Εφαρμογές και προόδους των αισθητήρων οπτικών ινών
Ιστορικό
Τις τελευταίες δεκαετίες, η τεχνολογία οπτικών ινών έχει φέρει επανάσταση στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών, επιτρέποντας την επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων, τις μεγάλες αποστάσεις και τη δικτύωση σε εκπληκτικά χαμηλό κόστος. Οι οπτικές ίνες έχουν επίσης διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε πολλές άλλες εφαρμογές: έχουν χρησιμοποιηθεί για να παράγουν φως για σήμανση ακριβείας και κοπή. ως πηγή πρακτικής, υψηλής ισχύος, υψηλής συνεκτικότητας λέιζερ. για συστήματα απεικόνισης. και ως μέσο για την παροχή φωτισμού σε απρόσιτα μέρη - για να μην αναφέρουμε και τεχνητά χριστουγεννιάτικα δέντρα με αμφισβητούμενη γεύση (τα οποία εμφανώς εμφανίστηκαν στο εργαστήριο μας κατά τη διάρκεια της εορταστικής περιόδου).
Ακόμα και πριν οι οπτικές ίνες κατέστησαν μεγάλες στην τηλεπικοινωνιακή βιομηχανία, η τεχνολογία οπτικών ινών έδειχνε πολλά υποσχέσεις στους τομείς της βιομηχανικής και περιβαλλοντικής ανίχνευσης. Οι δεκαετίες της έρευνας μεταφράζονται τώρα σε ασφαλή και ακριβή όργανα μετρήσεων με βάση τις ίνες, όπως γυροσκόπια, ανιχνευτές θερμοκρασίας, υδρόφωνα και χημικές οθόνες. Πράγματι, οι αισθητήρες οπτικών ινών βρίσκουν εφαρμογές παντού από σιδηροδρόμους, σήραγγες και γέφυρες σε βιομηχανικούς φούρνους και συστήματα διάθεσης απορριμμάτων.
Η ανίχνευση ινών - η χρήση οπτικών ινών για εφαρμογές βιομηχανικής και περιβαλλοντικής ανίχνευσης - είναι μια άλλη συναρπαστική περιοχή ανάπτυξης για αυτή την ευέλικτη τεχνολογία. Είναι, για παράδειγμα, ο μόνος κλάδος στον ευρύτερο τομέα της αίσθησης που έχει τη δική του ενεργητική σειρά διασκέψεων. Σε αυτές τις συναντήσεις, οι ερευνητές περιέγραψαν πιθανές τεχνικές για τη μέτρηση οτιδήποτε από τα επίπεδα σακχάρου στο βαρυτικό κύμα. Κάποιες ιδέες έχουν κάνει το άλμα από το εργαστήριο στην άκρως ανταγωνιστική αγορά τεχνολογίας αισθητήρων. Η χρήση οπτικών ινών για εφαρμογές ανίχνευσης στην πραγματικότητα προηγείται των εφαρμογών της στα δίκτυα επικοινωνιών. Ξεκίνησε με την ανάπτυξη, στα μέσα της δεκαετίας του 1960, του αισθητήρα "Fotonic", μιας συσκευής που βασίζεται σε πακέτα που μετρά την απόσταση και τη μετατόπιση, ιδιαίτερα στη βιομηχανία εργαλειομηχανών. Παρόλο που το Fotonic ήταν μια ατελής τεχνολογία με μια σύντομη καριέρα, η ιδέα πίσω από τον αισθητήρα κατέλαβε τη φαντασία της ερευνητικής κοινότητας.
Εισαγωγή αισθητήρων οπτικών ινών
Μηχανισμός
Ο βασικός μηχανισμός είναι απλός (φαίνεται στο παρακάτω σχήμα): Φωτεινή τροφοδοσία σε οπτική ίνα. να ρυθμίζει τη διαμόρφωση του φωτός βάσει της αλληλεπίδρασής του με την παράμετρο που μας ενδιαφέρει · και στη συνέχεια να μεταδίδει το διαμορφωμένο φως πίσω σε ένα σημείο παρακολούθησης. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να ακολουθήσετε κάθε βήμα - συγκεκριμένα, η προσέγγιση που χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση του φωτός - αλλά αυτή είναι η ουσία της τεχνολογίας.
Πλεονεκτήματα
Οι αισθητήρες οπτικών ινών προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνικές ανίχνευσης. Ίσως το πιο σημαντικό, αυτοί οι αισθητήρες είναι ανοσοποιημένοι σε ηλεκτρομαγνητική λήψη και μπορούν να προσεγγιστούν μέσω των ινών για πολύ μεγάλες αποστάσεις - μερικές φορές εκτείνονται σε δεκάδες χιλιόμετρα. Οι ίνες είναι επίσης εγγενώς ασφαλείς σε επικίνδυνα περιβάλλοντα. Επιπλέον, είναι χημικώς παθητικοί, έχουν μικρές φυσικές διαστάσεις και είναι μηχανικά συμβατοί με ένα πλήθος λειτουργικών περιβαλλόντων.
Μειονεκτήματα
Αναπόφευκτα, αυτοί οι αισθητήρες έχουν και μειονεκτήματα. Η ερμηνεία δεδομένων είναι δύσκολη με ορισμένες εφαρμογές, για παράδειγμα, και η ανάπτυξη της εμπιστοσύνης των χρηστών και της αποδοχής των κανονισμών μπορεί να είναι μια μακρά διαδικασία. Σε αντίθεση με τις επικοινωνίες μεγάλου εύρους ζώνης, όπου οι οπτικές ίνες είναι η αδιαμφισβήτητη τεχνολογία μολύβδου, υπάρχουν πολλές άλλες διαθέσιμες επιλογές στον τομέα της ανίχνευσης. οπτικών ινών είναι σπάνια η προφανής επιλογή - αν και μπορεί να είναι πολύ καλή.
Λειτουργία & Εφαρμογές
Οι αισθητήρες οπτικών ινών είναι ιδιαίτερα ευέλικτοι όταν βασίζονται σε περιβαλλοντικά ευαίσθητα συμβολόμετρα που χρησιμοποιούν αρχιτεκτονική ινών ή όταν παρακολουθούν συμπεριφορά ευαίσθητου σε μήκος κύματος χρώματος ή μήκους κύματος. Η πρώην κατηγορία περιλαμβάνει συμβολόμετρα για τη μέτρηση δυναμικών πεδίων πίεσης (π.χ. υδρόφωνα και γεωφωτά) και το συμβολόμετρο Sagnac για περιστροφή. το τελευταίο περιλαμβάνει σχεδόν τα πάντα φασματοσκοπικά, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων που βασίζονται σε αλληλεπιδράσεις με ενδιάμεσα αντιδραστήρια (για παράδειγμα δείκτη οξέος / αλκαλίων) -επικώς αναφερόμενοι ως οπτόδρομοι- και άμεσες φασματοσκοπικές μετρήσεις σε αέρια, υγρά και στερεά. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει επίσης φιλικά προς το περιβάλλον φασματικά φίλτρα, από τα οποία το Fiber Bragg Grating (FBG) είναι μακράν το πιο γνωστό.
Ένας πολύ σημαντικός αλλά πολύ λιγότερο προφανής μηχανισμός διαμόρφωσης ενσωματώνει ανελαστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του προσπίπτοντος φωτός, του υλικού της ίδιας της ίνας και του περιβάλλοντος που περιβάλλει την ίνα. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις, των οποίων η διάσπαση Raman και Brillouin είναι οι πιο σημαντικές, παράγουν χαρακτηριστικές μη γραμμικές μεταβολές στα φάσματα του φωτός που διαδίδεται κατά μήκος της ίνας τόσο σε εμπρόσθια όσο και σε κατεύθυνση προς τα πίσω. Πράγματι, η δυνατότητα των οπτικών ινών να παράγουν προβλέψιμη αναδρομική ανάλυση ανοίγει νέες προοπτικές για εφαρμογές ανίχνευσης. Συστήματα αισθητήρων που μπορούν να μετρήσουν την καθυστέρηση μεταξύ της εκτόξευσης και της επιστροφής της ακτινοβολίας με αντίστροφη ανίχνευση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του περιβάλλοντος κατά μήκος της ίνας. Αυτές οι λεγόμενες τεχνικές κατανεμημένων αισθητήρων είναι μοναδικές για την τεχνολογία οπτικών ινών.
Οι κατανεμημένοι αισθητήρες διευκολύνουν τις μετρήσεις της καταπόνησης και της θερμοκρασίας σε πολύ μεγάλα μήκη αλληλεπίδρασης - σε πολλές δεκάδες χιλιόμετρα. Επιπλέον, ανάλογα με τη χρονική διαμόρφωση επεξεργασίας στο εκπεμπόμενο φως, το στέλεχος ή το πεδίο θερμοκρασίας μπορεί να επιλυθεί με περισσότερο από επαρκή ακρίβεια πάνω από τα μήκη των μετρητών της τάξεως του 1 μέτρου, ή σε μερικά συστήματα ακόμα λιγότερα. Ομοίως, οι αισθητήρες οπτικών ινών μπορούν εύκολα να διαμορφωθούν σε πολυπλεγμένες διαμορφώσεις συστοιχιών συσκευών μέτρησης σημείου. Κάθε συσκευή απαιτεί μόνο μία οπτική πηγή για να ενεργοποιήσει το δίκτυο. Αυτή η ικανότητα να πολλαπλάσια συνήθως έως και μερικές εκατοντάδες σημεία ερωτήσεων είναι ένα άλλο καθοριστικό χαρακτηριστικό των αισθητήρων οπτικών ινών.
Αισθητήρες οπτικών ινών στην πράξη
Το πεδίο της ανίχνευσης είναι γεμάτο με εξειδικευμένες τεχνολογίες που απευθύνονται σε εξειδικευμένες εφαρμογές και η αίσθηση των ινών δεν αποτελεί εξαίρεση. Ακόμη και όταν ο ίδιος τύπος τεχνολογίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη μιας σειράς αναγκών, οι μεμονωμένες συσκευές μπορούν να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή και τις απαιτήσεις της ακρίβειας, της σταθερότητας, της ανάλυσης, του όγκου παραγωγής και μιας σειράς αλληλεξαρτώμενων παραμέτρων.
Κατανεμημένη Ανίχνευση Θερμοκρασίας
Πάνω από δεκαετίες πριν, ο καθετήρας Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) προήλθε από ένα πρωτότυπο σύστημα βασισμένο σε αισθητήρες ινών (η έννοια DTS φαίνεται στο παρακάτω σχήμα). Αυτός ο ανιχνευτής είναι ικανός να μετρά τα προφίλ θερμοκρασίας με ακρίβεια 1 ℃ και επαναληψιμότητα σε μήκος μετρητή 1 μέτρου περίπου και συνολικά μήκη ανάκρισης δεκάδων χιλιομέτρων σε χρόνους μέτρησης με τη σειρά ενός λεπτού. Το DTS είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τη μέτρηση των αλλαγών θερμοκρασίας στις σήραγγες και στις γραμμές σωλήνων. Πολλά συστήματα εγκαθίστανται τώρα σε υπόγειους σιδηρόδρομους, σήραγγες αυτοκινητοδρόμων και μεγάλους βιομηχανικούς φούρνους. Άλλα συστήματα έχουν τοποθετηθεί σε μεγάλα ηλεκτρικά μηχανήματα, τα οποία μπορεί να είναι επιρρεπή σε υπερθέρμανση υπό συνθήκες βλάβης.
Το κυριότερο πλεονέκτημα του DTS είναι ότι αυτή η τεχνολογία είναι ισοδύναμη με πολλές χιλιάδες θερμοστοιχείων, σε απόσταση 1 μέτρου κατά μήκος μιας εκτεταμένης δομής μέτρησης. Με άλλα συστήματα ανίχνευσης θερμοκρασίας, η ηλεκτρική καλωδίωση, η δικτύωση και η τροφοδοσία μπορεί να μην είναι πρακτικές, ειδικά σε περιοχές όπου η εγγενής ασφάλεια μπορεί να είναι σημαντική. Ωστόσο, με το DTS, οι χρήστες μπορούν απλά να ρίξουν την ίνα και να την συνδέσουν σε ασφαλές μέρος. Τα πολυπλεγμένα δίκτυα είναι επίσης δυνητικά πολύ σημαντικά, αν και δεν έχουν ακόμη δημιουργήσει την εμπορική θέση που απολαμβάνει το DTS. Τα δίκτυα FBG γραμμένα σε ένα μόνο μήκος ινών έχουν εκτιμηθεί εκτενώς ως συστοιχίες αισθητήρων τάσης και / ή θερμοκρασίας για παρακολούθηση φορτίων και καταστάσεων, ιδιαίτερα σε σύνθετες δομές από ανθρακονήματα. Συχνά ονομάζονται "έξυπνες δομές", αυτές οι συστοιχίες αισθητήρων διευκολύνουν τη συλλογή λειτουργικών δεδομένων από δομές όπως αεροσκάφη και γέφυρες.
Κατ 'αρχήν, αυτά τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της ακεραιότητας της δομής ενδιαφέροντος. Αλλά στην πράξη, αυτό παραμένει γεμάτο δυσκολία. Σίγουρα οι ερευνητές και οι μηχανικοί μπορούν να συγκεντρώσουν εκτενείς πληροφορίες, αλλά ο τρόπος με τον οποίο ερμηνεύονται αυτά τα δεδομένα είναι αντικείμενο σημαντικής συζήτησης. Στόχος είναι να δηλωθούν αξιόπιστοι δείκτες δομικής ακεραιότητας. Ωστόσο, η ανάπτυξη της εμπιστοσύνης των χρηστών και της αποδοχής των κανονισμών είναι μια παρατεταμένη διαδικασία. Η παρακολούθηση του περιβάλλοντος είναι μια ακόμη πιθανή εφαρμογή πολυπλεγμένων συστημάτων. Η παραγωγή αερίου μεθανίου σε χώρο υγειονομικής ταφής αποτελεί σημαντικό δείκτη τόσο για την ασφάλεια του τόπου όσο και για την πρόοδο των διεργασιών αναερόβιας αποσύνθεσης που πραγματοποιούνται μέσα σε αυτό. Ένα σύστημα μέτρησης που παρακολουθεί τις συγκεντρώσεις αερίου του μεθανίου σε μια τοποθεσία με διαστάσεις της τάξης των 10 χλμ. Προσφέρει το πλεονέκτημα της συνεχούς αξιολόγησης και συνεπώς βελτιωμένης λειτουργίας, ειδικά όταν το μεθάνιο - ένα εξαιρετικά ενεργό αέριο θερμοκηπίου - μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αρκετών μεγαβάτ ηλεκτρικού εξουσία.
Τα συστήματα οπτικών ινών που στοχεύουν αυτή την εφαρμογή δείχνουν τεράστια υπόσχεση. βασίζονται σε μικρές κυψέλες απορρόφησης που έχουν ερωτηθεί χρησιμοποιώντας συνδέσεις ινών μονής λειτουργίας. Καθώς οι περιβαλλοντικοί κανονισμοί γίνονται αυστηρότεροι, τα συστήματα αυτά προσφέρουν μια ενδεχομένως οριστική τεχνολογία για την παρακολούθηση των εργασιών διάθεσης αποβλήτων. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, είναι εφικτά πολυπλεγμένα συστήματα που απευθύνονται σε περισσότερους από 200 αισθητήρες από μία μόνο πηγή λέιζερ. Ωστόσο, όπως οι συστοιχίες αισθητήρων τάσης FBG, το ζήτημα του τι πρέπει να κάνουν με όλα τα δεδομένα που αποκτούν αυτά τα συστήματα είναι αμηχανία. Επιπλέον, η ενσωμάτωση αυτού του δυναμικού του συστήματος στην περιβαλλοντική νομοθεσία και τα ρυθμιστικά πρότυπα είναι μια χρονοβόρα διαδικασία.
Γυροσκόπιο οπτικών ινών
Υπάρχουν περιοχές στις οποίες αισθητήρες οπτικών ινών έχουν αρχίσει να καθιερώνονται ως η φυσική επιλογή. Είναι εξαιρετικά ανταγωνιστικές ως υδρόφωνα και γεωφωνα, και πάλι σε πολυπλεκτικές συστοιχίες. Ως μεμονωμένο στοιχείο αισθητήρα, το γυροσκόπιο οπτικών ινών είναι αναμφισβήτητα το πιο επιτυχημένο. (Το γυροσκόπιο οπτικών ινών παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα.)
Τα γυροσκόπια μετρούν την περιστροφή στον αδρανειακό χώρο. είναι βασικά μέσα στα συστήματα πλοήγησης και εντοπισμού θέσης και στον εξοπλισμό σταθεροποίησης που χρησιμοποιείται εκτενώς σε αεροσκάφη και πλοία. Το γυροσκόπιο οπτικών ινών βασίζεται σε μια υλοποίηση οπτικών ινών του συμβολόμετρου Sagnac - η οποία παρουσιάστηκε για πρώτη φορά σχεδόν πριν από έναν αιώνα. Η ιδέα πίσω από το συμβολόμετρο Sagnac είναι απλή. Το φως ξεκινά από έναν διαχωριστή δέσμης σε δύο κατευθύνσεις γύρω από έναν βρόχο και ο βρόχος περιστρέφεται. Ενώ το φως βρίσκεται στο βρόχο πίσω από τον διαχωριστή δέσμης, το φως που περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση με τον διαχωριστή δέσμης έχει λίγο πιο μακριά από το φως που περιστρέφεται προς την κατεύθυνση του διαχωριστή δέσμης. Κατά συνέπεια, υπάρχει μικρή χρονική καθυστέρηση μεταξύ των φωτοσωλήνων που περιστρέφονται στις δύο κατευθύνσεις κατά την άφιξή τους πίσω στον διαχωριστή δέσμης. Αυτή η χρονική καθυστέρηση μπορεί να μετρηθεί παρεμβατικά ως οπτική φάση.
Η υλοποίηση αυτής της έννοιας σε μορφή οπτικών ινών απαιτεί κάποια κομψή οπτική και προσεκτική μηχανική. Περίπου μια δεκαετία προσπάθειας έχει δώσει πολύ ακριβή εργαλεία μέτρησης περιστροφής με πολύ υψηλή αξιοπιστία. Αυτή η αξιοπιστία έγκειται στο γεγονός ότι, αντίθετα με τα μηχανικά γυροσκόπια (ή ακόμα και το δακτυλιοειδές σύστημα λέιζερ, το οποίο επίσης βασίζεται στο φαινόμενο Sagnac), τα γυροσκόπια οπτικών ινών δεν έχουν μηχανικά κινούμενα μέρη. Επιπλέον, ο συντελεστής κλίμακας του γυροσκοπίου οπτικών ινών είναι ανεξάρτητος από τη μηχανική επιτάχυνση, σε αντίθεση με την πιο καθιερωμένη μηχανική τεχνολογία περιστρεφόμενου τροχού. Επιπλέον, το γυροσκόπιο οπτικών ινών μπορεί να διαμορφωθεί σε πλήθος διαφορετικών εκδόσεων που αντιμετωπίζουν ποικίλες ανάγκες όσον αφορά την ακρίβεια, τη διάρκεια ζωής και την περιβαλλοντική ανοχή. Διάφορα εκατοντάδες γυροσκόπια οπτικών ινών κατασκευάζονται και πωλούνται ανά έτος.
Ένας άλλος επιτυχημένος αισθητήρας οπτικών ινών που έχει βρει εκτεταμένη εφαρμογή στην πολιτικού μηχανικού είναι το σύστημα SOFO (ένα γαλλικό ακρωνύμιο για τις δομές παρακολούθησης με χρήση οπτικών ινών ). Αυτό το ιντερφερόμετρο Michelson ινών λευκού φωτός λειτουργεί ως μετρητής ακριβείας σε μήκος μήκους μέχρι και μερικά δεκάδες μέτρα, με μακροχρόνια σταθερότητα και μηχανική ανάγνωση ακριβείας που μετράται σε μικρά.
Η διέγερση της σκέδασης Brillouin χρησιμοποιήθηκε για καταμετρημένη μέτρηση των στελεχών, κυρίως στα εγκατεστημένα καλώδια οπτικών ινών σε περιοχές επιρρεπείς σε σεισμό. Στη βιοϊατρική, τα επιτυχή in vivo συστήματα - για να αξιολογήσουν τους γαστρικούς χυμούς στους ανθρώπους, για παράδειγμα - έχουν καθιερωθεί ως χρήσιμα διαγνωστικά εργαλεία. Υπάρχουν πολλοί άλλοι.
Το μέλλον των αισθητήρων οπτικών ινών
Οι αισθητήρες οπτικών ινών συνεχίζουν να συναρπάζουν. Όπως και σε άλλους τομείς της φωτονικής, οι ερευνητές είναι ενθουσιασμένοι με την προοπτική της διαμόρφωσης νέων τεχνολογιών στο πλαίσιο της αίσθησης και των οργάνων. Φωτονικοί κρύσταλλοι και ίνες φωτονικού κρυστάλλου φαίνονται ενδιαφέροντα - αν και οι ερευνητές έχουν μόλις αρχίσει να υπολογίζουν πώς να ερμηνεύουν αυτές τις προοπτικές στο περιβάλλον κάπως ορθογώνιο σύστημα αισθητήρα. Τα λέιζερ υψηλής ισχύος που βασίζονται στην τεχνολογία οπτικών ινών επιτρέπουν ιδιαίτερα καινοτόμο μη γραμμικό χαρακτηρισμό υλικών. Η κωνική οπτική ίνας αναμφίβολα θα επανεμφανιστεί ως ανιχνευτής για να εξετάσει τις δομές στην μικροσκοπική, ή ακόμα και τη νανοσκοπική κλίμακα.
Οι καινοτομίες στον υπολογισμό και η διαθεσιμότητα διευρυμένης δυνατότητας επεξεργασίας δεδομένων θα συμβάλουν επίσης στη βελτίωση της ικανότητάς μας να ερμηνεύουμε δεδομένα από μεγάλες σειρές παρόμοιων αισθητήρων και να οδηγήσουμε σε χρήσιμους συνδυασμούς συμπληρωματικών αισθητήρων. Υπάρχουν επίσης ευκαιρίες με οπτικά μικρο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα, αν και αυτά δεν έχουν ακόμη κάνει το σήμα τους ως τεχνολογίες αισθητήρων με βάση τις ίνες. Η εκμετάλλευση της τεχνολογίας αισθητήρων οπτικών ινών θα συνεχίσει να επεκτείνεται, αργά αλλά σταθερά. Παράλληλα, η ερευνητική κοινότητα θα συνεχίσει να διερευνά νέα εργαλεία και να αναζητά ευκαιρίες για την εφαρμογή τους.
