Uporaba in napredek optičnih senzorjev
Ozadje
V zadnjih desetletjih je tehnologija optičnih vlaken revolucionirala telekomunikacijsko industrijo, kar omogoča visoko zmogljivo komunikacijo na dolge razdalje in povezovanje v mrežo z neverjetno nizkimi stroški. Optična vlakna so prav tako igrala pomembno vlogo v številnih drugih aplikacijah: uporabljena so bila za dobavo svetlobe za natančno označevanje in rezanje; kot praktičen, močan, visoko koherenčni laserski vir; za slikovne sisteme; in kot sredstvo za zagotavljanje razsvetljave na nedostopnih mestih - da ne omenjamo umetnih božičnih dreves vprašljivega okusa (ki so se v našem laboratoriju pojavili v prazničnem času).
Še preden je optična vlakna postala velika v telekomunikacijski industriji, je tehnologija optičnih vlaken pokazala obljube na področju industrijskega in okoljskega zaznavanja. Desetletja raziskav se zdaj prevajajo v varne, natančne merilne instrumente na osnovi vlaken, vključno z žiroskopi, temperaturnimi sondami, hidrofoni in kemičnimi monitorji. Senzorji z optičnimi vlakni dejansko iščejo aplikacije povsod od železnic, predorov in mostov do industrijskih peči in sistemov za odstranjevanje odpadkov.
Občutek vlaken - uporaba optičnih vlaken za industrijske in okoljske senzorske aplikacije - je še eno vznemirljivo območje rasti za to vsestransko tehnologijo. To je, na primer, edina disciplina v širšem področju zaznavanja, ki ima svojo energetsko serijo konferenc. Na teh srečanjih so raziskovalci opisali možne tehnike za merjenje vsega, od ravni sladkorja v krvi do gravitacijskih valov. Nekatere zamisli so naredile preskok iz laboratorija v zelo konkurenčen trg senzorske tehnologije. Uporaba optičnih vlaken za zaznavanje aplikacij je dejansko pred uporabo aplikacij v komunikacijskih omrežjih. Začelo se je z razvojem senzorja „Fotonic“, ki je sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja, naprave, ki temelji na svežnju in meri razdaljo in premikanje, zlasti v industriji strojnih orodij. Čeprav je bila Fotonic nepopolna tehnologija s kratko kariero, je ideja senzorja zajela domišljijo raziskovalne skupnosti.
Uvedba optičnih senzorjev
Mehanizem
Osnovni mehanizem je preprost (prikazan na spodnji sliki): svetlobo vstavite v optično vlakno; poskrbi, da se svetloba modulira na podlagi njene interakcije s pomembnim parametrom; in potem prenese modulirano svetlobo nazaj na nadzorno točko. Obstajajo različni načini za vsak korak - zlasti pristop, ki se uporablja za modulacijo svetlobe - vendar je to bistvo tehnologije.
Prednosti
Optični senzorji ponujajo številne prednosti pred drugimi senzorskimi tehnikami. Morda je najpomembnejše, da so ti senzorji odporni na elektromagnetno snemanje in so dostopni prek vlaknenih povezav za zelo velike razdalje, ki se včasih raztezajo do deset kilometrov. Vlakna so tudi sama po sebi varna v nevarnih okoljih. Poleg tega so kemično pasivni, imajo majhne fizične dimenzije in so mehansko združljivi z množico operativnih okolij.
Pomanjkljivosti
Tudi ti senzorji imajo neizogibne pomanjkljivosti. Razlaga podatkov je težavna z nekaterimi aplikacijami, razvoj zaupanja uporabnikov in sprejemanje predpisov pa je lahko dolgotrajen proces. Za razliko od komunikacij z visoko pasovno širino, kjer je optična vlakna nesporna tehnologija svinca, obstajajo številne druge možnosti na področju zaznavanja; optična vlakna so redko očitna izbira, čeprav je lahko zelo dobra.
Funkcija in aplikacije
Optični senzorji so še posebej vsestranski, kadar temeljijo na okoljsko občutljivih interferometrih, ki uporabljajo arhitekturo vlaken ali pri nadzoru obnašanja, občutljivega na valovno dolžino. V prvo kategorijo spadajo interferometri za merjenje dinamičnih tlačnih polj (npr. Hidrofoni in geofoni) in interfejter Sagnac za rotacijo; slednji zajema skoraj vse spektroskopske, vključno s senzorji, ki temeljijo na interakcijah z vmesnimi reagenti (na primer indikatorjem kisline / alkalije) - pogosto imenovanimi optrodes - in neposrednimi spektroskopskimi meritvami v plinih, tekočinah in trdnih snoveh. Ta kategorija vključuje tudi okoljsko občutljive spektralne filtre, od katerih je najbolj znana Fibre Bragg Grating (FBG).
Zelo pomemben - vendar veliko manj očiten - modulacijski mehanizem vključuje neelastične interakcije med vpadno svetlobo, materialom samega vlakna in okoljem, ki obdaja vlakna. Te interakcije, katerih najpomembnejše so Ramanovo in Brillouinovo sipanje, proizvajajo karakteristične nelinearne spremembe spektrov svetlobe, ki se širi vzdolž vlakna v obeh smereh in v smeri naprej. Sposobnost optičnih vlaken, da proizvajajo predvidljivo povratno sipanje, odpira nove možnosti za zaznavanje aplikacij. Senzorske sisteme, ki lahko merijo časovno zakasnitev med zagonom in vračanjem povratno razpršenega sevanja, lahko uporabimo za sondiranje okolja vzdolž vlakna. Te tako imenovane porazdeljene senzorske tehnike so edinstvene za tehnologijo optičnih vlaken.
Porazdeljeni senzorji omogočajo meritve deformacij in temperature v zelo dolgih interakcijskih dolžinah - do več deset kilometrov. Poleg tega je glede na časovno modulacijsko modulacijo na sproženi svetlobi, deformacijsko ali temperaturno polje mogoče rešiti z več kot zadostno natančnostjo preko merilnih dolžin reda velikosti 1 m, ali v nekaterih sistemih še manj. Podobno se lahko optični senzorji brez težav konfigurirajo v multipleksne konfiguracije nizov merilnih naprav. Vsaka naprava potrebuje samo en optični vir, ki napaja omrežje. Ta sposobnost multipleksiranja tipično do nekaj sto točk za zaslišanje je še ena značilnost optičnih senzorjev.
Optični senzorji v praksi
Področje zaznavanja je prežeto z idiosinkratskimi tehnologijami, ki se ukvarjajo s specializiranimi aplikacijami, in optični senzorji niso izjema. Tudi kadar se lahko ista vrsta tehnologije uporablja za obravnavo vrste potreb, se lahko posamezne naprave zelo razlikujejo glede na specifično aplikacijo in njene zahteve glede točnosti, stabilnosti, ločljivosti, obsega proizvodnje in številnih drugih soodvisnih parametrov.
Porazdeljeno zaznavanje temperature
Pred več desetletji se je kot prototipni sistem, ki temelji na optičnem zaznavanju vlaken, pojavila sonda za distribuirano temperaturno zaznavanje (DTS) (koncept DTS je prikazan na spodnji sliki). Ta sonda je zmožna meriti temperaturne profile z natančnostjo 1 repeat in ponovljivostjo nad dolžino merilnika 1 metra in skupno dolžino zaslišanja desetine kilometrov v merilnih časih na minuto. DTS je zmogljivo orodje za merjenje temperaturnih sprememb v predorih in cevnih vodih. Veliko sistemov je zdaj nameščenih v podzemnih železnicah, avtocestnih predorih in velikih industrijskih pečeh. Drugi sistemi so bili nameščeni v velikih električnih strojih, ki so lahko nagnjeni k pregrevanju v pogojih napak.
Glavna prednost DTS je, da je ta tehnologija enakovredna več tisoč termočlenov, razporejenih v 1-m intervalih vzdolž razširjene merilne strukture. Pri drugih sistemih zaznavanja temperature je lahko električno napajanje, povezovanje v omrežje in napajanje nepraktično, zlasti na področjih, kjer je lahko pomembna notranja varnost. Vendar pa lahko uporabniki z DTS preprosto raztegnejo vlakna in jih pritrdijo na varno mesto. Množična omrežja so prav tako potencialno zelo pomembna, čeprav še niso vzpostavila tržne niše, ki jo uživa DTS. Omrežja FBG, napisana v eni dolžini vlaken, so bila obsežno ocenjena kot nizi senzorjev za deformacijo in / ali temperaturo za spremljanje obremenitve in stanja, zlasti v kompozitnih strukturah iz ogljikovih vlaken. Ti nizi senzorjev pogosto imenujemo »pametne strukture« in tako omogočajo zbiranje operativnih podatkov iz struktur, kot so letala in mostovi.
Načeloma se lahko ti podatki uporabijo za določitev celovitosti zanimive strukture. Toda v praksi to ostaja težavno. Seveda lahko raziskovalci in inženirji zberejo obsežne podatke, toda kako razlagati te podatke, so predmet obsežne razprave. Cilj je označiti zanesljive kazalnike strukturne celovitosti. Vendar je razvoj zaupanja uporabnikov in sprejemanje predpisov dolgotrajen proces. Spremljanje okolja je še ena možna aplikacija za multipleksne sisteme. Pridobivanje plina metana na odlagališču je pomemben pokazatelj varnosti območja in napredka procesov anaerobne razgradnje, ki potekajo znotraj njega. Merilni sistem, ki spremlja koncentracijo plina metana na območju z velikostjo reda 10 km, je koristen zaradi stalnega ocenjevanja in posledično izboljšanega delovanja, zlasti kadar se metan - izjemno aktivni toplogredni plin - lahko uporabi za proizvodnjo več megavatov električne energije moči.
Sistemi optičnih vlaken, ki ciljajo na to aplikacijo, kažejo ogromno obljubo; temeljijo na majhnih absorpcijskih celicah, ki so bile zaslišane z uporabo enomodnih vlakenskih vezi. Ker so okoljski predpisi strožji, so takšni sistemi potencialno dokončna tehnologija za spremljanje postopkov odstranjevanja odpadkov. S tem pristopom so izvedljivi multipleksni sistemi, ki obravnavajo več kot 200 senzorjev iz enega samega laserskega vira. Vendar pa je vprašanje, kaj storiti z vsemi podatki, ki jih ti sistemi pridobijo, precej zmedeno. Poleg tega je vključitev tega potenciala sistema v okoljsko zakonodajo in regulativne standarde dolgotrajen proces.
Optični žiroskop
Obstajajo področja, na katerih so se optični senzorji začeli uveljavljati kot naravna izbira. Izjemno so konkurenčni kot hidrofoni in geofoni, spet v multipleksiranih nizih. Kot posamezni senzorski element je najbolj uspešen žiroskop z optičnimi vlakni . (Žiroskop z optičnimi vlakni je prikazan na spodnji sliki.)
Giroskopi merijo vrtenje v inercialnem prostoru; so bistveni instrumenti v navigacijskih sistemih in sistemih za določanje položaja ter v stabilizacijski opremi, ki se pogosto uporablja v zrakoplovih in ladjah. Žiroskop z optičnimi vlakni temelji na izvedbi optičnega vlakna interferona Sagnac, ki je bil prvič prikazan pred skoraj stoletjem. Ideja interferona v Sagnacu je preprosta. Svetloba se sproži iz razdelilnika žarka v dveh smereh okoli zanke, zanka pa se zavrti. Medtem ko je svetloba v zanki na poti nazaj do razdelilnika snopa, se svetloba, ki se vrti v isti smeri kot razdeljevalnik žarka, premakne nekoliko dlje kot svetloba, ki se vrti proti smeri razdelilnika žarka. Posledica je majhna zakasnitev med svetlobnimi snopi, ki se obračajo v dveh smereh ob prihodu nazaj na razdelilnik žarka. Ta časovni zamik lahko merimo interferometrično kot optično fazo.
Izvedba tega koncepta v optični obliki zahteva nekaj elegantne optike in skrbnega inženirstva. Približno desetletje truda je prineslo zelo natančne rotacijske merilne instrumente z zelo visoko zanesljivostjo. Ta zanesljivost je v tem, da za razliko od mehanskih giroskopov (ali celo obročnega laserskega sistema, ki temelji tudi na efektu Sagnac), žiroskopi z optičnimi vlakni nimajo mehanskih gibajočih se delov. Poleg tega je faktor lestvice žiroskopa z optičnimi vlakni neodvisen od mehanskega pospeševanja, v nasprotju z bolj uveljavljeno tehnologijo mehanskega vrtenja koles. Poleg tega je lahko žiroskop z optičnimi vlakni konfiguriran v različnih različicah, ki ustrezajo različnim potrebam glede natančnosti, življenjske dobe in okoljske tolerance. Na leto se proizvaja in prodaja več sto tisoč žiroskopov z optičnimi vlakni.
Še en uspešen optični senzor, ki je našel široko uporabo v gradbeništvu, je sistem SOFO (francoska kratica za nadzorne strukture z uporabo optičnih vlaken ). Michelsonov interferometer z belo svetlobo deluje kot natančni ekstenzometer na dolžini do nekaj deset metrov, z dolgoročno stabilnostjo in natančnim mehanskim odčitavanjem v mikronih.
Stimulirano Brillouinovo razprševanje je bilo uporabljeno za merjenje porazdeljenih deformacij, predvsem na nameščenih optičnih komunikacijskih kablih v potresno nagnjenih območjih. V biomedicini so uspešni sistemi in vivo, na primer za ocenjevanje želodčnih sokov pri ljudeh, postali uporabna diagnostična orodja. Obstaja veliko drugih.
Prihodnost optičnih senzorjev
Optični senzorji še naprej očarajo. Kot na drugih področjih fotonike so raziskovalci navdušeni nad možnostjo oblikovanja novih tehnologij v kontekst zaznavanja in instrumentacije. Fotonični kristali in fotonska kristalna vlakna so zanimiva, čeprav so raziskovalci komaj začeli razmišljati o tem, kako te perspektive interpretirati v nekoliko ortogonalnem okolju senzorskega sistema. Visoko zmogljivi laserji, ki temeljijo na tehnologiji optičnih vlaken, omogočajo posebej inovativno nelinearno karakterizacijo materialov. Koničasto optično vlakno se bo brez dvoma ponovno pojavilo kot sonda za pregledovanje struktur na mikroskopski ali celo nanoskopski lestvici.
Inovacije v računalništvu in razpoložljivost razširjenih zmogljivosti za obdelavo podatkov bodo prav tako pomagale izboljšati našo sposobnost za interpretacijo podatkov iz velikih nizov podobnih senzorjev in vodijo do koristnih kombinacij dopolnilnih senzorjev. Obstajajo tudi priložnosti z optičnimi mikroelektromehanskimi sistemi, ki pa še niso označili kot tehnologije senzorjev na osnovi vlaken. Izkoriščanje tehnologije optičnega senzorja se bo nadaljevalo, počasi, a vztrajno. Vzporedno bo raziskovalna skupnost še naprej raziskovala nova orodja in iskala priložnosti za njihovo uporabo.
