چکیده

از اهداف اصلی توسعه پایدار، حفظ زیر ساختهای کشور همچون سدها، نیروگاهها و خطـوط ارتبـاطی اسـت. بـدین لحـاظ پـایش مستمر زیر ساختها در دستور کار متخصصین ذیربط قرار دارد. پایش مستمر هنگامی میتواند مفید واقع گردد که بر مبنای اطلاعـات

استخراج شده از سنسورهای دقیق و قابل اطمینان استوار باشد. بدین لحاظ در سالهای اخیر بیشـترین توجـه تکنولـوژیکی بـه بهبـود دقت سنسورها و بهکارگیری سنسورهای جدید متمرکز گردیده است. نوینترین دستاورد در پایش سلامت سازههـا، سنسـورهای فیبـر نوری میباشد، که دارای ویژگیهای عمده از قبیل ثبات در اندازهگیری، قابلیت اطمینان در زمانهای طولانی، و امکان انـدازهگیـری در محلهای غیر قابل دسترس با رزولوشن بالا است. سنسورهای فیبر نوری قطعاتی بر پایه تکنولوژی فیبر نوری هستند که برای سـنجش کمیت هایی نظیر استرین، دما، میزان ارتعاش، فشار ، شتاب، و یا حتی تعیین غلظت یک ماده شیمیایی استفاده میشوند. اساس کار این سنسورها مبتنی بر ارسال یک پرتو نور از منبع لیزری (اغلب نور لیزر تک فرکانسی) یا یک منبع بسیار نـورانی درون یـک فیبـر نـوری است. خواص نور ارسال شده در طول فیبر با توجه به عوامل و اثرات فیزیکی وارد به آن تغییر یافته و سرانجام در سوی دیگر فیبر بـه یک آشکارساز میرسد. در این مقاله، متدولوژی پایش سلامت سدها با استفاده از تکنیک فیبرهای نوری معرفی و بیان شده است. لـذا در این راستا تکنولوژیهای مشاهداتی سنسورهای فیبر نوری و اصول و تکنیـکهـای بـهکـارگیری شـده در آنهـا و بکـارگیری ایـن سنسورها در مانیتورینگ سلامت سدها بیان گردیده است.

واژههای کلیدی: سنسور فیبر نوری، رفتارسنجی، سد، استرین، تغییر شکل

-۱ مقدمه :

سازههای بزرگ عمرانی و صنعتی مانند سدها، نیروگاهها، خطوط ارتباطی در زمره زیرساختهای اصلی جوامع کنونی بشر
میباشند. این سازهها متأثر از فرهنگ، اقتصاد و اکولوژیک جامعه بوده و به طور متقابل بر روی اقتصاد، و فرهنگ جامعه تأثیرگذاراند.

از این رو طراحی مناسب، کیفیت سازه و حفظ سلامت آن؛ از اهداف اصلی مدیران و متخصصین ذیربط میباشد. از طرفی تخریب یک سازهْ عمرانی پیامدهای ناگواری از قبیل تلفات انسانی، چالشهای اقتصادی و در مواردی همچون نیروگاههای هستهای و سدها،

سبب به وجود آمدن آلودگیهای اکولوژیکی و محیط زیستی گشته؛ که جبران آن، دشوار و در برخی موارد غیر ممکن میباشد. بنابراین ایمنی و دوام سازهها باید به خوبی کنترل و مدیریت شوند. از اینرو پایش سلامتی سازه، نقش اساسی و عمده در فعالیتهای مدیریتی دارد. فرآیند پایش سلامتی سازه شامل ثبت دائمی و دورهای پارامترها در فواصل زمانی بلندمدت وکوتاه مدت بمنظور

اکتساب اطلاعات دقیق و بروز پیرامون کارایی و وضعیت سلامتی سازه میباشد. اطلاعات حاصل از پایش سلامتی سازه در طرحریزی، بهرهبرداری مناسب، نگهداری، تعمیرات، بازسازی، افزایش ایمنی، و سلامتی سازه استفاده میشوند. بر این اساس، بمنظور

پایش سلامتی سازه، میبایست از سنسورهایی استفاده گردد که اطلاعات دقیق و قابل اطمینانی را تأمین نماید، که بر مبنای آن بتوان
تصمیمگیری صحیح و هوشمندانه اتخاذ گردد. سنسورهای متداول مورد استفاده در پایش سلامتی سازه عبارتند از اکستنسومتر،

انحراف سنج. نیروسنج، درزهسنج، و…که مورد استفاده قرار میگیرند. در راستای افزایش دقت و قابلیت اطمینان سنسورها، تحقیقات
بسیاری صورت پذیرفته است؛ که نوینترین دستاورد حاصل، تکنولوژی سنسورهای فیبر نوری میباشد. سنسورهای فیبر نوری قطعاتی بر پایه تکنولوژی فیبر نوری هستند که برای سنجش کمیت هایی نظیر استرین، دما، میزان ارتعاش، فشار ، شتاب، و یا حتی

تعیین غلظت یک ماده شیمیایی استفاده میشوند. اساس کار این سنسورها مبتنی بر ارسال یک پرتو نور از منبع لیزری (اغلب نور لیزر تک فرکانسی) یا یک منبع بسیار نورانی درون یک فیبر نوری است. خواص نور ارسال شده در طول فیبر با توجه به عوامل و اثرات

فیزیکی وارد به آن تغییر یافته و سرانجام در سوی دیگر فیبر به یک آشکارساز میرسد. سنسورهای فیبر نوری به دلیل دقت، قابلیت

اطمینان بالا، ثبات در اندازهگیریها، و پایداری به سرعت جای خود را در صنعت پایش سلامتی سازهها باز نموده و در حال گسترش
و بهکارگیری می باشند. سنسورهای فیبر نوری در سطح جهانی تکنولوژی بسیار نوینی میباشد. Butter و Hocker در سال ۱۹۷۸،

برای نخستین بار در کشور آلمان موفق به ساخت سنسور فیبر نوری گشتند که طول سنجه و رزولوشن استرین آن محدود بود. از طرفی سابقه تحقیقات و آزمایشات مهندسین عمران با سنسورهای فیبر نوری نیز به اواخر سال ۱۹۸۰ بر میگردد. در ابتدا، استفاده از سنسورهای فیبر نوری به دلیل گران بودن اجزاء و قطعات مورد نیاز مرسوم نبوده، ولی اخیراً با افزایش کیفیت تولیدات و پایین آمدن قیمت قطعات آن، سیر صعودی در زمینه ورود به بازارهای تجاری داشته است. سنسورهای فیبر نوری به علت دارا بودن مزایایی همچون ایمنی در برابر ولتاژهای بالا، باند عبوری گسترده، ایمنی در مقابل تداخل امواج الکترومغناطیس((EMI و رادیویی((RFI، عدم تابش سیگنال اطلاعاتی به خارج از فیبر نوری، وزن و حجم کم، انعطافپذیری، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و عوامل مختلف طبیعی، بر سنسورهای متداول برتری دارند. افزون بر این، در برخی موارد مانند محیطهای رادیو اکتیویته بالا، محیطهای دارای جریان و ولتاژ زیاد، و مکانهایی که احتمال انفجار وجود دارد؛ تنها از این نوع سنسورها میتوان استفاده کرد. چنین مزایایی سبب گردیده

است که از سنسورهای فیبر نوری در کاربردهای مختلف تحقیقاتی، صنعتی و پزشکی مانند اندازهگیری شدت نور، جابه جایی، دما،

فشار، میدان الکتریکی و مغناطیسی، ارتعاش، میزان تابش، زاویه چرخش، شدت صوت، سرعت سنجی شارهها، اندازهگیری ترکیبات خون، آشکارسازی مواد شیمیایی و بسیاری موارد دیگر استفاده به عمل آید. از طرفی، در چند سال اخیر انواع مختلفی از سنسورهای فیبرنوری طراحی شدهاند که بعضی به مرحله تجاری رسیدهاند، و بسیاری دیگر هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارند. ( Branko (Glisic and Daniel Inaudi 2008

بر این اساس مقاله حاضر به بررسی ساختمان فیبر نوری و انواع آن پرداخته میشود. همچنین اصول عملکرد سنسورهای فیبر نوری، تقسیم بندیها و مکانیسمهای آن بیان میگردد. انواع سنسورهای فیبر نوری و مزایا و اساس هریک نیز به اختصار بیان می-

گردد. در انتها نحوه استفاده سنسورهای فیبر نوری در پایش سلامتی انواع مختلف سد بیان گردیدهاست

-۲ فیبر نوری

می دانیم هر محیط عایق و شفاف که ضریب شکست آن از ضریب شکست محیط اطراف بیشتر باشد میتواند به عنوان یک هادی نور عمل کند. فیبر نوری رشته بسیار نازکی از شیشه میباشدکه شامل مغزی، یک یا چند لایه خارجی به نام غلاف و یک روکش محافظ است.

۲

c
۲ c

شکل -۱ قسمتهای مختلف فیبر نوری

ساختمان فیبر نوری به گونهای است که ضریب شکست مغزی n1 همواره بزرگتر از ضریب شکست غلاف n 2 است. برای
یک فیبر با پرتوهای محوری، زوایای ورود و خروج پرتو از فیبر با یکدیگر مساوی هستند. در شکل ۲ هرگاه n ضریب شکست محیط اطراف، θ و β زوایای فرود و شکست پرتو در سطح مشترک بین مغزی فیبر و محیط اطراف، φ و γ زوایای فرود و شکست پرتو در سطح مشترک بین مغزی و غلاف فیبر باشند؛ بنابه قانون اسنل- دکارت خواهیم داشت:

معادله (ٌ)

معادله (ٍ)

 n sin = n1 sin

 n1 sin = n2 sin

۲ n
n1
φ γ n
β
θ

شکل -۲ انتشار نور در داخل فیبر نوری
با توجه به اینکه n1 بزرگتر از n 2 میباشد یک پرتو بحرانی وجود دارد که برای آن γ = π/۲ است. برای چنین پرتویی در
حقیقت انعکاس درونی کلی روی میدهد، بطوریکه φ برابر با زاویه بحرانی c است در نتیجه رابطه زیر تعریف می شود:
معادله (َ) n 2 Sin c =
n
1

پس تمامی پرتوهای منتشره در داخل مغزی فیبر که برای آنها φ بزرگتر از زاویه بحرانی است، درون مغزی فیبر انعکاس

درونی کلی حاصل میکنند و به خارج از فیبر راه نمییابند. پس c کوچکترین زاویهای است که لازم است پرتو تحت آن زاویه به سطح مشترک مغزی و غلاف برخورد کند تا پرتو در درون فیبر انعکاس درونی کلی انجام دهد به این ترتیب زاویه c که با رابطه

تعریف میشود، بزرگترین زاویه شکستی است که پرتو وارد شده به فیبر میتواند داشته باشد تا در شرایط انعکاس

درونی کلی در داخل فیبر صدق کند. پس با توجه به روابط ۱ تا ۳، از کل پرتوهایی که به سطح مقطع فیبر برخورد میکنند فقط پرتوهایی میتوانند در داخل فیبر انعکاس درونی کلی حاصل کنند که زاویه ورود آنها از یک زاویهْθC ماکزیمم، زاویه پذیرش، بیشتر
نباشد. زاویهْ θC رامیتوان از رابطهْ زیر به دست آورد.

۳

معادله (ُ )

( -  sin( = n sin  n  n sinθ
۱ C
c 2 c 1

۱ n
)2 ]2 2 n [1 (  c cos  n  C n sinθ

۱ n 1 1

۱
۰ A 0 2 ) 2  N 2 2 -n 1 (n C n sinθ

پس هرچه اختلاف

کمیت n sinθC  N0A0

منتشر شود.

n1 و n 2 و در نتیجه ۰

که گشودگی عددی نامیده

N0Aبیشتر باشد، نوراز زاویهْ فرودی تیزتری به داخل فیبر راه مییابد. میشود، تعیین کننده مقدار نوری است که میتواند وارد فیبر شود و در آن

-۳ تکنولوژی سنسورهای فیبر نوری

به طور کلی سنسور وسیلهای است که دارای یک سنجه۱ حساس بوده و این سنجه در اثر اعمال یک یا چند پارامتر فیزیکی یا
شیمیایی به طریقی تغییر میکند و این تغییر را به یک سیگنال قابل اندازهگیری تبدیل میکند تغییر در سیگنال خروجی یک سنسور

تابعی از پارامترهای ورودی است.

یک سنسور فیبر نوری از چشمه نور، یک فصل مشترک نوری، یک یا چند فیبر نوری، مدولاسیون نوری، آشکارساز و پردازشگر سیگنال تشکیل شده است. برای آشکارسازی و اندازهگیری پارامتر مورد نظر به وسیله سنسور فیبر نوری لازم است نور ورودی به سنسور به طریقی تغییر نماید که این تغییر می تواند بر روی فاز، دامنه و یا قطبش نور انجام گیرد.

سنسورهای فیبرنوری یکی از انواع سیستمهای پایش سلامت سازه بوده که با استفاده از شبکهای از سنسورها که پارامترهای
مربوط به وضعیت سازه و محیط اطراف آن را اندازهگیری مینماید، ساخته شده است. این سنسورها برای سازههای مهندسی از قبیل

پلها، نیروگاهها، سدها، ساختمانهای بلند و آثار تاریخی مورد استفاده قرار میگیرند.پارامترهای مورد اندازهگیری در این سیستمها عبارتند از: موقعیت، جابجایی، انحراف، استرین، نیروها، فشارها، شتابها و لرزشها، دما، رطوبت، غلظت کلر و پ- هاش (PH)، پارامترهای محیطی از قبیل دمای هوا، رسوب، جریان و تراز سطح آب، غلظت آلودگی.
×منبع تغذیه
قسمت آشکارساز مدولاتور فصل مشترک نوری چشمه نور
الکترونیکی ×چشمه نور

×منبع نور

×آشکارساز ×لنز

شکل -۳ قسمتهای مختلف سنسور فیبر نوری