سال نو مبارک

بنـــــــــام خدا

تقدیم به همۀ شما خوانندگان محترم وبلاگ سنسورها

 

سنسورهای فیبر نوری - سنسور دما

 بنـــــــام خــــــــدا

سنسورهای فیبر نوری قطعاتی بر پایه تکنولوژی فیبر هستند که برای سنس کمیت هایی نظیر دما و کشش مکانیکی Strain از آنها استفاده میشود. البته گاهی از این سنسورها نیز میتوان برای سنس میزان ارتعاش، فشار Pressure، شتاب، و یا حتی تعیین غلظت یک ماده شیمیایی استفاده نمود.

اساس کار این قطعات مبتنی بر ارسال یک پرتو نور از منبع لیزری (اغلب نور لیزر تک فرکانسی) یا یک منبع فوق درخشان (Super-luminescent) 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 دتکتور یا آشکارساز میرسد. از مزایای این روش اندازه گیری نسبت به سایر روشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1.      سنسورهای مبتنی بر فیبر نوری از مواد عایق الکتریکی ساخته شده اند و به کابل برق نیاز ندارند لذا در محیطهایی که تحت ولتاژ بسیار بالایی هستند براحتی میتونند بکار گرفته شوند.

2.      این سنسورها نسبت به تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) و حتی رعد و برق مصون هستند و خود نیز هیچ تداخل الکتریکی برای سایر وسایل ایجاد نمیکنند.

3.      از مواد شیمیایی بی اثر (Chemically Passive) ساخته میشوند لذا مشمول خوردگی و یا آلوده کردن محیط پیرامون نمیشوند.

4.      در محیطهای با قابلیت انفجار نظیر پالایشگاههای گاز، فراوری بنزین و ... قابل استفاده اند، چرا که جرقه الکتریکی ندارند حتی اگر معیوب شوند.

5.      این قطعات گستره وسیعی از دمای کار را شامل میشوند که تقریباً هیچ قطعه الکترونیکی دیگری مانند آنها نیست.

6.      سنسورهای مختلف مبتنی بر فیبر نوری توانایی بکارگیری همزمان در یک رشته فیبر را دارند.

تئوری کار این سنسورها بر اساس شبکه فیبر Bragg است (این شبکه در اصطلاح FBG یا Fiber Bragg Grating نامیده میشود). شبکه برَگ شامل اختلالات تناوبی یا غیر تناوبی ضریب شکست موثر Effective Refractive Index در هسته یک فیبر نوری است (شکل یک). این تداخلات تقریباً در طول معینی از فیبر به اندازه مثلاً چند میلیمتر یا چند سانتیمتر تناوبی است و دوره تناوب آن معمولاً توانی از صد نانومتر یا بیشتر است.

شکل یک: ساختار FBG. هسته فیبر دارای تغییرات تناوبی ضریب شکست بر حسب طول فیبر است. قطر روکش معمولاً 125 میکرمتر و قطر هسته در حدود 8 تا 10 میکرون است.

بر این اساس، تداخلات ضریب شکست منجر به انعکاس نور (منتشر شده در طول فیبر) در گستره بسیار کمی از طول موج میشود. این طول موج (که گاهاً از آن بعنوان طول موج حداکثر بازتابی یا Maximum Reflectivity Wavelength یاد میشود) نتنها به دوره ی تناوب شبکه Bragg بلکه به دما و کشش مکانیکی وارده به فیبر نیز رابطه دارد ( تغییرات دما و کشش باعث تغییر در طول جزیی شبکه فیبر برَگ میشود). در واقع اثر مستقیم کشش مکانیکی یا Strain به کاهش ضریب شکست منجر میشود. همچنین دما نیز اثر مستقیمی بر ضریب انبساط دمایی خواهد گذارد. این اثرات که مستقیماً منجر به تغییر طول موج فیبر میشوند را میتوان با تکنیکهایی مختلف تشخیص داد و کمیت مورد نظر را اندازه گیری کرد(شکل دو).

شکل دو - تغییرات طیف بازتابش نوردر برابر تغییرات ضریب شکست در FBG بطول 5.4 میلیمتر

اساس کار سنسور حرارتی فیبر نوری مبتنی بر منبع نوری در یک سر فیبر است که نور را درون فیبرنوری منتشر میکند تا در انتهای دیگر فیبر، سنسوری که به فیبر متصل است آنرا دریافت کند. در اینصورت سر سنسور باید دارای محفظه ی قابل اتصال به فیبر نوری باشد. یک سطح فلزی صیقلی به محفظه در نزدیکی انتهای فیبر متصل است تا یک فضای خالی با طول مشخص بین سطح صیقلی و فیبر نوری را شکل دهد. همچنین سیستم آشکارسازی به فیبر نوری متصل میشود تا دمای سنسور، ناشی از نور بازتابیده به سطح صیقلی را تعیین کند. تغییرات دمای محیط نهایتاً باعث تغییر طول موج نور منتشر شده درون فیبر شده و سنسور تعبیه شده در انتهای فیبر این تغییرات را سنس کرده و سپس در سیستم پردازشگر و نمایشگر میزان تغییرات دما بنمایش در میآید (شکل سه).

 

شکل سه - اجزای سنسور فیبر نوری

برای تهیه این مطلب از منابع زیر کمک گرفته شده است:

Fiber optic temperature sensor

Fiber-optic Sensors

 هر گونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز است.

سنسورهای بیوالکتریکی Biosensors

بنام خـــــــــدا

بیوسنسورها طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. بیوسنسورها یا سنسورهای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردها نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل میشود.

توسعه بیوسنسورها از 1950 با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور همچنین بنام سازنده ی آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده میشود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH₄⁺⁺ بیو سنسوری ساخته شده که میتوانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. هر کدام از این دو بیوسنسور اولیه از ترنسدیوسر متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده میکردند. در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری میشد (آمپرومتریک) در حالیکه در سنسور اوره اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودهای سنسور صورت می پذیرفت (پتنشیومتریک Potentiometric).

ممکن است روزی فرا رسد که بیمار بدون نیاز به مراجعه به پزشک و تنها بر مبنای اطلاعاتی که توسط یک COBD یا Chip-on-Board-Doctor فراهم میشود نوع بیماری تشخیص داده شده و سپس داروهای مورد نیاز مستقیماً درون خون تزریق شود. این مسئله باعث خواهد شد که دوز مصرفی دارو بسیار پایین آمده و ضمناً از میزان اثرات جانبی دارو Side-Effect بطرز فاحشی کاسته شود، چرا که دارو مستقیماً به محل مورد نیاز در بدن ارسال میشود.

کاری که یک بیوسنسور انجام میدهد تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی است و شامل دو جزء اصلی: پذیرنده Receptor و آشکارکننده Detector است. قابلیت انتخابگری یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده تعیین میشود. آنزیمها، آنتی بادی ها، و لایه های لیپید (چربی) مثالهای خوبی برای Receptor هستند.

وظیفه دتکتور تبدیل تغییرات فیزیکی یا شیمیایی با تشخیص ماده مورد تجزیه (Analyte) به یک سیگنال الکتریکی است. کاملاً واضح است که دتکتورها قابلیت انتخاب در نوع واکنش صورت گرفته را ندارند. انواع دتکتورهای (یا ترانسدیوسرها یا مبدلها یا آشکارسازها) مورد استفاده در بیوسنسورها شامل: الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی میباشند. در نوع الکتروشیمیای عمل تبدیل به یکی از صورتهای: آمپرومتریک، پتانشیومتریک، و امپدانسی صورت میپذیرد. متداولترین الکترودهای مورد استفاده در نوع پتانشیومتریک شامل: الکترود شیشه ای Glass Electrode، الکترود انتخابگر یونی Ion-Selective، و ترانزیستور اثرمیدان حساس یونی Ion-sensitive FET یا ISFET هستند.

بطورکلی یک بیوسنسور شامل یک سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized نظیر یک دسته سلول، یک آنزیم، و یا یک آنتی بادی و یک وسیله اندازه گیری است. در حضور مولکول معینی سیستم بیولوژیکی باعث تغییر خواص محیط اطراف میشود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید میکند. این سیگنال را سپس میتوان به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل کرد.

مزایای بیوسنسورها بر سایر دستگاههای اندازه گیری موجود را میتوان بطور خلاصه بصورت زیر بیان کرد:

• مولکولهای غیرقطبی زیادی در ارگانهای زنده شکل میگیرند که به بیشتر سیستمهای موجود اندازه گیری پاسخ نمی دهند. بیوسنسورها میتوانند این پاسخ را دریافت کنند.
• مبنای کار آنها بر اساس سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized تعبیه شده در خود آنهاست، در نتیجه اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
• کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورهای امکان پذیر است.

فایل 914 کیلوبایتی تحت عنوان بیوسنسور که برای ارائه در درس سنسور آماده شده است را میتوانید از اینجا دانلود کنید.

همچنین از اینجا میتوانید فایلی تحت عنوان Biosensors: A Tutorial Review را دانلود کنید. 

در تهیه این مطلب علاوه بر جستجو در سایتهای اینترنتی از مقاله فوق نیز استفاده شده است.

هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز است.