینان زیادی را می‌دهد، ما در این بخش بر روی FBG متمرکز خواهیم شد.

FBG به وسیله مدولاسیون شاخص شکست هسته در یک فیبر نوری تک حالتی تولید می شود که به طور کامل در فصول 8و9 توضیح داده شده است.

فرض کنید تغییر در دوره مدولاسیون شاخص مستقل از وضعیت پلاریزاسیون نور بازرسی شده باشد و فقط به کشش محوری فیبر بستگی داشته باشد، اختلاف طول موج براگ در معادله (15-9) نتیجه می دهد: (1-10) که در آن کشش محوری کل فیبر نوری است.

به طور کلی دارای مقادیر مختلف در جهت های پلاریزاسیون هستند.

زیرنویس I=1,2,3 دلالت بر مقادیر در جهت پلاریزه تعریف شده دارد.

یک سیستم کوئوردینانس کارتزین محلی به کار رفته است: با 1،2،3 که به ترتیب بیانگر سه جهت اصلی هستند.

معادله (1-10) را می توان به این صورت بازنویس کرد.

(2-10) برای کشش زیرنویس (j=1,2,3,4,5,6,…) به کار رفته است.

سه عدد اول بیانگر کشش‌های نرمال در به ترتیب مهارت اول (محورهای فیبر)، دوم و سوم می باشند.

کشش یک فیبر نوری می تواند با مشارکت یا انبساط گرمایی یا تنش باشد.

بنابراین علامت برای کشش فیبرنوری القا شده فقط به وسیله تنش به کار رفته است.

شاخص شکستn هم با درجه حرارتT و هم کشش مرتبط است، بنابراین: (3-10) برطبق نظریه کشش نوری (4-10) که در آن Pij برابر است با ماتریس ضریب کشش- نور برای یک واسط ایزوتروبیک همگن داریم: Pij=…………….

(5-10) که در آن P44=(P11-P12)/2 برای یک واسط ایزوتروپیک همگن می توان فرض کرد که شاخص شکستn دارای یک رابطه خطی6 درجه حرارتT است: (6-10) که در آن ثابت نوری- گرمایی است.

که در آن ثابت نوری- گرمایی است.

به علت اینکه نورها امواج متقاطع هستند، فقط انحرافات متقاطع (جهات2و3) از شاخص شکست می تواند باعث تغییر طول موج براگ شود- با جایگزین کردن معادله های (4-10) و (5-10)و (6-10) در معادله (3-10) تغییرات طول موج پیک برای نور پلاریزه خطی در جهات دوم و سوم به صورت زیر درمی آید: و (7-10) (8-10) در بسیاری از موارد تغییر طول موج برای حسگر براگ برای هر حالت ایگن پلاریزاسیون فیبرنوری به هر سه جزء کشش اصلی درون فیبر نوری بستگی دارد.

سرکیس و هاسلاچ مدل بوتر و هاکرا توسعه دادند و نشان داده اند که نتایج آنها به نتایج مشاهده شده در آزمایش های بارگیری متقاطع باری حسگر فیبر نوری اینتر فرومتریک نزدیک است.

مورد کلی در بخش 2-4-10 مورد بحث قرار خواهد گرفت.

در اینجا ما فقط در مورد مسئله تقارن محوری بحث خواهیم کرد که در آن .

اگر فیبر نوری یک ماده ایزوتروپیک گرمایی با ضریب توسعه ثابت باشد، در این صورت (j=1,2,3) معادله های (7-10) و (8-10) را می توان به همان شکل نوشت: (9-10) که در آن (10-10) و (11-10) f به صورت فاکتور حساسیت و به عنوان ثابت نوری- گرمایی اصلاح شده تعریف شده است.

2-3- عامل حساسیت زمانی که تغییر دما به قدری کوچک باشد که از اثر آن بتوان صرف نظر کرد FBG را می‌توان به عنوان یک حسگر کشش در نظر گرفت.

بگذارید را به عنوان نسبت مؤثر پایسون (EPR) فیبر نوری تعریف کنیم.

از معادله (11-10) واضح است که عامل حساسیتf یک ثابت نیست بلکه تابعی ازV* می باشد.

شکل 3-10 یک منحنی نوعی از عامل حساسیت را به صورت تابعی از نسبت مؤثر پایسون نشان می دهد که با استفاده از پارامترهای مواد فیبرنوری ارائه شده در جدول (1-10) محاسبه شده است.

موارد زیر را در نظر بگیرید.

1- 17/0=V* و 798/0=f به معنی آن است که EPR برابر است با نسبت پایسون ماده فیبر و شرایط فرض بوتر و هاکر را برآورده می سازد.

مقدار فاکتور حساسیت 798/0=f به وسیله بسیاری از تولید کنندگان FBGS توصیه شده است.

2- 1- =V* و 344/0=f به معنی آن است که کشش ها در سه جهت اصلی فیبر برابر هستند.

که با مورد تنش یکنواخت ایستا یا حالت توسعه گرمایی مطابقت دارد.

3- 0/0=V* و 732/0=f به معنی آن است که هیچ تغییر شکل متقاطعی وجود ندارد.

بنابراین اگر از یک FBGS به عنوان حسگر مشمول استفاده شود، انجام یک تصحیح عامل حساسیت با توجه به کشش اصلی متقاطع ضروری است.

در غیر این صورت، فقط زمانی که کشش اصلی متقاطع فیبر نوری به میدان کشش میزبان حساس نباشد می توان فاکتور حساسیت را ثابت در نظر گرفت.

اگر یک FBGS تنها در معرض یک تغییر دمایی باشد، در این صورت: که در آن ضریب توسعه ایزوترمال فیبر نوری است.

با جایگزین کردن رابطه بالا در معادله (9-10) ما می توانیم روابط زیر را استنتاج کنیم: معمولاً بیش از ده برابر بزرگتر از است (برای سیلیکا ).

بنابراین تأثیر از توسعه گرمایی روی نتیجه اندازه گیری برای یک چنین FBGS تنها می‌توان صرف نظر کرد.

3-3- مزدوج سازی دما و کشش کشش اندازه گیری شده در معادله (9-10) به عنوان یک حسگر کشش مشمول (از لحاظ ایده آل) باید بیانگر کشش میزبان در جهت فیبر نوری باشد.

جبران دما به آسانی به وسیله رابطه زیر صورت می گیرد.

(13-10) برای هسته سیلیکا ژرمانیم دار، ضریب نوری- گرمایی تقریباً برابر با است، پس ثابت برابر است با اگر کشش اندازه گیری شده بزرگتر از 001/0 باشد و تغییرات دما کوچکتر از 10 درجه سانتی گراد باشد.

عبارت در معادله (13-10) یک درجه مغناطیس کوچکتر از کشش است، و جبران دما در بعضی موارد غیر ضروری خواهد بود.

4- اندازه گیری های همزمان کشش و دما 1-4- اندازه گیری های همزمان دما و کشش محور اگر دمای داخلی میزبان نامشخص و مشارکت در تغییر طول موج متناسب با کشش باشد، تعیین کشش و دما فقط از رابطه (9-10) غیرممکن است.

یکی از مهمترین محدودیت های حسگرهای FBG حساسیت دوگانه آنها نسبت به دما و کشش است.

این امر باعث ایجاد مشکل در اندازه گیری های مستقل برای این دو معیار می شود.

روش اصلی این است که دو عنصر حس گر که دارای واکنش های مختلف به کشش و دما است تعیین مکان گردد.

طرح های حس گر براساس ترکیبFBG ها با انواع مختلف گراتینگ، مانندFBG های دارای قطر متفاوت، طول موج براگ متفاوت، کداپ متفاوت، FBG های هیبرید (پیوندی) و فیبر دوره طولانی، گودی فابری- پیروت، پراکنش شبیه سازی شده بریلوین یا فیلتر لرزش پلاریزاسیون فیبر، می باشند.

موارد قابل توجه می‌تواند طول موج براگ، شدت فرکانس بریلوین یا طول موج رزونانت لرزشی پلاریزاسیون باشد.

این زیرمجموعه اندازه گیری های دما و کشش محور به طور همزمان را با استفاده از یک حفره فابری- پیروت FBG یا FBG های ابرساختاری معرفی می‌کند.

ساختار حس گر حفره فابری- پیروتFBG در شکل (a) 4-10 نشان داده شده است که شامل دوFBG مشابه است که با یک حفره کوچک با طولLc از هم جدا شده اند.

اگر بازتاب پذیری این دوFBG یعنی کوچک باشد، طیف بازتابی حسگر حفره فابری- پیروت FBG یعنی تقریباً برابر است با: Rgc……… (15-10) که در آن یک ثابت، تداخل حفره، اختلاف فاز بین نور بازتابی به وسیله دو FBG وnc شاخص شکست مؤثر این بخش می باشد.

طیف بازتاب حسگر حفره FBG فابری- پیروت به وسیله تغییر فاز حفره مدوله شده است.

در نتیجه کشش و دما به صورت تغییر طول موج براگ و تغییر در اختلاف فاز حفره یا مسیر نوری کدگذاری شده اند.

تغییر در اختلاف فاز را می توان با اندازه گیری تغییر در کل نیروی بازتابی یا پروفایل طیف بازتابی نور از حس گر کدیابی کرد.

زمانی که یک حداقل در باند بازتابی اصلی گراتینگ صورت بگیرد، طیف بازتابی حفره FBG پیروت- فابری به دو پیک تقسیم می شود و هر یک در یک ظرف از طول موج براگ قرار می گیرند.

اگر این حداقل بر منطبق باشد، شدت های دو پیک برابر می شود.

با وجود کشش یا دمای کاربردی، هم طیف و هم تداخل به صورت نتیجه تغییر در اختلاف فاز عمل می کنند.

تغییرات متوالی را می توان به صورت زیر بیان کرد.

(15-10) که در آن به ترتیب عبارتند از ضرایب کشش و دمای (i=1)FBG و حفره (i=2)، اگر این دو بخش دارای ضرایب مساوی باشند مانند، موقعیت نسبی بین با دما یا کشش به کار رفته تغییر نخواهد کرد.

در این حالت طیف بازتاب حس گر حفره FBG فابری- پیروت تغییر می کند، اما پروفایل آن بدون تغییر باقی می ماند.

بنابراین دما و کشش را نمی توان به صورت جداگانه تعیین کرد.

اما در صورتی که بخش های حفره وFBG دارای ضرایب دما و کشش مقاومت باشند.

یعنی با سرعتی بیشتر از حرکت خواهد کرد.

این امر باعث کاهش شدت پیک1 و افزایش شدت پیک 2 خواهد شد، زمانی که دما و کشش افزایش می یابد.

زمانی که افزایش می یابد تا در ماکزیمم بعدی بر منطبق می شود، پیک 2 به مقدار ماکزیمم می رسد و پیک 1 از بین می رود.

افزایش بیشتر در کشش با دما باعث ایجاد دو پیک در طیف بازتاب حفره FBG فابری- پیروت می شود،‌ اما در این حالت شدت پیک 2 (برطبق طول موج بلندتر) کاهش خواهد یافت، در حالی که شدت پیک1 (برطبق طول موج کوتاهتر) افزایش می یابد.

بنابراین، شدت این دو پیک به صورت دوره ای همراه با کشش و دما تغییر می کند.

نوسان شدت منبع نور را می توان با معرفی یک پارامتر نرمال شده حذف کرد، که در آن Ip2,Ip1 عبارتند از شدت های پیک های 1و2.

اگر رابطه بین خطی فرض شود، در این صورت این دو معیار را می توان به طور همزمان و با اندازه گیری تغییرات درM و تغییر طول موج پیک 1 با پیک 2 با توجه به کشش و دما تعیین نمود: (16-10) به منظور اینکه ضرایب کشش و دمای بخش حفره با ضرایب بخش های گراتینگ یکسان نباشد یک لولهآلومینیومی کوتاه (1mm طول) و نازک (با قطر درونی0/3mm و ضخامت دیواره 0/15mm ) به بخش حفره چسبانیده شد.

گسترش این بخش مشکل تر از بخش گراتینگ است و بنابراین ضریب کشش آن کوچکتر است، به طوری که .

از سوی دیگر ضریب دمای آن برگتر است .

علت این است که ضریب انبساط گرمایی آلومینیوم بسیار بزرگتر از آن ضریب برای فیبر شیشه سیلیکا است و انبساط لوله آلومینیومی در اثر افزایش دما باعث کشش اضافی بخش حفره می شود.

شکل(b)4-10 یک ساختار حفره FBG فابری- پیروت دیگر را نشان می دهد، یعنی یک حسگر حفره نواری FBG که در آن بخش حفره نواری شده است.

حداکثر تغییر قطر در بخش حفره کوچکتر از 15% است، بنابراین هیچ تغییر واضحی در انتقال و شاخص شکست حالت مؤثر وجود ندارد.

بخش حفره نواری دارای ضرایب کشش و دمای همانند بخش گراتینگ است.

اما میانگین کشش تحمل شده به وسیله حفره نواری بزرگتر از بخش گراتینگ است که به وسیله رابطه داده شده است، که در آن یک نسبت متوسط از سطوح عرضی- مقطعی بین بخش های گراتینگ و حفره است.

حرکت نسبی بین در هنگام تغییر زمان صفر باقی می ماند، بنابراین پروفایل طیفی فقط به کشش به کار رفته در امتداد حسگر حساس است: (17-10) که در آن عبارتن از ضرایب دما و کشش بخش گراتینگ (به ترتیب): حسگرهایFBG ابرساختارها از این هدف توسعه یافته بود، که دارای مزیت های تولید آسانتر و عدم نیاز به تغییر خواص مکانیکی و ژئومتری حسگر فیبر است.

حسگرهای FBG به طور کلی شامل یکFBG واحد یا ترکیبی از FBG ها است که به صورت فیبر نوری دارای بایرفرینگنت پایین نوشته شده است.

در مورد قبلی، تغییر طول موج براگ می توانست برای اندازه گیری جزء محوری کشش یا یک تغییر در دما مورد استفاده قرار بگیرد.

در مورد اخیر، دما و کشش محوری را می توان به طور همزمان برطبق تغییرات طول موج براگ یا تغییرات و شدت های طول موج برگ، ‌تعیین کرد.

2-4- اندازه گیری همزمان دما و کشش چند محوری 1-2-4- FBG پلاریزاسیون- نگهداری (PM) حساسیت طول موج کششی- القایی متقاطع FBG ها در فیبرهای نوری سیلیکا پایین است.

برای مثال در فشردگی جانبی، تغییرات در بایرفرینگ فیبر کوچکتر از 6-10 است.

این سطح از بایر فرینگ مطابق با جداسازی های طول موج خیلی کوچکتر از پهنای باند مشابه یکFBG است.

اما ما در بخش 1-3-10 نشان دادیم که عامل حساسیت تابعی از دو کشش عرضی اصلی و کشش محوری است که به طور نرمال معین هستند.

نیازهای مربوط به اندازه گیری های چند محوری کشش و دما واضح است.

FBG ها در یک فیبر پلاریزاسیون به نگهداری برای اندازه گیری کشش های جانبی نوشته شده بود.

یک فیبر پلاریزاسیون به نگهداری می تواند دارا یک هسته مدور و روکش داخلی باشد که به وسیله یک ناحیه تنشی بیضی شکل احاطه شده است.

بایرفرینگ به وسیله تنش های گرمایی تولید شده در طول خنک سازی از دمای ترسیمی ناشی از تقارن هندسی ناحیه تنش دار القا شده است.

این بایرفرینگ تنشی به ثابت های پراکنش مختلف برای دو حالت پلاریزاسیون ارتاگونال در فیبر منجر می شود.

محورهای x,y به ترتیب با محورهی تند و کند محورهای پلاریزاسیون فیبر موازی هستند، که مطابق با محورهای فرعی و اصلی ناحیه تنشی بیضی شکل می باشند.

فیبر پلاریزاسیون- نگهداری دارای یک بایرفرینگ اولیه است که برای تقسیم کامل گراتینگ به دو طیف جداگانه کافی است.

به علت اختلاف در شاخص های مؤثر شکست دو حالت پلاریزاسیون ارتاگونال (راست گوشه)، دوFBG مؤثر با نوشتن یک FBG در امتداد محورهای پلاریزاسیون می شود.

در مورد FBG دارای فابرینگ پایین، اگر حساسیت دمای FBG ثابت باقی بماند، تغییرات نسبی طول موج براگ را می توان به صورت زیر نوشت: (18-10) که در آن طول موج براگ برای دو حالت پلاریزاسیون راست گوشه می باشد (به ترتیب) و neffy,neffx شاخص های مؤثر شکست برای دو حالت پلاریزاسیون راست گوشه می بشند (به ترتیب) با فرض اینکه کشش محور معلوم است، می توان تغییرات نسبی طول موج براگ را در ماتریس نوشت: (19-10) که در آن ماتریس ضریب شامل می باشد.

برای مورد FBG دارای بایرفرینگ زیاد، مانندFBG پلاریزاسیون- نگهداری (PM-FBG) حس گر باید برای پیش بینی های عنصر محدود با انجام یک تعدیل حداقل مربعات کالیبره شود تا ماتریس ضریب از داده های طول موج اندازه گیری شده تعیین گردد.

بر طبق معادله (19-10) اجزاء جانبی کشش را می توان تعیین نمود.

در بسیاری از ساختارها تمایل داریم یک حس گرFBG وجود داشته باشد که هم محورهای جانبی کشش و هم دما و کشش محور را اندازه گیری نماید.

یک شیوه برای حل کردن این مسئله استفاده از FBG‌های روکش دار دوگانه در طول موج های براگ متفاوت نوشته شده روی یک فیبر PM است.

اگر دوFBG با طول موج های براگ متفاوت، مانند1500mm, 1300mm، در یک موقعیت واحد در یک فیبرPM نوشته شده باشد، نتیجه چهارFBG مؤثر یکی در امتداد محور پلاریزاسیون و در طول موج براگ مطابق خواهد بود.

تغییرات نسبی طول موج های براگ را می توان به صورت زیر نوشت: (2-10) که در آن طول موج براگ برای دو حالت پلاریزاسیون راست گوشه برایFBG دوم و به ترتیب طول موج براگ اولیه غیرکششی برای دو حالت پلاریزاسیون راست گوشه FBG دوم می باشد.

با فرض خطی بودن واکنش حس گر و اینکه عنصر ماتریس ضریب 4*4 مستقل از کشش و دما است و اینکه ماتریس واحد نیست، عناصر ماتریس را می توان با انجام کالیبراسیون های تعدیلی جداگانه و حداقل مربعات حس گر به کشش جانبی باری کشش محوری تغییرات دما تعیین کرد.

2-2-4 FBG تغییر فاز شیوه دیگر استفاده از FBG تغییر فاز است.

اگر یکFBG منظم با نورUV در یک ناحیه خاص در وسطFBG تابش دهی شود، شاخص شکست در این ناحیه بالا می رود.

این فرایند دوFBG خارج از فاز با یکدیگر تولید می کند که به صورت یک رزوناتور طول موج انتخابی فابری- پیروت عمل کرده و اجازه می دهد که نور رزونانس به داخل باند توقف FBG اصلی نفوذ کند طول موج رزونانس به اندازه تغییر فاز بستگی دارد.

زمانی که فاز تغییر یافته برابر با در یک طول موج در باند توقفFBG اصلی باشد، بازتاب های قوی از این دو بخشFBG خارج از فاز می باشد که نتیجه آن انتقال قوی در طول این موج است.

این FBG پس از پردازش FBG تغییر فاز نامیده می شود .

پنجره انقال می تواند خیلی باریک شود و زمانی که FBG بایرفرینگن است، پراکنده شود.

این تیز بودن امکان صحت خیلی بالای اندازه گیری بایرفرینگFBG را فراهم می آورد.

علاوه بر این، نیاز بایرفرینگ به جداسازی پیک خیلی کمتر از FBG های منظم است و می توان به وسیله بایرفرینگ درونی یکFBG نوشته شده در فیبر غیرPM آن را ایجاد کرد.

فیبر در فقدان بار بیرونی دارای بایر فرینگ است، که از آن فاکتور های متعددی مانند هندسی، القایی،UV و القایی تنش می توانند اصلی باشند.

اما برای سهولت ریاضیاتی، فرض بر این است که بایرفرینگ اولیه درFBG ناشی از یک حالت کشش پسماند در هسته فیبر است که به وسیله کشش های اصلی توضیح داده شده است.

این کش های اصلی در جهت عمود بر یکدیگر و مثبت به محور فیبر هستند، و جهت 1 زاویه را با محورx می سازد.

بر طبق معادله (18-10) جداسازی طول موج را می توان به صورت زیر بیان کرد: (21-10) جداسازی طول موج جدید را می توان با تابعی از بدست آورد: (22-10) که در آن b,a مقادیر مثبتی هستند که مستقل است.

بنابراین هر چه زاویه بزرگتر باشد، حساسیت کشش جانبی کمتر است.

5- تأثیر اندازه گیری برای اینکه FBGS یک حس گر کشش ایده آل در یک ترکیب منسوج باشد، شرایطزیر باید تحقق یابد: (1) فیبرنوری مجتمع دارای تأثیر کمی بر میدان کششی میزبان باشد؛ (2) کشش محوری فیبر نوری بتواند بیانگر کشش نزدیک میزبان در جهت فیبرنوری باشد؛ و (3) نسبت مؤثر پایسونV* در طول دوره اندازه گیری ثابت باشد.

سیستم مشمول- نوری- فیبر- میزبان را می توان به صورت یک ترکیب متشکل از فیبر استونه ای و دو لایه پوسته ای متمرکز همراه با فیبر است که از مرکز تا سطح بیرونی پوشانده شده است (شکل5-10).

ارتفاع استوانه مرکب برابر2H، شعاع فیبر برابر R1، که شعاع داخلی پوشش نیز هست، R2 شعاع بیرونی پوشش و شعاع داخلی میزبان وR3 شعاع خارجی میزبان است.

فرض‌های اساسی زیر به گونه ای هستند که این مورد را بتوان به صورت یک مسئله با محور تقارن ساده کرد: (1) فیبر نوری، پوشش فیبر و میزبان الاستیک خطی هستند (2) ضرایب انبساط گرمایی فیبر، پوشش و میزبان ثابت هستند (3) هیچ ناپیوستگی مکانی در وجوه فیبر و پوشش، پوشش و میزبان زیر بار وجود ندارد.

(4) بار گرمایی در کل استوانه مرکب هگن است (5) دو سر (Z=IH) فرض بر این است که هیچ نیروی بیرونی بر آنها وارد نمی شود و هیچ محدودیتی در جایگیری وجود ندارد.

1-5- دیدگاه های کلی توزیع کشش نرمال شکل (a)6-10 و(c),(b) توزیع کشش نرمال را به ترتیبدر فیبر.

پوشش و میزبان در امتداد جهت محوری فیبر با مقادیر مختلف شعاعr نشان می دهد.

شکل (a)6-10 نشان می دهد که کشش نرمال فیبر همراه با افزایش طولz کاهش می یابد.

به علت اینکه ضریب انبساط گرمایی فیبر نوری بیش از یک درجه مغناطیسی کوچکتر از ضریب میزبان است، میزان کششی فیبر نوری بستگی زیادی به محدودیت میزبان دارد.

هنگامی که قسمت میانی فیبرنوری بیش از قسمت های نزدیک دو سر محدودتر می گردد.

کشش فیبر نوری میانی به کشش میزبان بدون حس گر فیبر مشمول (e=1) نزدیک تر است.

منحنی های توزیع کشش صرفنظر از موقعیت شعاعی در فیبر مشابه هستند، بنابراین می‌توان کشش فیبر را تابعی ازz فقط محسوب کرد.

شکل b6-10 رویه معکوس توزیع کشش در میزبان را نشان می دهد.

میزان کشش میزبان میانی کمتر از میزان کشش میزبان نزدیک به مرز است که علت این است که میزبان میانی به وسیله فیبر بیشتر محدود شده است و میزبان نزدیک مرز در یک شرایط بار گرمایی می تواند به طور آزادانه گسترش بیشتری پیدا کند.

مقادیر کشش نرمال میزبان خیلی نزدیک به1 است(0/995 توزیع کشش روکش به علت مدلوس ارتجاعی پایین تر به طور قابل توجه تحت تأثیر هم فیبر و هم میزبان قرار می گیرد (شکل(c)6-10).

توزیع کشش در امتدادz مشابه توزیع کشش فیبر در زمانی است کهr بهR1 نزدیک می‌شود و کشش نزدیک سطح خارجی پوشش (روکش) همانند سطح میزبان، در امتدادz تغییر کمی دارد.

2-5- اثرات پارامترها بر ضریب تأثیر عبارت H95 معرفی شده است، که در آنe دارای یک مقدار 95/0 است.

مفهوم فیزیکی H95 آن است که فقط زمانی کهz گراتینگ فیبر نوری کوچکتر از H95باشد نتیجه اندازه گیری فیبر مؤثر خواهد بود.

طول این ناحیه بیانگر حدود اندازه گیری مؤثر کشش میزبان به وسله یک FBGS مشمول است.

هر چه طول این ناحیه بیشتر باشد، FBGS در یک میزبان مؤثرتر خواهد بود.

بنابراین طول نسبی ناحیه مؤثر بصورت ضریب تأثیر به وسیله رابطه زیر تعریف شده است: ضریب تأثیر تحت تأثیر چند فاکتور قرار دارد که عبارتند از مدلوس ارتجاعی، نسبت پوشش پایسون، نسبت سختی تنش، ضخامت ترکیب و غیره.

شکل 7-10 نشان می دهد که افزایشEe باعث افزایش زیاد می شود.

در حالی کهEe از 045/0 تا1GPa متغیر است.

این منحنی سپس به یک وضعیت ثابت (تراز) می رسد و تأثیر بر بسیار کوچک می شود.

بنابراین E=1Gpa را می توان به عنوان یک مقدار آستانه برای شرایط ویژه در نظر گرفت.

شکل 8-10- میزان تأثیر پایسون فیبر نوری را نسبت به طول فیبر نشان می دهد.

در یک گستره از صفر تا7mm، میزان تأثیر پایسون همراه با افزایشz کاهش می یابد.

بنابراین این باید به عنوان یک ثابت در امتدادz در نظر گرفته شود به استثنای سهم کوچک نزدیک مرز (N).

مقدارV* نزدیک z=0 برابر با 13/0 است که با نسبت پایسون فیببر (17/0) مساوی نیست.

این امر نشان می دهد که کشش عرضی (متقاطع) فیبر نوری تحت نفوذ کشش میزبان قرار ندارد (وگرنه باید نزدیک به 1- باشد) اما تحت نفوذ نسبت پایسون برای فیبر است.

در حالت خاص بررسی ما، مدلوس ارتجاعی پوشش باید مساوی یا بزرگتر از مقدار آستانه f=0/78 Gpa باشد.

اگر تأثیر اندازه گیری در نظر گرفته باشد (شکل7-10).

اما افزایشEc بر مقدار نسبت مؤثر پایسونV* و سپس عامل حساسیتf تأثیر خواهد گذاشت.

شکل 9-10 V* را به عنوان تابعی ازEc نشان می دهد که نمایانگر رویه معکوس در مقایسه با رویه تأثیر است.

زمانی که مدلوس پوشش کوچکت یا مساوی با مقدار آستانه 1GPa باشد، تغییراتV* نسبتاً کوچک خواهد بود.

با در نظر گرفتن اثرات مدلوس ارتجاعی پوشش بر تأثیر اندازه گیری و نسبت مؤثر پایسون، مدلوس پوشش بهینه را باید به صورت مقدار آستانه Ec=1GPa انتخاب کرد.

این حالت ضرورت انتخاب خواص بهینه ماده ای پوشش به منظور مؤثر ساختن اندازه گیری ها را نشان می‌دهد.

6- اعتماد پذیری FBG ها یک فیبر نوری سیلیکای تک حالتی دارای قطر روکش 125 میکرون و یک قطر بیرونی 250 میکرون است.

این را می توان به یک اجرای منسوج در فرایندهای تولیدش معرفی کرد مانند نساجی، بافندگی و تابیدن.

به طور متناوب، این امر باید در فرایند ادغام ترکیبات منسوج شناسانده شود.

در هر دو حالت هنگام تجمیع آن در ساختار منسوج باید احتیاط کرد.

گذشته از آسیب به فیبر نوری در طول فرایندهای تولید، اعتماد پذیری یک حس گر گراتینگ فیبر براگ تحت تأثیر تعدادی از عوامل دیگر از جمله موارد زیر قرار دارد: