Aplicații și avantaje ale senzorilor de fibră optică
fundal
În ultimele decenii, tehnologia cu fibră optică a revoluționat industria telecomunicațiilor, permițând comunicații de mare capacitate, comunicații pe distanțe lungi și rețele la costuri uluitoare mici. Optica fibrei a jucat, de asemenea, roluri importante în numeroase alte aplicații: acestea au fost utilizate pentru a furniza lumină pentru marcarea și tăierea precisă; ca o sursă laser practică, de înaltă putere și de înaltă coerență; pentru sisteme de imagistică; și ca mijloc de a asigura iluminarea în locuri inaccesibile - ca să nu mai vorbim de pomi artificiali de Crăciun cu gust amiabil (care au apărut în laboratorul nostru în timpul festivității).
Chiar înainte ca fibrele optice să devină mari în industria telecomunicațiilor, tehnologia cu fibră optică se arăta promisă în domeniile senzorilor industriali și ecologici. Deceniile de cercetare sunt acum traduse în instrumente de măsurare precise, pe bază de fibre, incluzând giroscoape, sonde de temperatură, hidrofoane și monitoare chimice. Într-adevăr, senzorii cu fibră optică găsesc aplicații de pretutindeni de la căi ferate, tuneluri și poduri până la cuptoare industriale și sisteme de eliminare a deșeurilor.
Sistemele de detectare a fibrelor - utilizarea fibrelor optice pentru aplicațiile de detectare industrială și de mediu - este o altă zonă de creștere interesantă pentru această tehnologie versatilă. Este, de exemplu, singura disciplină din domeniul mai larg de sesizare care are propria sa serie energetică de conferințe. La aceste intalniri, cercetatorii au descris tehnici potentiale pentru a masura totul, de la nivelurile de zahar din sange la valurile gravitationale. Unele idei au făcut saltul din laborator în piața extrem de competitivă a tehnologiei senzorilor. Folosirea fibrelor optice pentru detectarea aplicațiilor de fapt, precede aplicațiile sale în rețelele de comunicații. A început cu dezvoltarea, la mijlocul anilor '60, a senzorului "Fotonic", un dispozitiv bazat pe pachete care măsoară distanța și deplasarea, în special în industria mașinilor-unelte. Deși Fotonic a fost o tehnologie imperfectă, cu o scurtă carieră, ideea din spatele senzorului a capturat imaginația comunității de cercetare.
Introducerea senzorilor de fibră optică
Mecanism
Mecanismul de bază este simplu (prezentat în figura de mai jos): Alimentați lumina într-o fibră optică; aranja ca lumina să fie modulată pe baza interacțiunii sale cu parametrul de interes; și apoi transmiteți lumina modulată înapoi la un punct de monitorizare. Există diferite moduri de a merge la fiecare etapă - în special abordarea folosită pentru a modula lumina - dar aceasta este esența tehnologiei.
avantaje
Senzorii de fibră optică oferă multe avantaje față de alte tehnici de detectare. Poate cel mai important, acești senzori sunt imuni la preluarea electromagnetică și pot fi accesați prin legăturile de fibră pentru distanțe foarte lungi - uneori se extind la zeci de kilometri. Fibrele sunt, de asemenea, sigure în mod intrinsec în medii periculoase. În plus, acestea sunt chimic pasive, au dimensiuni fizice mici și sunt compatibile mecanic cu o serie de medii operaționale.
Inconvenientele
Inevitabil, acești senzori au și dezavantaje. Interpretarea datelor este dificilă cu anumite aplicații, de exemplu, și dezvoltarea încrederii utilizatorilor și acceptarea regulată poate fi un proces îndelungat. Spre deosebire de comunicațiile cu lățime de bandă ridicată, în cazul în care fibra optică este tehnologia de plumb necontestat, există numeroase alte opțiuni disponibile în domeniul sensibilizării; fibră optică este rareori alegerea evidentă - deși poate fi una foarte bună.
Funcție și aplicații
Senzorii de fibră optică sunt deosebit de versatili când se bazează pe interferometre sensibile la mediul înconjurător care utilizează o arhitectură a fibrelor sau când monitorizează comportamentul sensibil la culoarea sau lungimea de undă. Prima categorie include interferometre pentru măsurarea câmpurilor de presiune dinamice (de exemplu, hidrofoane și geofoane) și interferometrul Sagnac pentru rotire; acesta din urmă cuprinde aproape tot ceea ce este spectroscopic, incluzând senzori bazați pe interacțiuni cu reactivi intermediari (de exemplu, un indicator acid / alcalin), denumiți în continuare optrozi, și măsurători spectroscopice directe în gaze, lichide și solide. Această categorie include, de asemenea, filtre spectrale sensibile la mediul înconjurător, dintre care Fiber Bragg Grating (FBG) este de departe cea mai cunoscută.
Un mecanism foarte important, dar cu mult mai puțin evident de modulare, încorporează interacțiuni inelastice între lumina incidentă, materialul fibrei în sine și mediul înconjurător al fibrei. Aceste interacțiuni, dintre care împrăștierea Raman și Brillouin sunt cele mai semnificative, produc schimbări caracteristice neliniare ale spectrelor de propagare a luminii de-a lungul fibrei în direcții directe înainte și, în esență, înapoi. Într-adevăr, capacitatea fibrelor optice de a produce backscattering previzibil deschide noi perspective pentru aplicațiile de detectare. Sistemele senzorilor care măsoară întârzierea dintre lansarea și returnarea radiațiilor spate pot fi utilizate pentru a sonda mediul de-a lungul fibrei. Aceste așa-numite tehnici de senzor distribuite sunt unice pentru tehnologia cu fibră optică.
Senzorii distribuiți facilitează măsurarea tensiunii și a temperaturii pe lungimi de interacțiune foarte lungi - la multe zeci de kilometri. Mai mult decât atât, în funcție de modul de procesare temporală a luminii lansate, câmpul de temperatură sau de temperatură poate fi rezolvat cu o precizie mai mare decât cea adecvată pe lungimea ecartamentului de ordinul unui metru sau chiar în unele sisteme. În mod similar, senzorii cu fibră optică pot fi ușor configurați în configurații multiplexate de rețele de dispozitive de măsurare punct. Fiecare dispozitiv necesită doar o sursă optică pentru a energiza rețeaua. Această abilitate de a multiplexa de obicei până la câteva sute de puncte de interogare este o altă caracteristică definitorie a senzorilor de fibră optică.
Senzori de fibră optică în practică
Domeniul de detectare este plin de tehnologii idiosincratice care se adresează aplicațiilor specializate, iar detectarea fibrelor nu face excepție. Chiar și atunci când același tip de tehnologie poate fi utilizat pentru a răspunde unei serii de nevoi, dispozitivele individuale pot varia foarte mult în funcție de aplicația specifică și de cerințele sale de precizie, stabilitate, rezoluție, volum de fabricație și o serie de alți parametri interdependenți.
Distribuția temperaturii
Ei bine, peste zeci de ani în urmă, sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) a apărut ca un sistem prototip bazat pe detectarea fibrelor (conceptul DTS este prezentat în figura de mai jos). Această sondă este capabilă să măsoare profilurile de temperatură cu o precizie de 1 ℃ și repetabilitate peste lungimea ecartamentului de 1 metru sau mai mult și lungimea totală de interogare de zeci de kilometri în timpii de măsurare de ordinul unui minut. DTS este un instrument puternic pentru măsurarea schimbărilor de temperatură în tuneluri și conducte. Multe sisteme sunt acum instalate în căi ferate subterane, tunele de autostrăzi și cuptoare industriale mari. Alte sisteme au fost amplasate în mașini electrice mari, care pot fi predispuse la supraîncălzire în condiții de defecțiune.
Principalul beneficiu al DTS este că această tehnologie este echivalentă cu multe mii de termocupluri, distanțate la intervale de 1 m de-a lungul unei structuri de măsurare extinse. Cu alte sisteme de detectare a temperaturii, cablajul electric, rețeaua și alimentarea cu energie electrică pot fi impracticabile, în special în zonele în care siguranța intrinsecă ar putea fi importantă. Cu toate acestea, cu DTS, utilizatorii pot pur și simplu să rostogolească fibra și să o atașeze într-un loc sigur. Rețelele multiplexate sunt, de asemenea, potențial foarte importante, deși nu au stabilit încă nichea comercială de care beneficiază DTS. Rețelele de FBG scrise într-o singură lungime de fibră au fost evaluate în mare măsură ca rețele de senzori de temperatură și / sau temperatură pentru monitorizarea încărcării și a condițiilor, în special în structurile compozite din fibră de carbon. Deseori denumite "structuri inteligente", aceste rețele de senzori facilitează colectarea datelor operaționale din structuri precum aeronave și poduri.
În principiu, aceste date pot fi folosite pentru a determina integritatea structurii de interes. Dar, în practică, acest lucru rămâne dificil. Desigur, cercetătorii și inginerii pot colecta date extinse, dar modul de interpretare a acestor date este subiectul unei dezbateri considerabile. Scopul este de a desemna indicatori fiabili de integritate structurală. Cu toate acestea, dezvoltarea încrederii utilizatorilor și acceptarea regulată este un proces prelungit. Monitorizarea de mediu este o altă aplicație potențială pentru sistemele multiplexate. Generarea gazului metan într-un depozit de deșeuri este un indicator important atât pentru siguranța sitului, cât și pentru progresul proceselor de descompunere anaerobe care au loc în cadrul acestuia. Un sistem de măsurare care monitorizează concentrațiile de gaz metan pe un sit cu dimensiuni de ordinul a 10 km oferă avantajul unei evaluări continue și, în consecință, îmbunătățirea funcționării, mai ales atunci când metanul - un gaz de seră extrem de activ - poate fi utilizat pentru a genera mai multe megawați de electricitate putere.
Sistemele de fibră optică care vizează această aplicație arată o promisiune enormă; ele se bazează pe celule de absorbție mici interogate utilizând legături de fibră optică unică. Pe măsură ce reglementările de mediu devin mai stricte, astfel de sisteme oferă o tehnologie potențial definitivă pentru monitorizarea operațiunilor de eliminare a deșeurilor. Folosind această abordare, sistemele multiplexate care abordează mai mult de 200 de senzori dintr-o singură sursă laser sunt fezabile. Cu toate acestea, mai degrabă ca arborii senzorilor de tensiune FBG, întrebarea ce să facă cu toate datele pe care aceste sisteme le achiziționează este perplexă. În plus, încorporarea acestui potențial de sistem în legislația de mediu și în standardele de reglementare este un proces consumator de timp.
Fibros optic
Există zone în care senzorii de fibră optică au început să se stabilească ca alegere naturală. Ele sunt extrem de competitive ca hidrofoane și geofoane, din nou în mese multiplexate. Ca element senzor individual, giroscopul cu fibră optică este, fără îndoială, cel mai de succes. (În figura de mai jos este prezentat un giroscop cu fibră optică.)
Giroscoapele măsoară rotația în spațiul inerțial; acestea sunt instrumente esențiale în sistemele de navigație și poziționare și în echipamentele de stabilizare care sunt utilizate în mod extensiv în aeronave și nave. Giroscopul cu fibră optică se bazează pe o realizare prin fibră optică a interferometrului Sagnac - care a fost demonstrat pentru aproape un secol în urmă. Ideea din spatele interferometrului Sagnac este simplă. Lumina este lansată de la un separator al fasciculului în două direcții în jurul unei buclă și bucla este rotită. În timp ce lumina se află în buclă pe rută spre spărtătorul cu fascicul luminos, lumina care se rotește în aceeași direcție ca și splitter-ul fasciculului are puțin mai departe decât lumina care se rotește în direcția distanței de fascicul. În consecință, există o mică întârziere între grinzile de lumină care se rotesc în cele două direcții la sosirea lor înapoi la splitter-ul fasciculului. Această întârziere poate fi măsurată interferometric ca o fază optică.
Realizarea acestui concept în formă de fibră optică necesită o optică elegantă și o inginerie atentă. Aproximativ un deceniu de efort a dat naștere unor instrumente precise de măsurare prin rotație, cu fiabilitate foarte mare. Această fiabilitate constă în faptul că, spre deosebire de giroscoapele mecanice (sau chiar sistemul inelar cu laser, care se bazează și pe efectul Sagnac), giroscoapele cu fibră optică nu au părți mecanice în mișcare. În plus, factorul de scalare al giroscopului cu fibră optică este independent de accelerația mecanică, spre deosebire de tehnologia mecanică a roții de filare mai bine stabilită. În plus, giroscopul cu fibră optică poate fi configurat într-o serie de versiuni diferite care abordează diverse nevoi în ceea ce privește precizia, durata de viață și toleranța la mediu. Câteva sute de mii de giroscoane cu fibră optică sunt fabricate și vândute pe an.
Un alt senzor de fibră optică cu succes, care a găsit aplicații extinse în ingineria civilă, este SOFO (un acronim francez pentru structurile de monitorizare utilizând fibre optice ). Acest interferometru Michelson cu fibră de lumină albă acționează ca un extensometru de precizie peste lungimea ecartamentului de până la câțiva zeci de metri, cu stabilitate pe termen lung și o citire mecanică de precizie măsurată în microni.
Stimularea împrăștierii Brillouin a fost utilizată pentru măsurarea tensiunii distribuite, în special pe cablurile de comunicații optice instalate în zonele predispuse la cutremure. În biomedicină, succesul sistemelor in vivo - de a evalua, de exemplu, sucurile gastrice la om - au devenit instrumente utile de diagnosticare. Există multe altele.
Viitorul senzorilor de fibră optică
Senzorii de fibră optică continuă să fie fascinați. Ca și în alte domenii ale fotonicii, cercetătorii sunt încântați de perspectiva formării de noi tehnologii în contextul de detectare și instrumentație. Fotogramele și fibrele de cristal fotonice arată interesant - deși cercetătorii au început abia să-și dea seama cum să interpreteze aceste perspective în mediul senzor-sistem oarecum ortogonal. Laserele de mare putere, bazate pe tehnologia cu fibră optică, permit o caracterizare neliniară deosebit de inovatoare a materialelor. Conul cu fibră optică va fi, fără îndoială, reapărut ca o probă pentru examinarea structurilor pe scară microscopică sau chiar nanoscopică.
Inovațiile în materie de calcul și disponibilitatea unei capacități extinse de gestionare a datelor vor contribui, de asemenea, la îmbunătățirea capacității noastre de a interpreta datele din rețele mari de senzori similari și la combinații utile de senzori complementari. Există, de asemenea, oportunități cu sisteme micro-electromecanice optice, deși acestea nu au încă de făcut marca lor ca tehnologii bazate pe fibră optică. Exploatarea tehnologiei senzorilor cu fibre optice va continua să se extindă, încet, dar în mod constant. În paralel, comunitatea de cercetare va continua să investigheze noi instrumente și să caute ocazii de a le aplica.
