Száloptikai érzékelők alkalmazása és előrehaladása
Háttér
Az elmúlt évtizedekben a száloptikai technológia forradalmasította a távközlési iparágat, lehetővé téve a nagy kapacitású, hosszú távú kommunikációt és a hálózatépítést, amely meglehetősen alacsony költségekkel jár. A száloptika számos más alkalmazásban is fontos szerepet játszott: ezeket a fényt a precíziós jelöléshez és vágáshoz használták; praktikus, nagy teljesítményű, nagy koherencia lézerforrásként; képalkotó rendszerek számára; és a hozzáférhetetlen helyeken történő megvilágítás eszközeként - nem is beszélve a megkérdőjelezhető ízű mesterséges karácsonyfákról (amelyek bizonyára megjelentek laboratóriumunkban az ünnepi szezonban).
Még a száloptika még a távközlési iparágban is nagyszerűvé tette, a száloptikai technológia ígéretesnek bizonyult az ipari és környezeti érzékelés területén. A több évtizedes kutatás most már biztonságos, pontos szálalapú mérőeszközökké alakul, beleértve a giroszkópokat, a hőmérséklet-szondákat, a hidrofonokat és a kémiai monitorokat. Valójában a száloptikás érzékelők mindenhol alkalmazzák a vasutakat, az alagutakat és a hidakat az ipari kemencékre és a hulladékkezelő rendszerekre.
A sokrétű technológiának egy másik izgalmas növekedési területe a száloptika - az optikai és száloptikai alkalmazások alkalmazása ipari és környezeti érzékelő alkalmazásokhoz. Például ez az egyetlen fegyelem a szélesebb értelemben vett érzékelési területen, melynek saját energetikai sorozata van. Ezeken a találkozókon a kutatók leírták a vércukorszinttől a gravitációs hullámokig terjedő mindent mérő technikákat. Néhány ötlet a laboratóriumból való ugrást az érzékelőtechnológia rendkívül versenyképes piacára tette. A száloptika alkalmazása az alkalmazások érzékeléséhez valójában a kommunikációs hálózatokban való alkalmazás előtti. A 60-as évek közepén kezdődött a „Fotonic” érzékelő, egy csomag alapú eszköz, amely a távolságot és az elmozdulást méri, különösen a szerszámgépiparban. Bár a Fotonic egy rövid karrierlehetőségű tökéletlen technológia volt, a szenzor mögötti ötlet a kutatóközösség képzeletét vette fel.
Száloptikai érzékelők bevezetése
mechanizmus
Az alapmechanizmus egyszerű (az alábbi ábrán látható): A fényt egy optikai szálba táplálja; gondoskodjon arról, hogy a fényt a kívánt paraméterrel való kölcsönhatása alapján moduláljuk; majd továbbítja a modulált fényt egy megfigyelési pontra. Különböző módok vannak arra, hogy minden egyes lépést megtegyünk - különösen a fény modulálására használt megközelítést -, de ez a technológia lényege.
Előnyök
A száloptikai érzékelők számos előnnyel rendelkeznek más érzékelési technikákkal szemben. Talán a legfontosabb, hogy ezek az érzékelők az elektromágneses felvételektől mentesek, és nagyon hosszú távolságokra érhetők el a szálhálózatokon keresztül - néha tíz kilométerre. A szálak is veszélyesek a veszélyes környezetben. Emellett kémiailag passzívak, kis fizikai méretekkel rendelkeznek, és mechanikusan kompatibilisek számos operációs környezettel.
hátrányai
Ezek az érzékelők elkerülhetetlenül hátrányosak. Bizonyos alkalmazások esetében nehéz az adatok értelmezése, és a felhasználók bizalmának és szabályozási elfogadásának fejlesztése hosszú folyamat lehet. A nagy sávszélességű kommunikációval ellentétben, ahol a száloptika a vitathatatlan ólomtechnológia, számos más lehetőség áll rendelkezésre az érzékelés területén; a száloptika ritkán a nyilvánvaló választás - bár nagyon jó lehet.
Funkciók és alkalmazások
A száloptikás érzékelők különösen sokoldalúak, ha olyan környezetre érzékeny interferométereken alapulnak, amelyek szál architektúrát használnak, vagy a színárnyalat hullámhossz-érzékeny viselkedését figyelik. Az előbbi kategória magában foglalja a dinamikus nyomásmezők (például hidrofonok és geofonok) mérésére szolgáló interferométereket és a rotációs Sagnac interferométert; az utóbbiak szinte mindent spektroszkópiai, beleértve a közbenső reagensekkel való kölcsönhatásokon alapuló szenzorokat (például sav / lúgos indikátor), amelyeket optródoknak neveznek, és közvetlen spektroszkópiai méréseket végeznek gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban. Ez a kategória magában foglalja a környezeti szempontból érzékeny spektrális szűrőket is, amelyek közül a Fiber Bragg rács (FBG) messze a legismertebb.
Egy nagyon fontos - de sokkal kevésbé nyilvánvaló - modulációs mechanizmus magában foglalja az inaktív interakciókat a beeső fény, maga a szál anyaga és a rostot körülvevő környezet között. Ezek a kölcsönhatások, amelyek közül a Raman és a Brillouin szétterjedése a legjelentősebb, jellemzõ nemlineáris változásokat hoznak létre a szál mentén terjedõ fény spektrumában mind az elõre, mind pedig a visszafelé irányban. Valójában az optikai szálak képesek kiszámítható visszafelé történő elterjedésének új lehetőségeket nyitni az érzékelési alkalmazások számára. Azok a szenzor rendszerek, amelyek mérhetik a visszaszolgáltatott sugárzás indítása és visszatérése közötti időeltolódást, felhasználhatók a környezet szondájának érzékelésére a szál mentén. Ezek az úgynevezett elosztott érzékelő technikák egyedülállóak a száloptikai technológiára.
Az elosztott érzékelők megkönnyítik a törzs és a hőmérséklet mérését nagyon hosszú interakciós hosszon - több tíz kilométerig. Ezen túlmenően, az indított fény időbeli feldolgozási modulációjától függően, a feszültség vagy a hőmérséklet mező több mint megfelelő mérési pontossággal oldható meg 1 méteres nagyságrendű vagy bizonyos rendszereknél. Hasonlóképpen, a száloptikás érzékelők könnyen konfigurálhatók pontmérő eszközök tömbjeinek multiplexelt konfigurációjába. Minden eszköz csak egy optikai forrást igényel a hálózat bekapcsolásához. A száloptikás szenzorok másik meghatározó jellemzője, hogy ez a képesség, hogy jellemzően akár néhány száz lekérdezési pontot multiplexeljen.
Száloptikai érzékelők a gyakorlatban
Az érzékelés területe olyan speciális technológiákkal büszkélkedhet, amelyek a speciális alkalmazásokra irányulnak, és a szálérzékelés nem kivétel. Még akkor is, ha ugyanazt a technológiát lehet használni a különböző igények kezelésére, az egyes eszközök nagymértékben eltérhetnek az adott alkalmazástól és a pontosságtól, a stabilitástól, a felbontástól, a gyártási mennyiségtől és számos más egymástól függő paramétertől függően.
Elosztott hőmérséklet érzékelés
Jól évtizedekkel ezelőtt a Raman elosztott hőmérsékletérzékelő (DTS) szondája a szálérzékelésen alapuló prototípusrendszerként jött létre (a DTS koncepció az alábbi ábrán látható). Ez a szonda képes mérni az 1 ℃ pontosságú és 1 méteres átmérőjű pontosságú hőmérsékletprofilokat és a tíz kilométeres teljes kihallgatás hosszát mérési időkben percenkénti sorrendben. A DTS egy hatékony eszköz az alagutak és a csővezetékek hőmérsékletváltozásának mérésére. Számos rendszer telepítve van a földalatti vasutakon, az autópálya alagutakban és a nagy ipari kemencékben. Más rendszerek nagy elektromos gépekbe kerültek, amelyek hibás körülmények között hajlamosak a túlmelegedésre.
A DTS fő előnye, hogy ez a technológia több ezer termoelemnek felel meg, amelyek 1 m-es távolságokkal vannak elhelyezve egy kiterjesztett mérési szerkezet mentén. Más hőmérsékletérzékelő rendszereknél az elektromos vezetékek, a hálózatépítés és a tápellátás lehetetlen lehet, különösen olyan területeken, ahol a belső biztonság fontos lehet. A DTS-ben azonban a felhasználók egyszerűen kiszerelhetik a rostot, és biztonságos helyen rögzíthetik. A multiplexelt hálózatok szintén potenciálisan nagyon fontosak, bár még nem kellett létrehozniuk a DTS által használt kereskedelmi rést. Az egyetlen szálhosszon írt FBG-hálózatokat széles körben értékelték a terhelés és állapotfigyeléshez szükséges feszültség- és / vagy hőmérséklet-érzékelők tömbjeiként, különösen szénszálas kompozit szerkezetekben. Gyakran „intelligens struktúráknak” nevezik ezeket a szenzoros tömböket, amelyek megkönnyítik a működési adatok gyűjtését olyan szerkezetekből, mint a repülőgépek és a hidak.
Elvileg ezek az adatok felhasználhatók az érdeklődésre számot tartó szerkezet integritásának meghatározására. De a gyakorlatban ez nehézkes marad. Természetesen a kutatók és a mérnökök kiterjedt adatokat gyűjthetnek, de ezeknek az adatoknak a értelmezése jelentős vita tárgyát képezi. A cél a strukturális integritás megbízható mutatóinak megjelölése. A felhasználói bizalom fejlesztése és a szabályozási elfogadás azonban elhúzódó folyamat. A környezeti monitoring egy újabb potenciális alkalmazás a multiplexelt rendszerek számára. A metángáz előállítása a hulladéklerakóban fontos mutatója mind a helyszín biztonságának, mind a benne zajló anaerob bomlási folyamatok előrehaladásának. Egy olyan mérőrendszer, amely a metángáz-koncentrációkat 10 km-es mérettel rendelkező helyszínen figyeli, a folyamatos értékelés és ennek következtében javított működés előnyeit szolgálja, különösen akkor, ha a metánt - rendkívül aktív üvegházhatást okozó gázot - több megawatt elektromos áram előállítására lehet használni. erő.
Az erre az alkalmazásra irányuló száloptikai rendszerek óriási ígéretet mutatnak; Ezek az egymódú szálkötésekkel kipróbált kis abszorpciós sejteken alapulnak. Mivel a környezetvédelmi előírások szigorodnak, az ilyen rendszerek potenciálisan határozott technológiát kínálnak a hulladék ártalmatlanítási műveletek ellenőrzésére. Ezzel a megközelítéssel megvalósíthatóak olyan multiplexelt rendszerek, amelyek egyetlen lézerforrásból több mint 200 érzékelővel foglalkoznak. Az FBG törzsérzékelő tömbökhöz hasonlóan azonban az a kérdés, hogy mi a teendő az összes olyan rendszerrel, amit ezek a rendszerek szereznek, zavaró. Ezen túlmenően a rendszer potenciáljának a környezetvédelmi jogszabályokba és szabályozási normákba történő beépítése időigényes folyamat.
Száloptikai giroszkóp
Vannak olyan területek, ahol a száloptikás érzékelők kezdték magukat a természetes választásnak megalapozni. Ezek rendkívül versenyképesek, mint hidrofonok és geofonok, ismételten multiplexelt tömbökben. Egyéni érzékelőelemként a száloptikás giroszkóp vitathatatlanul a legsikeresebb. (Az alábbi ábrán egy száloptikás giroszkóp látható.)
A giroszkópok az inerciatérben a forgást mérik; ezek a navigációs és helymeghatározó rendszerek, valamint a repülőgépek és hajók széles körben használt stabilizáló berendezései. A száloptikás giroszkóp a Sagnac interferométer száloptikai megvalósításán alapul, amelyet először csaknem egy évszázada mutatott be. A Sagnac interferométer mögötti ötlet egyszerű. A fényt egy sugárosztóból indítjuk a hurok körül két irányban, és a hurkot elforgatjuk. Miközben a fény a hurokban van a gerenda-elosztó felé, a fény ugyanabban az irányban forog, mint a fénysugárzó, annál messzebb van, mint a fénysugárzó irányába forgó fény. Ebből következően a két irányban forgó fénysugarak között egy kis késleltetés érhető el, amikor a sugármegosztóhoz visszajönnek. Ez a késleltetés interferometriásan mérhető optikai fázisként.
Ennek a koncepciónak a megvalósítása a száloptikai formában néhány elegáns optikát és gondos tervezést igényel. Körülbelül egy évtizedes erőfeszítés nagyon precíz forgási mérőeszközöket eredményezett, nagyon megbízható. Ez a megbízhatóság abban rejlik, hogy a mechanikus giroszkópokkal ellentétben (vagy akár a Sagnac hatásán alapuló gyűrűs lézerrendszer) a száloptikás giroszkópok nem rendelkeznek mechanikus mozgó alkatrészekkel. Ezen túlmenően a száloptikás giroszkóp méretaránya független a mechanikus gyorsulástól, ellentétben a megalapozottabb mechanikus forgó kerék technológiával. Továbbá, a száloptikás giroszkóp számos különböző változatban konfigurálható, amelyek a különböző pontossági, élettartamú és környezeti toleranciákra vonatkoznak. Több százezer száloptikás giroszkóp gyártása és értékesítése évente.
Egy másik sikeres száloptikai érzékelő, amely széles körű alkalmazást talált a mérnöki munkákban, a SOFO (egy francia betűszó az optikai szálak felhasználásával működő felügyeleti struktúrákhoz ) rendszer. Ez a fehér fényszálas Michelson interferométer precíz extenzométerként működik, mint a mérőhosszúság néhány tíz méterig, hosszú távú stabilitással és mikrométerben mért precíziós mechanikai leolvasással.
Az elosztott feszültségméréshez a stimulált Brillouin-szórást alkalmazták, leginkább a földrengés-veszélyeztetett területeken telepített száloptikai kommunikációs kábeleken. A biomedicinában a sikeres in vivo rendszerek - például az emberi gyomornedvek értékelésére - hasznos diagnosztikai eszközökké váltak. Sokan vannak.
A száloptikai érzékelők jövője
A száloptikai érzékelők továbbra is lenyűgözőek. Mint a fotonika más területein, a kutatók izgatottak, hogy az új technológiák az érzékelési és műszeres kontextusba kerülnek. A fotonikus kristályok és a fotonikus kristályszálak érdekesnek tűnnek - bár a kutatók alig kezdték el kitalálni, hogyan értelmezhetik ezeket a kilátásokat a kissé ortogonális szenzor-rendszer környezetbe. A száloptikai technológián alapuló nagy teljesítményű lézerek különösen innovatív, nemlineáris anyagok jellemzését teszik lehetővé. A száloptikás kúp kétségtelenül ismétlődik mint szonda a mikroszkopikus vagy akár nanoszkópos szerkezetek szerkezetének vizsgálatára.
A számítástechnika innovációi és a kiterjesztett adatkezelési képességek elérhetősége szintén hozzájárul ahhoz, hogy képesek legyünk a hasonló érzékelők nagy tömbjeiből származó adatokat értelmezni és a kiegészítő érzékelők hasznos kombinációit eredményezzék. Az optikai mikro-elektromechanikus rendszerekkel is rendelkeznek, bár ezek még nem szálas szenzor technológiákként jelennek meg. A száloptikás szenzor-technológia kihasználása továbbra is lassan, de folyamatosan bővül. Ezzel párhuzamosan a kutatóközösség folyamatosan vizsgálja az új eszközöket, és keresi a lehetőségeket azok alkalmazására.
