Sensor đo gia tốc

8 P a E t           

Độ biến dạng này của màng gây nên một sự dịch chuyển bƣớc sóng của cách tử Bragg đƣợc gắn trong màng. Độ dịch bƣớc sóng đƣợc xác định theo công thức:

(1 )

o pe

  

   (3.5)

Nhƣ vậy độ chênh lệch áp suất có thể đƣợc xác định theo độ dịch chuyển bƣớc sóng Bragg theo công thức:

2 8 3(1 ) o(1 e) E a P t p              

Trong đó E là suất I-âng, υ là hệ số Poatxong của vật liệu.

Nhƣ vậy ta thấy rằng khi có một sự chênh lệch áp suất nào đó tác động lên màng thì bƣớc sóng Bragg phản xạ từ cách tử quang sợ Bragg sẽ thay đổi một cách tƣơng ứng. Từ biểu thức liên hệ ở trên ta dễ dàng đo đƣợc áp suất của môi trƣờng theo độ dịch chuyển bƣớc sóng Bragg mà ta quan sát đƣợc.

3.1.5. Sensor đo gia tốc [6]

Các sensor đo gia tốc truyền thống chủ yếu dựa trên các hiệu ứng áp điện, hiệu ứng áp trở hoặc dựa trên phƣơng pháp điện dung để truyền tải các tín hiệu về chuyển động của vật thể thành các tín hiệu điện. Các loại sensor này đã rỏ rõ tính hữu ích của nó trong nhiều ứng dụng. Những năm gần đây, sự phát triển của thị trƣờng sensor dựa

Hình 3.5. Cấu trúc của sensor đo áp suất

(3.4)

trên cách tử FBG đã thách thức thị trƣờng truyền thống. Thị trƣờng sensor đo gia tốc là một thị trƣờng lớn và do đó trong xu thế phát triển chung của các sensor dựa trên FBG, việc nghiên cứu nhằm tạo ra các sensor gia tốc dựa trên kỹ thuật này là một vấn đề nghiêm túc và nhiều hứa hẹn.

Cấu hình cơ bản của một sensor đo gia tốc dựa trên cách tử FBG có dạng nhƣ hình vẽ dƣới đây, nó bao gồm một cách tử quang sợi Bragg đƣợc ghép nối với một quả nặng gia trọng có khối lƣợng M. Khi vật thể chuyển động sẽ làm cho quả nặng chuyển động theo với cùng một nhịp, chính sự chuyển động đó gây nên sự co giãn trên thân cách tử, làm thay đổi bƣớc sóng Bragg một cách tƣơng ứng.

Qua thực nghiệm ngƣời ta đã chỉ ra đƣợc độ biến dạng có mối liên hệ với gia tốc theo phƣơng trình:

M a EA

 

Trong đó A là suất I-âng của vật liệu chế tạo cách tử, A là tiết diện của sợi quang.

Khi vật thể chuyển động, nó sẽ làm cho sợi cách tử bị biến dạng theo, chính sự biến dạng đó sẽ gây nên sự dịch bƣớc sóng mà ta có thể quan sát.

.1.6. Sensor đo sóng âm [20]

Kỹ thuật sóng âm đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác nhau cũng nhƣ trong các lĩnh vực thƣơng mại, đặc biệt là trong việc khảo sát và xử lý các loại vật liệu, trong y sinh học. Hiện nay, ngƣời ta đã công bố một số các công trình cho thấy có thể sử dụng cách tử FBG để nhận biết sóng âm.

Có hai cách thức đã đƣợc đƣa ra đề xuất kỹ thuật sử dụng một sensor FBG để phát hiện sóng âm. Trong cách thức đầu tiên, cách tử FBG đƣợc bơm bởi một nguồn sáng laser phổ rộng và tín hiệu sóng siêu âm đƣợc phân tách ra bởi kỹ thuật điều biến bƣớc sóng. Cách thức tiếp cận thứ hai dựa trên việc khảo sát cƣờng độ phản xạ từ phổ

Hình 3.6. Cấu trúc của sensor đo gia tốc

phản xạ của cách tử đã bị biến đổi dƣới tác động của sóng siêu âm. Theo các công trình đã công bố thì các sensor FBG có khả năng nhận biết đƣợc các sóng âm có dải tần số từ 1 kHz tới 3 MHz. Mặc dù vẫn còn có những khó khăn nhất định, chẳng hạn nhƣ trong một số trƣờng hợp ngƣời ta đã quan sát thấy sự dao động bất thƣờng của tín hiệu cƣờng độ, hay nhƣ sự hiểu biết về đặc tính của sensor ở dải tần số megahertz vẫn chƣa đầy đủ nhƣng ngƣời ta hy vọng rằng có thể đƣa sensor sóng âm FBG thành một công cụ đầy triển vọng.

Phần dƣới đây mô tả mô hình sensor đƣợc chế tạo theo phƣơng thức khảo sát cƣờng độ phổ phản xạ.

Ta đã biết bƣớc sóng Bragg liên hệ với chiết suất và độ dài bƣớc cách tử theo công thức:

λBragg = 2neffΛ

Khi có một sóng âm đi tới một sợi quang có chứa cách tử Bragg (đƣợc nhúng trong nƣớc). Dƣới tác động áp suất sóng, độ dài của bƣớc cách tử sẽ thay đổi. Sự thay đổi đó có thể đƣợc diễn tả bởi các phƣơng trình sau:

E P L      (1 2) , ) 2 )( 2 1 ( 2 12 11 2 p p E P n n n      

Với E và  là suất I-âng và tỉ số Poisson của sợi quang, ΔP là sự thay đổi chiết suất gây nên bởi sóng âm. Chú ý rằng

    L L , ta suy ra: 2 12 11 (1 2 ) (1 2 )(2 ) 2 B B n p p P E E                 (3.8)

Đó chính là công thức mô tả sự phụ thuộc của bƣớc sóng Bragg vào sự thay đổi của áp suất gây nên bởi sóng âm.

Trên cơ sở đó, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc các sensor đo sóng âm sử dụng cách tử Bragg. Dƣới đây là hình ảnh về một đồ thị ghi nhận sóng âm bởi loại sensor này.

Hình 3.8 . Tín hiệu sóng âm thu nhận bởi sensor dựa trên FBG[20] Hình 3.7. Sóng âm gây nên sự biến

Trên đây chỉ là một số loại sensor có thể đƣợc chế tạo dựa trên cách tử Bragg. Trên thực tế còn có thể có nhiều loại sensor nữa dựa trên cách tử Bragg có thể đƣợc chế tạo. Thực nhƣ vậy, ngƣời ta đã quan sát thấy sự thay đổi bƣớc sóng Bragg khi cách tử đƣợc đặt dƣới môi trƣờng phóng xạ [3] hoặc một số loại cách tử đƣợc chế tạo một cách đặc biệt sẽ thay đổi bƣớc sóng khi đƣợc đặt trong dung dịch một chất nào đó. Tất cả những điều đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của cách tử Bragg trong việc chế tạo các loại sensor là rất lớn, rất đa dạng. Có lẽ đó cũng là một trong những lý do mà chúng rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển trong giai đoạn hiện nay.

3.2. Một số hƣớng nghiên cứu đáng quan tâm về sensor FBG

Có thể nói rằng việc nghiên cứu các sensor dựa trên cách tử FBG đang thu hút đƣợc một sự quan tâm to lớn của các nhà nghiên cứu hiện nay. Các hƣớng nghiên cứu thì rất nhiều và đa dạng, ở đây ngƣời viết chỉ xin tóm lƣợc vài hƣớng nghiên cứu chính theo quan điểm của tác giả với mục đích phần nào phác thảo rõ hơn về bức tranh nghiên cứu đối với loại cách tử này.

3.2.1.Các phƣơng pháp phân tích số liệu tích hợp[9]

Một trong những ƣu điểm lớn của các sensor dựa trên cách tử Bragg là khả năng đa tích hợp. Đó là khả năng nhiều sensor có thể đƣợc tích hợp với nhau thành một mạng lƣới mà chỉ sử dụng một thiết bị ghi đọc tín hiệu duy nhất. Do tích hợp nhƣ vậy, mà tại đầu vào của thiết bị đọc là rất nhiều các tín hiệu ánh sáng trộn lẫn vào nhau, gây ảnh hƣởng với nhau. Để có thể tận dụng đƣợc khả năng đa tích hợp, bắt buộc chúng ta phải phát triển các kỹ thuật phân tách, nhận biết rõ ràng từng tín hiệu ánh sáng đó.

Có một số phƣơng pháp phân tích tín hiệu đã đƣợc nêu ra:

a) Kỹ thuật bẫy tín hiệu [22](Điều khiển sức căng)

Có một vài phƣơng pháp đã đƣợc công bố nhằm phân tích tín hiệu. Một kỹ thuật thu đƣợc khá nhiều thành công, đó là kỹ thuật lọc lựa điều biến đƣợc sử dụng để bẫy các tín hiệu. Về cơ bản, kỹ thuật này sử dụng một buồng giao thoa kế Fabry-Perot (FP), ngoài ra có thể dùng lọc lựa acousto-optic, hoặc lọc lựa trên cơ sở FBG [18,19] để chọn lọc tần số. Có thể sử dụng buồng giao thoa F-P làm ví dụ, ở đây ánh sáng phản xạ từ chuỗi cách tử đƣợc truyền đến bộ lọc F-P, nơi mà tùy vào khoảng cách giữa các gƣơng phản xạ mà nó chỉ cho một phần dải sóng nào đó đi qua. Một bộ điều khiển điện tử có thể điều khiển khoảng cách này thông qua một phần tử áp điện cho phép điều biến bƣớc sóng. Khi bộ lọc đƣợc điều biến, nó có thể quyét tất cả các tín hiệu phản xạ trở lại từ cách tử, và các tín hiệu đó có thể đƣợc xác định và ghi nhận tƣơng ứng với điện áp đƣợc đặt vào bộ lọc mỗi khi tín hiệu phản xạ đƣợc phát hiện.

Với kỹ thuật này cùng với việc sử dụng các bộ chuyển đổi quang ta có thể làm việc với một chuỗi các dây cách tử, chẳng hạn nhƣ theo A. D. Kersey [4], một hệ thống gồm có 60 cách tử đƣợc tích hợp trên chuỗi 5 sợi quang, mỗi sợi quang gồm có 12 cách

tử đã đƣợc thử nghiệm thành công. Tất nhiên bằng việc sử dụng nhiều cổng chuyển đổi quang hơn, ta hoàn toàn có thể tạo ra một mạng lƣới với số cách tử lớn hơn nhiều.

Phƣơng pháp bẫy tín hiệu này có một nhƣợc điểm là chỉ bắt đƣợc các dải tín hiệu trƣợt qua phổ quang tại thời điểm tƣơng thích. Vì vậy muốn tăng tính chính xác, ta phải tăng tần số quyét.

b)Sử dụng các chuỗi nhạy quang

Một phƣơng pháp khác có thể khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này là sử dụng các ma trận phân tích. Ở thiết bị này, ngƣời ta sử dụng lăng kính hoặc cách tử phân tách tín hiệu thành các tia sáng khác nhau đi tới một màn thu gồm rất nhiều các phần tử nhạy quang sắp liền với nhau. Phổ ánh tới tới sẽ đƣợc tán sắc thành nhiều vùng phân bố trên dãy nhạy quang này.

c) Kỹ thuật phân chia bƣớc sóng và thời gian

Ngoài các phƣơng pháp trên, một phƣơng pháp nữa cũng có thể đƣợc sử dụng là phƣơng pháp phân chia bƣớc sóng kết hợp với thời gian [4]. Sơ đồ của phƣơng pháp này đƣợc mô tả bởi các hình vẽ 3.11. Khi làm việc ngƣời ta cho phát ra tại nguồn sáng một xung laser. Theo đó xung laser này khi đi qua các cách tử sẽ đƣợc phản xạ ngƣợc trở lại, do độ dài đến các cách tử là khác nhau, nên thời gian phản xạ ngƣợc trở lại của xung ánh sáng là khác nhau. Qua đó ta có thể nhận biết đƣợc các tín hiệu từ các sensor khác nhau.

Hình 3.9. Sơ đồ mạng 5x12 sensor đƣợc nhận biết bằng phƣơng pháp bẫy tín hiệu

Hình 3.10. Kỹ thuật dùng phổ tán sắc

3.2.2.Các phương pháp phân tách, đo kết hợp nhiều thông số[10,13,16]

Một trong số những hạn chế của sensor dựa trên cách tử FBG là bƣớc sóng Bragg có thể bị ảnh hƣởng bởi đồng thời nhiều thông số tác động lên nó. Chẳng hạn nhƣ sự ảnh hƣởng đồng thời của nhiệt độ và sức căng, của nhiệt độ và áp suất…vv. Mỗi thông số ấy góp một phần vào sự dịch chuyển chung của bƣớc sóng Bragg, gây nên cho ta sự khó khăn trong việc xác định chính xác giá trị của riêng một thông số mà ta quan tâm. Chính vì thế mà hƣớng nghiên cứu nhằm tìm ra các phƣơng pháp tách bạch sự ảnh hƣởng lẫn nhau hoặc đo đồng thời các thông số vật lý là một hƣớng nghiên cứu cần thiết và đáng quan tâm. Có thể kể đến một số phƣơng pháp sau đây:

a) Phƣơng pháp bù nhiệt độ

Trong phƣơng pháp này, ngƣời ta sử dụng hai sensor đồng thời tại một vị trí cần đo. Một sensor đƣợc lắp đặt sao cho nó hoàn toàn không chịu ảnh hƣởng của sự biến dạng của môi trƣờng đo, mà chỉ chịu sự ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng. Nhƣ vậy ta hoàn toàn có thể sử dụng sensor này để đo nhiệt độ của môi trƣờng. Sensor thứ hai chịu sự tác động của cả hai yếu tố: Nhiệt độ và độ biến dạng của môi trƣờng. Nhƣng vì ta đã biết sự thay đổi của nhiệt độ từ sensor thứ nhất do vậy ta có thể bù trừ sự ảnh hƣởng của nhiệt độ ở sensor thứ hai này, do đó ta có thể tính đƣợc độ biến dạng của nó. Tuy nhiên không phải trong trƣờng hợp nào cũng có thể lắp đặt đƣợc một hệ nhƣ vậy.

Hình 3.11. Sơ đồ mạng sensor sử dụng phƣơng pháp TDM/WDM

b)Phƣơng pháp các hệ số đáp ứng khác nhau

Ở trong phƣơng pháp này, ngƣời ta lắp đặt vào cùng vị trí cần đo hai sensor có các hệ số đáp ứng nhiệt độ (KT1, KT2) và sức căng (Kε1, Kε2) khác nhau. Khi đó việc giải hệ phƣơng trình mô tả bởi ma trận:

1 1 1 2 2 2 T T K K K K T                          (3.9)

Sẽ cho ta các kết quả ε và T. Độ chính xác của phƣơng pháp này sẽ tỷ lệ với sự sai khác của hệ số đáp ứng nhiệt và hệ số đáp ứng sức căng của hai sensor, sao cho định thức ma trận khác không. Với các loại FBG, do có sự phụ thuộc vào bƣớc sóng của các hệ số căng quang và hệ số nhiệt quang cho nên có một sự thay đổi nhỏ về các mức đáp ứng của chúng tại các bƣớc sóng khác nhau. Xu [35]đã đo hệ số đáp ứng của các cách tử tại hai bƣớc sóng khách nhau 1300 nm và 850 nm thì nhận thấy rằng hệ số đáp ứng sức căng tăng lên 6,5 % trong khi hệ số đáp ứng nhiệ độ giảm đi 9,8% tại bƣớc sóng 1300 nm so với 800nm. Các nhà nghiên cứu đó đã kết luận rằng phƣơng pháp này có thể cho phép xác định đồng thời nhiệt độ và độ căng với độ chính xác ± 5oC và ± 10 µε. Hiện nay cách thức tiếp cận này vẫn đang đƣợc nghiên cứu nhằm tím ra các hệ số đáp ứng thích hợp nhất nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo.

Ngƣời ta cũng sử dụng kỹ thuật tƣơng tự để phát triển một phƣơng pháp đo đồng thời cả nhiệt độ và áp suất[25]. Hình vẽ phía dƣới mô tả cấu hình của phƣơng pháp đo này. Nó gồm có một cách tử, nửa bên trái của cách tử đƣợc gắn cố định bởi hai điểm tiếp xúc, nửa bên phải đƣợc bọc trong một khối polymer.

Theo cơ cấu đó, phần cách tử bên trái sẽ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng, phần bên phải sẽ phụ thuộc vào cả áp suất và nhiệt độ môi trƣờng. Sự phụ thuộc đó có thể đƣợc mô tả bởi các phƣơng trình:

Hình 3.12. Cấu trúc của một hệ đo đồng thời áp suất và nhiệt độ

0. BL TL BR PR TR P k T k P k T            

Trong đó kTL là hệ số đáp ứng nhiệt độ của nửa cách tử bên trái; kPR, kTR lần lƣợt là hệ số đáp ứng áp suất và nhiệt độ của nửa bên phải. Giải hệ phƣơng trình này ta sẽ thu đƣợc các thông số nhiệt độ và áp suất của môi trƣờng. Hơn nữa ta có thể thấy rằng hệ phƣơng trình này hoàn toàn tƣơng đƣơng với ma trận:

0 BL TL BR PR TR k P k k T                     (3.10)

Có nghĩa là chúng hoàn toàn tƣơng đƣơng với phƣơng pháp mà ta đã mô tả ở trên. Nói một cách chung nhất, trong kỹ thuật đo đồng thời nhiều thông số, ngoài một số các kỹ thuật đặc biệt thì hầu hết đều sử dụng mô hình dùng hai cách tử hoặc hai phần cách tử có hệ số đáp ứng khác nhau đối với môi trƣờng. Điều đó cung cấp cho ta các số liệu cho phép ta phân tách đƣợc sự ảnh hƣởng lẫn nhau của chúng, từ đó cho phép xác định riêng rẽ từng thông số một.

b) Một số phƣơng pháp khác

Trên đây chỉ là một số phƣơng pháp chính nhằm phân tách các tín hiệu môi trƣờng có ảnh hƣởng đan xen lẫn nhau lên độ nhạy của cách tử FBG. Ngoài ra còn có một vài phƣơng pháp khác cũng đã đƣợc nghiên cứu phát triển. Về cơ bản đây là những phƣơng pháp đặc biệt đòi hỏi phải lắp đặt các hệ đo đặc biệt hoặc các loại cách tử cũng