Šķiedru optikas sensoru pielietojums un attīstība
Pamatinformācija
Pēdējo desmitgažu laikā optiskās šķiedras tehnoloģija ir radikāli pārveidojusi telekomunikāciju nozari, kas nodrošina lielas jaudas, tālsatiksmes sakarus un tīklošanu ar ārkārtīgi zemām izmaksām. Šķiedru optika arī ir bijusi nozīmīga loma daudzās citās lietojumprogrammās: tās ir izmantotas, lai nodrošinātu gaismu precīzai marķēšanai un griešanai; kā praktisks, augstas jaudas, augstas saskaņotības lāzera avots; attēlveidošanas sistēmām; un kā līdzekli apgaismojuma nodrošināšanai nepieejamās vietās - nemaz nerunājot par mākslīgām Ziemassvētku eglītēm ar apšaubāmu garšu (kas, protams, parādījās mūsu laboratorijā svētku sezonā).
Pat pirms optisko šķiedru izgatavošanas telekomunikāciju nozarē, optiskās šķiedras tehnoloģija bija daudzsološa rūpniecības un vides uztveres jomā. Pētniecības desmitgadi tagad tiek pārveidoti par drošiem, precīziem šķiedru mērinstrumentiem, ieskaitot giroskopus, temperatūras zondes, hidrofonus un ķīmiskos monitorus. Faktiski optisko šķiedru sensori meklē lietojumus visur no dzelzceļa, tuneļiem un tiltiem līdz rūpnieciskajām krāsnīm un atkritumu apglabāšanas sistēmām.
Šķiedru uztveršana - šķiedru optikas izmantošana rūpnieciskiem un vides sensoriem - ir vēl viena aizraujoša izaugsmes joma šai daudzpusīgai tehnoloģijai. Tā ir, piemēram, vienīgā disciplīna plašākā uztveres jomā, kurai ir sava enerģiska konferenču sērija. Šajās sanāksmēs pētnieki ir aprakstījuši iespējamās metodes, lai mērītu visu, sākot no cukura līmeņa asinīs līdz gravitācijas viļņiem. Dažas idejas ir padarījušas lēcienu no laboratorijas uz augsti konkurētspējīgu sensoru tehnoloģiju tirgu. Šķiedru optikas izmantošana lietojumprogrammu uztveršanai faktiski ir pirms tās lietojumiem sakaru tīklos. Tas sākās ar “Fotonic” sensora izstrādi 1960. gadu vidū, komplektā balstītu ierīci, kas mēra attālumu un pārvietojumu, jo īpaši darbgaldu nozarē. Lai gan Fotonic bija nepilnīga tehnoloģija ar īsu karjeru, sensora priekšstats uztvēra pētniecības kopienas iztēli.
Optisko šķiedru sensoru ieviešana
Mehānisms
Pamatmehānisms ir vienkāršs (parādīts zemāk redzamajā attēlā). organizēt gaismas modulāciju, pamatojoties uz tās mijiedarbību ar interesējošo parametru; un pēc tam nosūta modulēto gaismu atpakaļ uz uzraudzības punktu. Ir dažādi veidi, kā iet par katru soli - jo īpaši pieeju, ko izmanto, lai modulētu gaismu, bet tā ir tehnoloģijas būtība.
Priekšrocības
Šķiedru optikas sensori piedāvā daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar citām sensoru metodēm. Varbūt vissvarīgākais, šie sensori ir neaizsargāti pret elektromagnētisko uztveršanu, un tos var piekļūt caur šķiedru saitēm ļoti gariem attālumiem, dažkārt to sasniedzot desmitiem kilometru garumā. Šķiedras ir arī drošas bīstamās vidēs. Turklāt tie ir ķīmiski pasīvi, tiem ir mazi fiziskie izmēri, un tie ir mehāniski saderīgi ar daudzām operatīvām vidēm.
Trūkumi
Šiem sensoriem neizbēgami ir arī trūkumi. Datu interpretācija ir sarežģīta, piemēram, ar dažām lietojumprogrammām, un lietotāju uzticības un regulatīvās akceptēšanas attīstība var būt ilgstošs process. Atšķirībā no liela joslas platuma sakariem, kad optiskā šķiedra ir neapstrīdama svina tehnoloģija, sensora jomā ir pieejamas vairākas citas iespējas; šķiedru optika reti ir acīmredzama izvēle, lai gan tā var būt ļoti laba.
Funkcijas un lietojumprogrammas
Šķiedru optikas sensori ir īpaši daudzpusīgi, balstoties uz videi jutīgiem interferometriem, kas izmanto šķiedras arhitektūru vai uzrauga krāsu viļņu garuma jutīgu uzvedību. Pirmā kategorija ietver interferometrus dinamisko spiediena lauku (piemēram, hidrofonu un ģeofonu) mērīšanai un Sagnac interferometru rotācijai; pēdējais aptver gandrīz visu spektroskopisko, ieskaitot sensorus, kas balstīti uz mijiedarbību ar starpproduktiem (piemēram, skābes / sārmu indikators), ko sauc par optrodiem, un tiešus spektroskopiskus mērījumus gāzēs, šķidrumos un cietās daļās. Šajā kategorijā ietilpst arī ekoloģiski jutīgi spektrālie filtri, no kuriem šķiedru žāvēšanas režģis (FBG) ir visizplatītākais.
Ļoti svarīgs, bet ne tik acīmredzams, modulācijas mehānisms ietver neelastīgas mijiedarbības starp gaismas avotu, pašas šķiedras materiālu un vidi, kas apņem šķiedru. Šīs mijiedarbības, no kurām Raman un Brillouin izkliede ir visnozīmīgākās, rada raksturīgas nelineāras izmaiņas gaismā, kas pavairojas pa šķiedru, gan virzienā uz priekšu, gan, galvenokārt, atpakaļ. Patiešām, optisko šķiedru spēja radīt prognozējamu atgriezenisko saiti paver jaunas perspektīvas lietojumprogrammām. Sensoru sistēmas, kas var izmērīt laika aizkavēšanos starp atpakaļatkritušā starojuma iedarbināšanu un atgriešanos, var izmantot, lai zondētu vidi pa šķiedru. Šīs tā saucamās sadalītās sensoru metodes ir unikālas optiskās šķiedras tehnoloģijai.
Sadalītie sensori atvieglo deformācijas un temperatūras mērījumus ļoti garos mijiedarbības garumos - līdz daudziem desmitiem kilometru. Turklāt atkarībā no laika apstrādes modulācijas uz ieslēgtās gaismas, deformācijas vai temperatūras lauks var tikt atrisināts ar vairāk nekā adekvātu precizitāti attiecībā uz mērinstrumentu garumiem 1 m, vai dažās sistēmās vēl mazāk. Līdzīgi, optisko šķiedru sensorus var viegli konfigurēt punktveida mērīšanas ierīču bloku multipleksētās konfigurācijās. Katrai ierīcei nepieciešams tikai viens optiskais avots, lai aktivizētu tīklu. Šī spēja multipleksēt parasti līdz dažiem simtiem nopratināšanas punktu ir vēl viena šķiedru optikas sensoru iezīme.
Optisko šķiedru sensori praksē
Sensēšanas joma ir plaša ar īpatnējām tehnoloģijām, kas risina speciālistu lietojumprogrammas, un šķiedru uztveršana nav izņēmums. Pat ja to pašu tehnoloģiju var izmantot, lai risinātu dažādas vajadzības, atsevišķas ierīces var ievērojami atšķirties atkarībā no konkrētā pielietojuma un tās precizitātes, stabilitātes, izšķirtspējas, ražošanas apjoma un daudziem citiem savstarpēji atkarīgiem parametriem.
Sadalītā temperatūra
Jau vairāk nekā gadu desmitiem Raman sadalītās temperatūras sensora (DTS) zonde kļuva par prototipu sistēmu, kas balstīta uz šķiedru uztveršanu (DTS koncepcija parādīta attēlā). Šī zonde spēj mērīt temperatūras profilus ar 1 ℃ precizitāti un atkārtojamību mērinstrumentu garumā, kas ir 1 metrs, vai kopējo mērījumu ilgumu desmitiem kilometru mērījumu laikos pēc minūtes. DTS ir spēcīgs instruments temperatūras izmaiņu mērīšanai tuneļos un cauruļvados. Daudzas sistēmas tagad ir uzstādītas pazemes dzelzceļos, automaģistrāļu tuneļos un lielās rūpniecības krāsnīs. Citas sistēmas ir ievietotas lielās elektroiekārtās, kas var būt pakļautas pārkaršanai bojājuma apstākļos.
DTS galvenais ieguvums ir tas, ka šī tehnoloģija ir līdzvērtīga daudziem tūkstošiem termopāriem, kas izvietoti 1 m intervālos gar paplašinātu mērījumu struktūru. Ar citām temperatūras noteikšanas sistēmām elektroinstalācija, tīklošana un barošana var būt nepraktiska, jo īpaši vietās, kur būtiska ir drošība. Tomēr, izmantojot DTS, lietotāji var vienkārši izvilkt šķiedru un pievienot to drošā vietā. Potenciāli ļoti svarīgi ir arī multipleksētie tīkli, lai gan tiem vēl ir jāizveido komerciāla niša, ko bauda DTS. FBG tīkli, kas rakstīti vienā šķiedras garumā, ir plaši novērtēti kā deformācijas un / vai temperatūras sensoru masīvi slodzes un stāvokļa uzraudzībai, jo īpaši oglekļa šķiedru kompozītu konstrukcijās. Šie sensoru bloki bieži vien tiek dēvēti par „viedajām struktūrām”, kas atvieglo operatīvo datu vākšanu no tādām struktūrām kā gaisa kuģi un tilti.
Principā šos datus var izmantot, lai noteiktu interesējošās struktūras integritāti. Bet praksē tas paliek bez grūtībām. Protams, zinātnieki un inženieri var iegūt plašu informāciju, bet to, kā šos datus interpretēt, apspriež ievērojamas debates. Mērķis ir apzīmēt uzticamus strukturālās integritātes rādītājus. Tomēr lietotāju uzticības un likumdošanas akceptēšana ir ilgstošs process. Vides monitorings ir vēl viens potenciāls pielietojums multipleksētām sistēmām. Metāna gāzes ražošana poligonā ir svarīgs rādītājs gan vietas drošībai, gan tajā notiekošo anaerobo sadalīšanās procesu progresam. Mērīšanas sistēma, kas uzrauga metāna gāzu koncentrāciju vietā, kuras izmēri ir apmēram 10 km, dod nepārtrauktu novērtējumu un tādējādi uzlabo darbību, jo īpaši, ja metānu - īpaši aktīvu siltumnīcefekta gāzi - var izmantot vairāku megavatu elektroenerģijas ražošanai. jauda.
Šķiedru optikas sistēmām, kas vērstas uz šo lietojumu, ir milzīgs solījums; tie ir balstīti uz nelielām absorbcijas šūnām, kuras tiek aptaujātas, izmantojot vienmodu šķiedru saites. Tā kā vides noteikumi kļūst stingrāki, šādas sistēmas piedāvā potenciāli galīgu tehnoloģiju atkritumu apglabāšanas darbību uzraudzībai. Izmantojot šo pieeju, ir iespējamas multipleksētas sistēmas, kas adresē vairāk nekā 200 sensorus no viena lāzera avota. Tomēr, tāpat kā FBG celma sensora bloki, jautājums par to, ko darīt ar visiem datiem, ko šīs sistēmas iegūst, ir apgrūtinošs. Turklāt šī sistēmas potenciāla iekļaušana vides tiesību aktos un normatīvajos standartos ir laikietilpīgs process.
Optisko šķiedru žiroskops
Ir jomas, kurās optiskās šķiedras sensori ir sākuši veidoties kā dabiska izvēle. Tie ir ļoti konkurētspējīgi kā hidrofoni un ģeofoni, atkal multipleksētos blokos. Kā atsevišķs sensora elements, optisko šķiedru žiroskops ir neapšaubāmi visveiksmīgākais. (Optisko šķiedru giroskops ir parādīts attēlā.)
Giroskopi mēra rotāciju inerces telpā; tie ir būtiski instrumenti navigācijas un pozicionēšanas sistēmās un stabilizācijas iekārtās, ko plaši izmanto gaisa kuģos un kuģos. Optisko šķiedru žiroskops ir balstīts uz Sagnac interferometra optisko šķiedru realizāciju, kas pirmo reizi tika demonstrēta pirms gandrīz gadsimta. Sagnac interferometra ideja ir vienkārša. Gaisma tiek atvērta no staru sadalītāja divos virzienos ap cilpu un cilpa tiek pagriezta. Kamēr gaisma atrodas cilpā atpakaļ atpakaļ uz staru sadalītāju, gaisma, kas rotē tajā pašā virzienā, kādā ir staru sadalītājs, ir nedaudz tālāk, nekā gaisma, kas griežas pret gaismu sadalītāja virzienu. Līdz ar to starp gaismas stariem, kas rotē abos virzienos, ir neliela laika aizture, kad tie atgriežas pie staru sadalītāja. Šo laika aizturi var mērīt interferometriski kā optisko fāzi.
Šīs koncepcijas realizācija optiskās šķiedras formā prasa dažas elegantas optikas un rūpīgas tehnoloģijas. Aptuveni desmit gadu ilgs darbs ir devis ļoti precīzus rotācijas mērīšanas instrumentus ar ļoti augstu uzticamību. Šī uzticamība ir tāda, ka atšķirībā no mehāniskajiem giroskopiem (vai pat gredzena lāzera sistēmai, kas arī balstās uz Sagnac efektu), optiskās šķiedras giroskopiem nav mehānisku kustīgu daļu. Turklāt šķiedru optiskā žiroskopa mērogošanas koeficients ir neatkarīgs no mehāniskā paātrinājuma, atšķirībā no vairāk noteiktās mehāniskās vērpšanas riteņu tehnoloģijas. Turklāt optisko šķiedru giroskopu var konfigurēt dažādās versijās, kas atbilst dažādām vajadzībām precizitātes, kalpošanas laika un vides tolerances ziņā. Gadā tiek ražoti un pārdoti vairāki simti tūkstoši šķiedru optisko žiroskopu.
Vēl viens veiksmīgs šķiedru optikas sensors, kas atradis plašu pielietojumu inženierbūvniecībā, ir SOFO (franču akronīms monitoringa struktūrām, izmantojot optiskās šķiedras ) sistēmu. Šis baltās gaismas šķiedras Michelson interferometrs darbojas kā precizitātes ekstremometrs pār gabarīta garumiem līdz dažiem desmitiem metru, ar ilgtermiņa stabilitāti un precīzu mehānisko nolasījumu, ko mēra mikronos.
Stimulētajai spriedzes mērīšanai tika izmantota stimulēta Brillouin izkliede, jo īpaši uz uzstādītajām optiskās šķiedras sakaru kabeļiem zemestrīces zonās. Biomedicīnā veiksmīgas in vivo sistēmas, lai novērtētu cilvēka kuņģa sulas, ir kļuvušas par noderīgiem diagnostikas instrumentiem. Ir daudzi citi.
Optisko šķiedru sensoru nākotne
Optisko šķiedru sensori turpina fascinēt. Tāpat kā citās fotonikas jomās, pētnieki ir satraukti par iespēju veidot jaunas tehnoloģijas sensora un instrumentu kontekstā. Fotoniskie kristāli un fotoniskā kristāla šķiedras izskatās interesantas, lai gan pētnieki tikko sākuši izdomāt, kā šīs izredzes interpretēt nedaudz ortogonālā sensoru sistēmas vidē. Augstas jaudas lāzeri, kuru pamatā ir optiskās šķiedras tehnoloģija, nodrošina īpaši inovatīvu nelineāru materiālu raksturojumu. Šķiedru optikas konusveida sistēma, bez šaubām, atkārtoti parādīsies kā zonde, lai pārbaudītu struktūras mikroskopiskā vai pat nanoskopiskā mērogā.
Inovācijas skaitļošanas jomā un paplašinātas datu apstrādes iespējas arī palīdzēs uzlabot mūsu spēju interpretēt datus no lieliem līdzīgu sensoru blokiem un novest pie noderīgu papildu sensoru kombināciju. Pastāv arī iespējas ar optiskām mikroelektromehāniskām sistēmām, lai gan tām vēl nav jāpaziņo par šķiedru sensoru tehnoloģijām. Optisko šķiedru sensoru tehnoloģiju izmantošana turpinās paplašināties, lēnām, bet vienmērīgi. Līdztekus pētniecības kopiena turpinās pētīt jaunus instrumentus un meklēt iespējas to piemērot.
