توسعه تکنولوژی فرآوری TSC در نساجی (منسوجات هوشمند)

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 استحکام 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 تنش داخلی TSC های insight 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 فیبر نوری، 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 موثر بودن اندازه گیری و همچنین سیستم های مختلف اندازه گیری برای ترکیبات منسوج هوشمند تجمیع شده با حسگرهای نوری فیبر.

فیبرهای نوری و حسگرهای نوری فیبر

به طور طبیعی، یک فیبر نوری 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 ژرمانو سیلیکات همراه با یک حداقل ضریب افت در 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.

تحلیل مبانی حسگرهای گراستیک براگ فیبر لحاظ شده

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.

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.

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 حسگر که دارای واکنش های مختلف به کشش و دما است تعیین مکان گردد. طرح های حسگر بر اساس ترکیب FBG ها با انواع مختلف گراتینگ، مانند FBG های دارای قطر متفاوت، طول موج براگ متفاوت، کداپ متفاوت،  FBG های هیبرید (پیوندی) و فیبر دوره طولانی، گودی فابری- پروت، پراکنش شبیه سازی شده بریلوئن یا فیلتر لرزش پلاریزاسیون فیبر، می باشند. موارد قابل توجه می‌تواند طول موج براگ، شدت فرکانس بریلوئن یا طول موج رزونانس 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 ابر ساختاری معرفی می‌کند.

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 بایر فرینگ فیبر کوچکتر از ^6-10 است. این سطح از بایر فرینگ مطابق با جداسازی های طول موج خیلی کوچکتر از پهنای باند مشابه یک FBG 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. بایر فرینگ 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 بایر فرینگ تنشی به ثابت های پراکنش مختلف برای دو حالت پلاریزاسیون ارتوگونال 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 بایر فرینگ اولیه است که برای تقسیم کامل گراتینگ به دو طیف جداگانه کافی است. به علت اختلاف در شاخص های موثر شکست دو حالت پلاریزاسیون ارتوگونال (راست گوشه)، دو FBG موثر با نوشتن یک FBG در امتداد محورهای پلاریزاسیون می شود.

تاثیر اندازه گیری

برای اینکه FBGS یک حس گر کشش ایده آل در یک ترکیب منسوج باشد، شرایطزیر باید تحقق یابد:

(1) فیبر نوری مجتمع دارای تاثیر کمی بر میدان کششی میزبان باشد؛ (2) کشش محوری فیبر نوری  بتواند بیانگر کشش نزدیک میزبان در جهت فیبر نوری باشد؛ و (3) نسبت موثر 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.

دیدگاه های کلی توزیع کشش نرمال

شکل (a)6-10 و(c),(b) توزیع کشش نرمال را به ترتیب در فیبر. پوشش و میزبان در امتداد جهت محوری فیبر با مقادیر مختلف شعاع r نشان می دهد. شکل (a)6-10 نشان می دهد که کشش نرمال فیبر همراه با افزایش طول z 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 فیبر نوری بیش از قسمت های نزدیک دو سر محدودتر می گردد. کشش فیبر نوری میانی به کشش میزبان بدون حسگر 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.

اثرات پارامترها بر ضریب تاثیر

عبارت H₉₅ معرفی شده است، که در آنe دارای یک مقدار 95/0 است. مفهوم فیزیکی H₉₅ آن است که فقط زمانی که z گراتینگ فیبر نوری کوچکتر از H₉₅ باشد نتیجه اندازه گیری فیبر موثر خواهد بود. طول این ناحیه بیانگر حدود اندازه گیری موثر کشش میزبان به وسیله یک FBGS مشمول است. هر چه طول این ناحیه بیشتر باشد، FBGS در یک میزبان موثرتر خواهد بود.

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.

سیستم های اندازه گیری توزیعی (توزیع شده)

به وسیله اندازه گیری تغییر طول موج پیک طیف بازتابی، کشش میانگین در کل طول گرانینگ به جای توزیع کشش، تعیین شده است. در بسیاری از کاربردها، توزیع کشش و دما عمده ترین دغدغه است، بنابراین برای دستیابی به این هدف از چند روش می توان استفاده کرد. طول گراتینگ FBG ها را می توان خیلی کوچک ساخت (مثلاً2mm)، بنابراین کشش اندازه گیری شده به وسیله طول موج شیفت طیف بازتابی را می توان به صورت یک کشش موضعی در نظر گرفت. آرایش های FBG خود را به صورت کاندیداهای ایده آل برای اندازه گیری های چند نقطه ای و شبه توزیعی در می آورند که به وسیله تکنیک های مالتی پلکس صورت گرفته و برای سایر حسگرهای فیبر نوری مانند طول موج- تقسیم- مالتی پکس(WDM)، زمان- تقسیم- مالتی پلکس(TDM) و فضایی- تقسیم- مالتی پلکس(SDM) مورد استفاده قرار می گیرد. بررسی های مفصلی به وسیله رائو، کرسی و همکاران صورت گرفته است، و همچنین آتونوس و کالی. شکل 10-10 یک نمودار شماتیک از سیستم های اندازه گیری، شامل یک LED با باند بزرگ، یک سوئیچ نوری یا کوپلر، یک آنالیز نوری و یک آرایش FBG مالتی پلکس مشمول، که ما به وسیله آن اندازه گیری توزیع شده کشش- دما در ترکیبات منسوج را انجام می دهیم، نشان داده شده است.

نتیجه گیری

در نتیجه، حسگرهای نوری فیبر نامزدهای ایده آلی برای لحاظ شدن در ترکیبات ساختاری برای فرایندهای نظارت و تولید و شرایط سلامت داخلی هستند. این حسگرها وسیله موثری ایجاد می کنند که به وسیله آن توزیع تعدادی از پارامترهای فیزیکی مانند دما، تنش/ کرنش، انبساط گرمایی، فشار و غیره را می توان از نظر کمی تعیین کرد. در تجمیع حسگرها در ترکیبات منسوج، جدا از خواص خود حسگرها، اعتماد پذیری حسگرها و الگوی حسگری و تعامل بین حسگرها و ترکیبات مسائل بسیار مهمی هستند که باید مورد توجه قرار گیرند.