Anvendelser og fremskridt af fiberoptiske sensorer
Baggrund
I løbet af de sidste årtier har fiberoptisk teknologi revolutioneret telekommunikationsindustrien, hvilket muliggør høj kapacitet, langdistancekommunikation og netværk til svimlende lave omkostninger. Fiberoptik har også spillet vigtige roller i adskillige andre anvendelser: De har været brugt til at levere lys til præcision mærkning og skæring; som en praktisk, høj effekt, høj kohærens laser kilde; til billeddannelsessystemer; og som et middel til at give belysning på utilgængelige steder - for ikke at nævne for kunstige juletræer af tvivlsom smag (som i øvrigt har vist sig i vores laboratorium i højsæsonen).
Selv før fiberoptik gjorde det stort inden for telekomindustrien, viste fiberoptisk teknologi løfte inden for industriel og miljømæssig analyse. Decennier af forskning oversættes nu til sikre, præcise fiberbaserede måleinstrumenter, herunder gyroskoper, temperaturprober, hydrofoner og kemiske skærme. Faktisk finder fiberoptiske sensorer anvendelse overalt fra jernbaner, tunneller og broer til industrielle ovne og affaldsdeponeringssystemer.
Fiber sensing-brugen af fiberoptik til industrielle og miljømæssige sensing applikationer-er et andet spændende vækstområde for denne alsidige teknologi. Det er for eksempel den eneste disciplin inden for det bredere felt af sensing, der har sin egen energiske serie af konferencer. På disse møder har forskere beskrevet potentielle teknikker til måling af alt fra blodsukkerniveauer til tyngdebølger. Nogle ideer har gjort springet fra laboratoriet til det stærkt konkurrenceprægede marked for sensorteknologi. Brugen af fiberoptik til sensing applikationer foregår faktisk i sine applikationer i kommunikationsnet. Det startede med udviklingen i midten af 1960'erne af "Fotonic" -sensoren, en bundtbaseret enhed, der måler afstand og forskydning, især i maskinværktøjsindustrien. Selv om Fotonic var en ufuldkommen teknologi med en kort karriere, tog tanken bag sensoren fantasien fra forskningsmiljøet.
Introduktion af fiberoptiske sensorer
Mekanisme
Den grundlæggende mekanisme er enkel (vist i figuren herunder): Indlæs lys i en optisk fiber; sørge for, at lyset moduleres ud fra dets interaktion med parameteren af interesse; og send det modulerede lys tilbage til et overvågningspunkt. Der er forskellige måder at gå om hvert trin - især den metode, der bruges til at modulere lyset - men det er essensen af teknologien.
Fordele
Fiberoptiske sensorer tilbyder mange fordele i forhold til andre sensorteknikker. Måske er det mest vigtigt, at disse sensorer er immune over for elektromagnetisk afhentning og kan nås via fiberforbindelserne i meget lange afstande - nogle gange strækker sig de over ti millioner kilometer. Fibrene er også egentlige sikre i farlige miljøer. Derudover er de kemisk passive, har små fysiske dimensioner og er mekanisk kompatible med en række driftsmiljøer.
Ulemper
Uundgåeligt har disse sensorer også ulemper. Data fortolkning er vanskelig med visse applikationer, for eksempel, og at udvikle brugernes tillid og regulering accept kan være en lang proces. I modsætning til kommunikation med højbåndsbredde, hvor fiberoptik er den ubestridte ledende teknologi, er der mange andre muligheder til rådighed inden for sensing; Fiberoptik er sjældent det oplagte valg - selvom det kan være en meget god.
Funktion og applikationer
Fiberoptiske sensorer er særligt alsidige, når de er baseret på miljøfølsomme interferometre, der bruger en fiberarkitektur, eller når man overvåger farvebølgelængdefølsom adfærd. Den tidligere kategori omfatter interferometre til måling af dynamiske trykfelter (f.eks. Hydrofoner og geofoner) og Sagnac-interferometeret til rotation; sidstnævnte omfatter næsten alt spektroskopisk, herunder sensorer baseret på interaktioner med intermediære reagenser (for eksempel en syre / alkaliindikator), der omtales som optroder- og direkte spektroskopiske målinger i gasser, væsker og faste stoffer. Denne kategori omfatter også miljøfølsomme spektrale filtre, hvoraf Fiber Bragg Grating (FBG) er langt den mest kendte.
En meget vigtig - men langt mindre indlysende-moduleringsmekanisme inkorporerer uelastiske interaktioner mellem det indfaldende lys, selve fibermaterialet og omgivelserne omkring fiberen. Disse interaktioner, hvoraf Raman og Brillouin-spredning er den mest betydningsfulde, frembringer karakteristiske, ikke-lineære ændringer i lysets spektre, der formeres langs fiberen i både fremadrettede og afgørende retninger bagud. Faktisk kan optiske fibers evne til at producere forudsigelig backscattering åbne nye udsigter til sensing applikationer. Sensorsystemer, som kan måle tidsforsinkelsen mellem lancering og retur af backscattered stråling, kan bruges til at sonde miljøet langs fiberen. Disse såkaldte distribuerede sensorteknikker er unikke for fiberoptisk teknologi.
Distribuerede sensorer letter målinger af belastning og temperatur over meget lange interaktionslængder-til mange tiere kilometer. Afhængig af den tidsmæssige behandlingsmodulering på det lancerede lys kan belastnings- eller temperaturfeltet desuden løses med mere end tilstrækkelig præcision over måle længder i størrelsesordenen 1 meter eller i nogle systemer endnu mindre. Tilsvarende kan fiberoptiske sensorer let konfigureres i multipleksede konfigurationer af arrays af punktmåleindretninger. Hver enhed kræver kun en optisk kilde til at aktivere netværket. Denne evne til multiplex typisk op til et par hundrede forhørspunkter er et andet definerende træk ved fiberoptiske sensorer.
Fiberoptiske sensorer i praksis
Sensorområdet er overflodigt med idiosynkratiske teknologier, der adresserer specialiserede applikationer, og fiberføling er ingen undtagelse. Selv når den samme type teknologi kan bruges til at imødekomme en række behov, kan de enkelte enheder variere meget afhængigt af den specifikke applikation og dens krav til nøjagtighed, stabilitet, opløsning, produktionsvolumen og en lang række andre indbyrdes afhængige parametre.
Distribueret temperaturføling
For mere end årtier siden kom Ramans Distributed Temperature Sensing (DTS) sonde frem som et prototypesystem baseret på fiberføling (DTS-konceptet er vist i figuren nedenfor). Denne sonde er i stand til at måle temperaturprofiler med en 1 ℃ nøjagtighed og repeterbarhed over gauge længder på 1 meter eller deromkring og samlede forespørgselslængder på tiere kilometer i målingstider i rækkefølge af et minut. DTS er et kraftfuldt værktøj til måling af temperaturændringer i tunneller og rørledninger. Mange systemer er nu installeret i underjordiske jernbaner, motorveje og store industrielle ovne. Andre systemer er placeret i store elektriske maskiner, som kan være tilbøjelige til at overophedes under fejlforhold.
Hovedfordelen ved DTS er, at denne teknologi svarer til mange tusinde termoelementer, der er indbyrdes adskilt i intervaller på 1 m langs en udvidet målestruktur. Med andre temperatursensorer kan elektriske ledninger, netværk og strømforsyning være upraktiske, især i områder hvor egen sikkerhed kan være vigtig. Men med DTS kan brugerne blot rulle fiberen ud og fastgøre den på et sikkert sted. Multiplexede netværk er også potentielt meget vigtige, selv om de endnu ikke har etableret den kommercielle niche, der nyder DTS. Netværk af FBG'er skrevet i en enkelt fiberlængde er blevet evalueret i stor udstrækning som arrays af belastnings- og / eller temperatursensorer til overvågning af belastning og tilstand, især i carbonfiberkompositstrukturer. Disse typer af sensorer kaldes ofte som "klare strukturer" og gør det lettere at samle operationelle data fra strukturer som fly og broer.
Disse data kan i princippet anvendes til at bestemme integriteten af interessestrukturen. Men i praksis forbliver det vanskeligt. Visse forskere og ingeniører kan helt sikkert samle omfattende data, men hvordan man fortolker disse data er genstand for en betydelig debat. Målet er at angive pålidelige indikatorer for strukturel integritet. Imidlertid er udviklingen af brugernes tillid og regulering accept en langvarig proces. Miljøovervågning er endnu en potentiel ansøgning til multiplexede systemer. Frembringelsen af metangas på et deponeringssted er en vigtig indikator for både sikkerheden på stedet og udviklingen af de anaerobe nedbrydningsprocesser, der finder sted indenfor den. Et målesystem, der overvåger metangasekoncentrationer over et sted med dimensioner i størrelsesordenen 10 km, giver fordel for løbende vurdering og dermed forbedret drift, især når metan-en ekstremt aktiv drivhusgas kan bruges til at generere flere megawatt elektriske strøm.
Fiberoptiske systemer, der er målrettet mod denne applikation, viser et stort løfte; de er baseret på små absorptionsceller forhørt ved brug af single-mode fiberforbindelser. Da miljøbestemmelserne bliver strammere, tilbyder sådanne systemer en potentielt endelig teknologi til overvågning af affaldshåndteringsoperationer. Ved hjælp af denne fremgangsmåde er multipleksede systemer, der adresserer mere end 200 sensorer fra en enkelt laser kilde, mulige. Men snarere som FBG-stammen sensor arrays, spørgsmålet om hvad man skal gøre med alle de data, som disse systemer erhverver er forvirrende. Desuden er indarbejdelse af dette systempotentiale i miljølovgivning og reguleringsstandarder en tidskrævende proces.
Fiberoptisk Gyroskop
Der er områder, hvor fiberoptiske sensorer er begyndt at etablere sig som det naturlige valg. De er yderst konkurrencedygtige som hydrofoner og geofoner, igen i multiplekset arrayer. Som et individuel sensorelement er det fiberoptiske gyroskop uden tvivl det mest succesfulde. (Et fiberoptisk gyroskop er vist i figuren herunder.)
Gyroskoper måler rotation i inertionsrummet; de er vigtige instrumenter i navigations- og positionssystemer og i stabiliseringsudstyret, der anvendes i vid udstrækning i fly og skibe. Fiberoptisk gyroskop er baseret på en fiberoptisk realisering af Sagnac-interferometeret, som først blev demonstreret for næsten et århundrede siden. Ideen bag Sagnac interferometeret er simpel. Lyset lanceres fra en strålesplitter i to retninger rundt om en sløjfe, og sløjfen roteres. Mens lyset er i løkken undervejs tilbage til strålesplitteren, har lyset, der roterer i samme retning som strålesplitteren, lidt længere at gå end lyset, som roterer imod stråleplitterens retning. Følgelig er der en lille tidsforsinkelse mellem lysstrålerne, som roterer i de to retninger ved deres ankomst tilbage ved strålesplitteren. Denne tidsforsinkelse kan måles interferometrisk som en optisk fase.
Realiseringen af dette koncept i fiberoptisk form kræver nogle elegante optik og omhyggelig teknik. Ca. et årti af indsatsen har givet meget præcise roterende måleinstrumenter med meget høj pålidelighed. Denne pålidelighed skyldes, at fiberoptiske gyroskoper i modsætning til mekaniske gyroskoper (eller endda ringlasersystemet, der også er baseret på Sagnac-effekten) ikke har mekaniske bevægelige dele. Derudover er skalaen for fiberoptisk gyroskop uafhængig af mekanisk acceleration i modsætning til den mere etablerede mekaniske spinhjulsteknologi. Desuden kan det fiberoptiske gyroskop konfigureres i en lang række forskellige versioner, der dækker forskellige behov med hensyn til nøjagtighed, levetid og miljømæssig tolerance. Flere hundrede tusinde fiberoptiske gyroskoper fremstilles og sælges om året.
En anden vellykket fiberoptisk sensor, som har fundet omfattende anvendelse inden for anlægsarbejde, er SOFO (et fransk akronym for overvågningsstrukturer ved brug af optiske fibre ). Dette Michelson interferometer med hvidt lys fiber fungerer som et præcisions extensometer over måleværdier op til nogle få ti meter med langvarig stabilitet og en præcisions mekanisk aflæsning målt i mikroner.
Stimuleret Brillouinspredning er blevet brugt til distribueret belastningsmåling, især på installerede fiberoptiske kommunikationskabler i jordskælv-tilbøjelige områder. I biomedicin er vellykkede in vivo systemer - for at evaluere mavesaftene hos mennesker - for eksempel blevet etableret som nyttige diagnostiske værktøjer. Der er mange andre.
Fremtiden for Fiber Optic Sensors
Fiberoptiske sensorer fortsætter med at fascinere. Som i andre områder af fotonik er forskere spændte på udsigten til at støbe ny teknologi i sensing og instrumentering sammenhæng. Fotografiske krystaller og fotoniske krystalfibre ser interessant ud - selvom forskere næsten ikke har fundet ud af hvordan man kan fortolke disse udsigter til det noget ortogonale sensor-system-miljø. High-power lasere baseret på fiberoptisk teknologi muliggør særlig innovativ ikke-lineær karakterisering af materialer. Fiberoptisk aftagning vil uden tvivl komme frem igen som en sonde for at undersøge strukturer på den mikroskopiske eller endda nanoskopiske skala.
Innovationer i databehandling og tilgængeligheden af udvidet databehandlingsfunktion vil også bidrage til at forbedre vores evne til at fortolke data fra store arrayer af lignende sensorer og føre til nyttige kombinationer af komplementære sensorer. Der er også muligheder med optiske mikroelektromekaniske systemer, selv om disse endnu ikke har fået deres karakter som fiberbaserede sensorteknologier. Udnyttelse af fiberoptisk sensorteknologi vil fortsætte med at udvide, langsomt men støt. Parallelt vil forskningsmiljøet fortsætte med at undersøge nye værktøjer og søge muligheder for at anvende dem.
