Aplikácie a pokroky senzorov optických vlákien
Pozadie
V uplynulých desaťročiach spôsobila technológia optických vlákien revolúciu v odvetví telekomunikácií, čo umožňuje vysokokapacitnú diaľkovú komunikáciu a vytváranie sietí na neuveriteľne nízkych nákladoch. V mnohých ďalších aplikáciách zohrávali dôležitú úlohu aj optické vlákna: boli použité na dodávanie svetla na presné značenie a rezanie; ako praktický, vysoko výkonný, vysoko koherentný laserový zdroj; pre zobrazovacie systémy; a ako prostriedok na zabezpečenie osvetlenia na neprístupných miestach - nehovoriac o umelých vianočných stromoch pochybnej chuti (ktoré sa síce objavili v našom laboratóriu počas slávnostného obdobia).
Ešte predtým, ako sa optika stala veľkou v telekomunikačnom priemysle, technológia optických vlákien ukázala sľub v oblasti priemyselného a environmentálneho snímania. Desaťročia výskumu sú teraz preložené do bezpečných, presných meracích prístrojov na báze vlákien, vrátane gyroskopov, teplotných sond, hydrofónov a chemických monitorov. Senzory s optickými vláknami nájdu uplatnenie všade od železníc, tunelov a mostov až po priemyselné pece a systémy na likvidáciu odpadu.
Fiber sensing - použitie optických vlákien pre priemyselné a environmentálne snímacie aplikácie - je ďalšou zaujímavou oblasťou rastu pre túto všestrannú technológiu. Je to napríklad jediná disciplína v širšom poli snímania, ktorá má svoju vlastnú energetickú sériu konferencií. Na týchto stretnutiach výskumníci opísali potenciálne techniky na meranie všetkého od hladín cukru v krvi až po gravitačné vlny. Niektoré nápady urobili skok z laboratória na vysoko konkurenčný trh senzorovej technológie. Použitie optických vlákien na snímanie aplikácií v skutočnosti predchádza ich aplikáciám v komunikačných sieťach. Začalo to v polovici šesťdesiatych rokov vývojom snímača „Fotonic“, zariadenia na báze zväzkov, ktoré meria vzdialenosť a posun, najmä v priemysle obrábacích strojov. Hoci bola Fotonic nedokonalá technológia s krátkou kariérou, myšlienka senzora zachytila predstavivosť výskumnej komunity.
Zavedenie senzorov optických vlákien
Mechanizmus
Základný mechanizmus je jednoduchý (znázornené na nasledujúcom obrázku): Prívod svetla do optického vlákna; zabezpečiť moduláciu svetla na základe jeho interakcie so sledovaným parametrom; a potom preniesť modulované svetlo späť do monitorovacieho bodu. Existujú rôzne spôsoby, ako postupovať v každom kroku - najmä prístup používaný na moduláciu svetla - ale to je podstata technológie.
výhody
Senzory optických vlákien ponúkajú mnoho výhod oproti iným technikám snímania. Najdôležitejšie je, že tieto senzory sú odolné voči elektromagnetickému snímaču a môžu byť prístupné cez optické spoje na veľmi dlhé vzdialenosti - niekedy až desiatky kilometrov. Vlákna sú tiež v bezpečnom prostredí vnútorne bezpečné. Okrem toho sú chemicky pasívne, majú malé fyzikálne rozmery a sú mechanicky kompatibilné s množstvom prevádzkových prostredí.
nevýhody
Tieto senzory majú tiež nevýhody. Interpretácia údajov je pri určitých aplikáciách zložitá, napr. Rozvoj dôvery používateľov a prijatie regulačných opatrení môže byť zdĺhavý proces. Na rozdiel od širokopásmových komunikácií, kde optická optika je nespornou technológiou, existuje množstvo ďalších možností v oblasti snímania; Optická vlákna sú zriedka samozrejmou voľbou - aj keď to môže byť veľmi dobrá.
Funkcie a aplikácie
Senzory s optickými vláknami sú obzvlášť univerzálne, keď sú založené na interferometroch citlivých na životné prostredie, ktoré používajú architektúru vlákien alebo pri monitorovaní správania citlivého na farebné vlnové dĺžky. Do prvej kategórie patria interferometre na meranie dynamických tlakových polí (napríklad hydrofónov a geofónov) a interferometra Sagnac na rotáciu; tieto zahŕňajú takmer všetko spektroskopické, vrátane senzorov založených na interakciách s intermediárnymi činidlami (napríklad indikátorom kyselina / alkália) - často nazývaným optrody - a priamymi spektroskopickými meraniami v plynoch, kvapalinách a tuhých látkach. Táto kategória zahŕňa aj environmentálne citlivé spektrálne filtre, z ktorých je Fiber Bragg Grating (FBG) zďaleka najznámejšia.
Veľmi dôležitý - ale oveľa menej zrejmý - modulačný mechanizmus zahŕňa neelastické interakcie medzi dopadajúcim svetlom, materiálom samotného vlákna a prostredím obklopujúcim vlákno. Tieto interakcie, z ktorých Raman a Brillouinov rozptyl sú najvýznamnejšie, produkujú charakteristické nelineárne zmeny spektra svetla šíriaceho sa pozdĺž vlákna v oboch smeroch smerom dopredu a smerom dozadu. Schopnosť optických vlákien vytvárať predvídateľné spätné rozptyl otvára nové vyhliadky na snímanie aplikácií. Senzorové systémy, ktoré môžu merať časové oneskorenie medzi spustením a návratom spätne rozptýleného žiarenia, môžu byť použité na sondovanie prostredia pozdĺž vlákna. Tieto takzvané techniky distribuovaných senzorov sú jedinečné pre technológiu optických vlákien.
Distribuované senzory uľahčujú meranie namáhania a teploty vo veľmi dlhých intervaloch interakcie - na niekoľko desiatok kilometrov. Okrem toho, v závislosti od časovej modulácie spracovania na spustenom svetle, môže byť napätie alebo teplotné pole vyriešené s viac než primeranou presnosťou na dĺžku meradla v ráde 1 meter alebo v niektorých systémoch ešte menej. Podobne môžu byť senzory optických vlákien ľahko konfigurované do multiplexovaných konfigurácií polí zariadení na meranie bodov. Každé zariadenie vyžaduje na napájanie siete len jeden optický zdroj. Táto schopnosť multiplexu typicky až do niekoľkých stoviek vypočúvajúcich bodov je ďalšou definujúcou vlastnosťou senzorov optických vlákien.
Vláknové optické senzory v praxi
V oblasti snímania sa vyskytujú idiosynkratické technológie, ktoré sa zaoberajú špecializovanými aplikáciami a snímanie vlákien nie je výnimkou. Aj keď sa dá rovnaký typ technológie použiť na riešenie celého radu potrieb, jednotlivé zariadenia sa môžu značne líšiť v závislosti od konkrétnej aplikácie a jej požiadaviek na presnosť, stabilitu, rozlíšenie, objem výroby a množstvo ďalších vzájomne závislých parametrov.
Snímanie teploty
Pred viac ako desaťročiami sa sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) objavila ako prototypový systém založený na snímaní vlákien (koncepcia DTS je znázornená na obrázku nižšie). Táto sonda je schopná merať teplotné profily s presnosťou 1 ℃ a opakovateľnosťou nad dĺžkou meradla 1 meter alebo tak a celkovými dĺžkami dotazov desiatok kilometrov v časoch merania rádovo za minútu. DTS je výkonný nástroj na meranie teplotných zmien v tuneloch a potrubných vedeniach. Mnohé systémy sú teraz inštalované v podzemných železniciach, diaľničných tuneloch a veľkých priemyselných peciach. Iné systémy boli umiestnené vo veľkých elektrických strojoch, ktoré môžu byť náchylné k prehriatiu v poruchových podmienkach.
Hlavnou výhodou DTS je, že táto technológia je ekvivalentná mnohým tisícom termočlánkov, rozmiestnených v intervaloch 1 m pozdĺž rozšírenej štruktúry merania. S inými systémami na snímanie teploty môžu byť elektrické vedenia, siete a napájanie nepraktické, najmä v oblastiach, kde môže byť dôležitá vnútorná bezpečnosť. Avšak, s DTS, používatelia môžu jednoducho rolovať vlákno a pripojiť ho na bezpečné miesto. Potenciálne veľmi dôležité sú aj multiplexné siete, hoci ešte neboli vytvorené komerčné výklenky DTS. Siete FBG, napísané v jednej dĺžke vlákna, boli extenzívne vyhodnotené ako polia snímačov napätia a / alebo teploty pre monitorovanie zaťaženia a stavu, najmä v kompozitných štruktúrach z uhlíkových vlákien. Tieto zoskupenia snímačov často nazývané „inteligentné štruktúry“ uľahčujú zhromažďovanie prevádzkových údajov zo štruktúr, ako sú lietadlá a mosty.
V zásade sa tieto údaje môžu použiť na určenie integrity štruktúry záujmu. Ale v praxi to zostáva s ťažkosťami. Výskumní pracovníci a inžinieri môžu samozrejme získať rozsiahle údaje, ale ako interpretovať tieto údaje sú predmetom rozsiahlej diskusie. Cieľom je označiť spoľahlivé ukazovatele štrukturálnej integrity. Rozvíjanie dôvery používateľov a prijímanie právnych predpisov je však zdĺhavý proces. Environmentálne monitorovanie je ďalšou potenciálnou aplikáciou pre multiplexné systémy. Tvorba metánového plynu na skládke je dôležitým ukazovateľom bezpečnosti lokality a priebehu anaeróbnych procesov rozkladu, ktoré sa v nej uskutočňujú. Merací systém, ktorý monitoruje koncentrácie metánu v lokalite s rozmermi rádovo 10 km, ponúka výhodu plynulého hodnotenia a následne zlepšenej prevádzky, najmä keď metán - mimoriadne aktívny skleníkový plyn - môže byť použitý na výrobu niekoľkých megawattov elektrickej energie. moc.
Systémy optických vlákien, ktoré sa zameriavajú na túto aplikáciu, vykazujú obrovský sľub; sú založené na malých absorpčných bunkách interogovaných pomocou jednovidových vlákien. Keďže environmentálne predpisy sa sprísňujú, takéto systémy ponúkajú potenciálne definitívnu technológiu na monitorovanie operácií zneškodňovania odpadu. Pomocou tohto prístupu sú možné multiplexné systémy, ktoré oslovujú viac ako 200 senzorov z jedného laserového zdroja. Avšak skôr ako pole senzorov kmeňa FBG, otázka, čo robiť so všetkými údajmi, ktoré tieto systémy získavajú, je mätúca. Začlenenie tohto potenciálu systému do environmentálnej legislatívy a regulačných noriem je časovo náročný proces.
Gyroskop s optickými vláknami
Existujú oblasti, v ktorých sa optické senzory začali etablovať ako prirodzená voľba. Sú extrémne konkurencieschopné ako hydrofóny a geofóny, opäť v multiplexných poliach. Ako samostatný senzorový prvok je gyroskop s optickými vláknami pravdepodobne najúspešnejší. (Na obrázku je znázornený gyroskop s optickými vláknami.)
Gyroskopy merajú rotáciu v inerciálnom priestore; sú základnými nástrojmi v navigačných a polohových systémoch av stabilizačnom zariadení, ktoré sa široko používa v lietadlách a lodiach. Gyroskop s optickými vláknami je založený na vláknovom optickom prevedení interferometra Sagnac, ktorý bol prvýkrát demonštrovaný pred takmer storočím. Myšlienka interferometra Sagnac je jednoduchá. Svetlo sa spúšťa z rozdeľovača lúčov v dvoch smeroch okolo slučky a slučka sa otáča. Zatiaľ čo svetlo je v slučke naspäť k rozdeľovaču lúčov, svetlo otáčajúce sa v rovnakom smere ako rozdeľovač lúčov má o niečo ďalej než svetlo, ktoré sa otáča proti smeru rozdeľovača lúčov. V dôsledku toho existuje malé časové oneskorenie medzi svetelnými lúčmi otáčajúcimi sa v dvoch smeroch pri ich príchode späť do rozdeľovača lúčov. Toto časové oneskorenie sa môže merať interferometricky ako optická fáza.
Realizácia tohto konceptu vo forme optických vlákien vyžaduje nejakú elegantnú optiku a starostlivé inžinierstvo. Približne desaťročie úsilia prinieslo vysoko presné rotačné meracie prístroje s veľmi vysokou spoľahlivosťou. Táto spoľahlivosť spočíva v tom, že na rozdiel od mechanických gyroskopov (alebo dokonca kruhového laserového systému, ktorý je tiež založený na účinku Sagnac), gyroskopy z optických vlákien nemajú žiadne mechanické pohyblivé časti. Okrem toho faktor mierky gyroskopu s optickými vláknami je nezávislý od mechanického zrýchlenia, na rozdiel od zavedenej technológie mechanického spriadacieho kolesa. Okrem toho môže byť gyroskop s optickými vláknami konfigurovaný v rade rôznych verzií, ktoré riešia rôzne potreby z hľadiska presnosti, životnosti a environmentálnej tolerancie. Niekoľko sto tisíc gyroskopov optických vlákien sa vyrába a predáva ročne.
Ďalším úspešným senzorom optických vlákien, ktorý našiel rozsiahle uplatnenie v stavebníctve, je SOFO (francúzska skratka pre monitorovanie štruktúr využívajúcich optické vlákna ). Tento interferónový prístroj Michelson s bielym vláknom funguje ako presný extenzometer s dĺžkou až niekoľko desiatok metrov, s dlhodobou stabilitou a presným mechanickým odčítaním meraným v mikrónoch.
Stimulovaný Brillouinov rozptyl sa použil na meranie rozdeleného napätia, najmä na inštalovaných optických komunikačných kábloch v oblastiach náchylných na zemetrasenie. V biomedicíne sa osvedčené in vivo systémy - napríklad na vyhodnotenie žalúdočných štiav u ľudí - stali užitočnými diagnostickými nástrojmi. Existuje mnoho ďalších.
Budúcnosť senzorov optických vlákien
Senzory optických vlákien naďalej fascinujú. Rovnako ako v iných oblastiach fotoniky, výskumníci sú nadšení z vyhliadky na vyformovanie nových technológií do kontextu snímania a prístrojového vybavenia. Fotonické kryštály a vlákna fotonického kryštálu vyzerajú zaujímavo - aj keď vedci sotva začali zisťovať, ako interpretovať tieto vyhliadky do trochu ortogonálneho prostredia senzorického systému. Vysokovýkonné lasery založené na technológii optických vlákien umožňujú obzvlášť inovatívnu nelineárnu charakterizáciu materiálov. Kužeľ optických vlákien sa bezpochyby znovu objaví ako sonda na skúmanie štruktúr na mikroskopickej alebo dokonca nanoskopickej stupnici.
Inovácie v oblasti výpočtovej techniky a dostupnosť rozšírených možností spracovania údajov tiež pomôžu zlepšiť našu schopnosť interpretovať údaje z veľkých polí podobných snímačov a viesť k užitočným kombináciám doplnkových snímačov. Existujú aj príležitosti s optickými mikroelektromechanickými systémami, ktoré však ešte nie sú na prvom mieste ako optické senzory. Využívanie technológie optických vlákien bude naďalej expandovať, pomaly, ale stále. Súčasne bude výskumná komunita naďalej skúmať nové nástroje a hľadať príležitosti na ich uplatňovanie.
