شماره ركورد
26013
شماره راهنما
PHY3 182
عنوان
بررسي تجربي اثر استفاده از ميكرو تارها بر كارآيي و حساسيت يك -OTDR در اندازه گيري ضريب شكست
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
فيزيك - اپتيك و ليزر
دانشكده
فيزيك
تاريخ دفاع
21/04/1405
صفحه شمار
140 ص.
استاد راهنما
دكتر عليرضا خورسندي , دكتر حميدرضا كريمي علويجه
كليدواژه فارسي
حسگر تار نوري توزيع شده , -OTDR , ضريب شكست , ميكروتار دوگانه , ميكروتار سهگانه , ميدان محوشونده , سيگنال پسپراكندگي ريلي
چكيده فارسي
اين پاياننامه به بررسي و توسعه حسگرهاي تار نوري مبتني بر سامانه -OTDR ميپردازد. در فصل اول، مباني حسگرهاي تار نوري، ويژگيها و مزاياي آنها در اندازهگيري پارامترهاي فيزيكي معرفي شده و زمينه ورود به سامانههاي بازتابسنجي نوري فراهم ميشود. فصل دوم به اصول عملكرد -OTDR، ساختارهاي تداخلي و غيرتداخلي، و چالشهاي كليدي اين سامانه، مانند تعارض وضوح مكاني و حساسيت، اختصاص دارد. در فصل سوم، يك حسگر -OTDR با ساختار ميكروتار دوگانه براي ارتقاي حساسيت حرارتي، بهبود دامنه ديناميكي و سنجش دقيق ضريب شكست طراحي و توسعه مييابد. نتايج اين فصل نشان ميدهد كه در ميان ساختارهاي بررسيشده، پيكربندي ميكروتار دوگانه با قطر 20 ميكرومتر بهترين عملكرد را داشته و با دستيابي به بيشترين حساسيت دمايي، گستره عملكردي ˚C20 تا ˚C40 و ضريب بهبود 59/4 نسبت به تار نوري بدون ميكروتار، امكان كمّيسازي دقيق تغييرات محيطي را از طريق استخراج تغييرات فاز سيگنال پسپراكندگي ريلي فراهم ميكند. همچنين، در اين فصل، استفاده از ساختار ميكروتار تركيبي در ناحيه حسگر براي اندازهگيري دما و ضريب شكست مبتني بر -OTDR براي نخستينبار ارائه شده است. در فصل چهارم، علاوه بر سنجش توزيعشده جرم، قابليت اندازهگيري ضريب شكست نيز با حساسيت بالا در ساختار ميكروتار سهگانه پيادهسازي شده و عملكرد آن از طريق اعتبارسنجي ميداني مورد ارزيابي قرار ميگيرد. نتايج نشان ميدهد كه پيكربندي ميكروتار سه گانه با قطر 20 ميكرومتر در يك بخش 5 متري، عملكرد برتري داشته و ضمن دستيابي به بيشينه SNR برابر با dB 16/27، بهبود 89/29 درصدي نسبت به تار نوري بدون ميكروتار ايجاد ميكند. همچنين، تطابق بسيار خوب نتايج آزمايشگاهي و ميداني، با ضريب همبستگي 97/0 و MAPE برابر با 92/1 درصد، قابليت اطمينان ساختار پيشنهادي را در شرايط واقعي تأييد ميكند. اين فصل همچنين نشان ميدهد كه اگرچه افزايش تعداد ميكروتارها موجب تقويت حساسيت ميشود، بروز اثر اشباع و تلفات نوري و مرز عملكرد عملي سامانه را تعيين ميكند.
بهطور كلي، اين پژوهش با بهرهگيري از ساختارهاي نوين ميكروتار دوگانه و ميكروتار سهگانه، علاوه بر بهبود پارامترهاي عملكردي سامانه -OTDR، قابليتهاي جديدي را در زمينه سنجش توزيعشده دما، جرم و اندازهگيري ضريب شكست ارائه كرده است. نوآوري اصلي اين پاياننامه، ارائه و اعتبارسنجي ساختارهاي چندميكروتار تركيبي در ناحيه حسگر براي ارتقاي حساسيت -OTDR، بدون نياز به تغييرات سختافزاري است كه گامي مؤثر در جهت توسعه كاربردهاي ميداني و صنعتي اين حسگرها محسوب ميشود.
تاريخ نمايه سازي
1405/05/06
نام نمايه ساز
محبوبه ربيعي
كليدواژه لاتين
Distributed Fiber Optic Sensor , -OTDR , Refractive Index , Dual-tapered , Triple-tapered , Evanescent Field , Rayleigh Backscattering Signal
عنوان لاتين
Experimental investigation of the effect of using microwires on the efficiency and sensitivity of a -OTDR in measuring the refractive index
گروه آموزشي
فيزيك
چكيده لاتين
This dissertation investigates the development and enhancement of optical fiber sensors based on Φ-OTDR system. Chapter 1 introduces the fundamentals of optical fiber sensors, highlighting their characteristics and advantages for measuring physical parameters, and provides the necessary background for optical time-domain reflectometry systems. Chapter 2 presents the operating principles of Φ-OTDR, including both interferometric and non-interferometric configurations, and discusses the major challenges associated with this technique, particularly the trade-off between spatial resolution and sensing sensitivity. In Chapter 3, a Φ-OTDR sensor incorporating a dual-microfiber structure is designed and developed to enhance temperature sensitivity, improve the dynamic range, and enable accurate refractive index measurement. The results demonstrate that, among the investigated configurations, the 20 μm dual-microfiber structure exhibited the best overall performance, achieving the highest temperature sensitivity over a measurement range of 20–40 °C, together with an enhancement factor of 4.59 compared with the conventional non-tapered optical fiber. Furthermore, the proposed structure enables precise quantification of environmental variations through phase extraction from the Rayleigh backscattered signal. This chapter also presents, for the first time, the implementation of a hybrid microfiber structure within the sensing region for simultaneous temperature and refractive index measurements based on the Φ-OTDR technique. Chapter 4 extends the proposed approach by implementing a triple-microfiber structure capable of distributed mass sensing while simultaneously providing high-sensitivity refractive index measurement. The performance of the proposed sensor is further evaluated through field validation experiments. The experimental results indicate that the 20 μm triple-microfiber configurations over a 5 m sensing section provides superior performance, achieving a maximum SNR of 16.27 dB and a 29.89% improvement compared with the conventional non-tapered optical fiber. Moreover, the excellent agreement between laboratory and field measurements, demonstrated by a correlation coefficient of 0.97 and a mean absolute percentage error (MAPE) of 1.92%, confirms the reliability and practical applicability of the proposed sensing structure under real operating conditions. This chapter also shows that although increasing the number of microfiber tapers enhances sensing sensitivity, saturation effects and additional optical losses ultimately define the practical operating limits of the system.
Overall, this research demonstrates that the incorporation of novel dual- and triple-microfiber structures significantly improves the performance of Φ-OTDR systems while introducing new capabilities for distributed temperature sensing, distributed mass sensing, and refractive index measurement. The principal contribution of this dissertation is the design and experimental validation of hybrid multi-microfiber sensing structures that substantially enhance Φ-OTDR sensitivity without requiring any hardware modifications, thereby providing a practical and cost-effective approach for extending the industrial and field deployment of Φ-OTDR-based sensing systems.
تعداد فصل ها
4
فهرست مطالب pdf
163548
نويسنده