Primjena i napredak optičkih senzora
pozadina
Tijekom proteklih desetljeća tehnologija optičkih vlakana dovela je do revolucije u telekomunikacijskoj industriji, omogućujući komunikacije velikog kapaciteta, međugradske veze i umrežavanje uz nevjerojatno niske troškove. Optička vlakna su također odigrala važnu ulogu u brojnim drugim primjenama: korištena su za isporuku svjetla za precizno označavanje i rezanje; kao praktični laserski izvor velike snage, visoke koherencije; za slikovne sustave; i kao sredstvo za osvjetljavanje na nepristupačnim mjestima - da ne spominjemo umjetna božićna drvca upitnog okusa (koja su se, doduše, pojavila u našem laboratoriju tijekom svečane sezone).
Čak i prije nego što je optička vlakna postala velika u telekomunikacijskoj industriji, tehnologija optičkih vlakana pokazivala je obećanja u području industrijskog i ekološkog senzorstva. Desetljeća istraživanja sada se pretvaraju u sigurne, precizne mjerne instrumente na bazi vlakana, uključujući žiroskop, temperaturne sonde, hidrofone i kemijske monitore. Doista, svjetlovodni senzori pronalaze aplikacije svugdje od željeznica, tunela i mostova do industrijskih peći i sustava za odlaganje otpada.
Osjetljivost vlakana - korištenje optičkih vlakana za industrijske i ekološke primjene - još je jedno uzbudljivo područje rasta za ovu svestranu tehnologiju. To je, na primjer, jedina disciplina unutar šireg područja osjetila koja ima svoj vlastiti energetski niz konferencija. Na tim sastancima, istraživači su opisali potencijalne tehnike za mjerenje svega, od razine šećera u krvi do gravitacijskih valova. Neke ideje učinile su skok od laboratorija do visoko konkurentnog tržišta senzorske tehnologije. Korištenje optičkih vlakana za očitavanje aplikacija zapravo prethodi primjeni u komunikacijskim mrežama. Počeo je s razvojem, sredinom 1960-ih, "Fotonic" senzora, uređaja baziranog na svežnju koji mjeri udaljenost i pomak, posebno u industriji alatnih strojeva. Iako je Fotonic bio nesavršena tehnologija s kratkom karijerom, ideja iza senzora zaokupila je maštu istraživačke zajednice.
Uvođenje optičkih senzora
Mehanizam
Osnovni mehanizam je jednostavan (prikazan na donjoj slici): Dovodi svjetlo u optičko vlakno; organizirati da se svjetlo modulira na temelju njegove interakcije s parametrom od interesa; i zatim prenijeti modulirano svjetlo natrag na mjesto praćenja. Postoje različiti načini za svaki korak - posebno za modulaciju svjetla - ali to je suština tehnologije.
prednosti
Svjetlovodni senzori nude mnoge prednosti u odnosu na druge tehnike očitavanja. Možda je najvažnije, ovi senzori su imuni na elektromagnetsko hvatanje i mogu im se pristupiti kroz vlaknaste veze za vrlo velike udaljenosti - ponekad se protežu do nekoliko desetaka kilometara. Vlakna su također sama po sebi sigurna u opasnim uvjetima. Osim toga, oni su kemijski pasivni, imaju male fizičke dimenzije i mehanički su kompatibilni s mnoštvom operativnih okruženja.
Nedostaci
Neizbježno, ovi senzori također imaju nedostatke. Interpretacija podataka je teška s određenim aplikacijama, na primjer, i razvoj povjerenja korisnika i regulatorno prihvaćanje može biti dugotrajan proces. Za razliku od visokofrekventnih komunikacija, gdje je optička vlakna neosporna tehnologija olova, postoje brojne druge opcije dostupne u području osjetila; optičko vlakno je rijetko očigledan izbor - iako može biti vrlo dobar.
Funkcija i aplikacije
Svjetlovodni senzori su posebno svestrani kada se temelje na interferometrima osjetljivim na okoliš koji koriste arhitekturu vlakana ili kada nadziru ponašanje osjetljivo na valnu duljinu. Prva kategorija uključuje interferometre za mjerenje dinamičkih polja tlaka (npr. Hidrofoni i geofoni) i interfejsar Sagnac za rotaciju; potonji obuhvaća gotovo sve spektroskopske, uključujući senzore temeljene na interakcijama s intermedijarnim reagensima (na primjer, indikator kiselina / lužina) - često se naziva optrodes - i izravnim spektroskopskim mjerenjima u plinovima, tekućinama i krutim tvarima. U ovu kategoriju spadaju i spektralni filteri osjetljivi na okoliš, od kojih je najpoznatiji Fibre Bragg rešetka (FBG).
Vrlo važan - ali daleko manje očigledan - modulacijski mehanizam uključuje neelastične interakcije između upadne svjetlosti, materijala samog vlakna i okoline koja okružuje vlakno. Ove interakcije, od kojih su Ramanovo i Brillouinovo raspršivanje najznačajnije, stvaraju karakteristične nelinearne promjene spektara svjetlosti koja se širi duž vlakana u oba smjera naprijed i, što je najvažnije, unatrag. Doista, sposobnost optičkih vlakana da proizvede predvidljivo povratno raspršenje otvara nove izglede za primjene osjetila. Senzorski sustavi koji mogu mjeriti vremensko kašnjenje između lansiranja i vraćanja povratno raspršenog zračenja mogu se koristiti za ispitivanje okoline uzduž vlakna. Ove takozvane tehnike distribuiranih senzora jedinstvene su za tehnologiju optičkih vlakana.
Distribuirani senzori olakšavaju mjerenje naprezanja i temperature na vrlo dugim interakcijskim duljinama - na nekoliko desetaka kilometara. Štoviše, ovisno o modulaciji vremenske obrade na lansiranom svjetlu, polje naprezanja ili temperature može se riješiti s više nego adekvatnom preciznošću preko mjernih duljina reda veličine 1 metar, ili u nekim sustavima još manje. Slično tome, svjetlovodni senzori mogu se lako konfigurirati u multipleksirane konfiguracije nizova uređaja za mjerenje točaka. Svakom uređaju potreban je samo jedan optički izvor za napajanje mreže. Ta sposobnost multipleksiranja tipično do nekoliko stotina ispitnih točaka je još jedna od značajki optičkih senzora.
Optički senzori u praksi
Područje osjetila je prepuna idiosinkratskih tehnologija koje se bave specijalističkim aplikacijama, a senzori vlakana nisu iznimka. Čak i kada se ista vrsta tehnologije može koristiti za rješavanje niza potreba, pojedinačni uređaji mogu se uvelike razlikovati ovisno o specifičnoj primjeni i zahtjevima točnosti, stabilnosti, razlučivosti, volumena proizvodnje i nizu drugih međusobno ovisnih parametara.
Distribuirano mjerenje temperature
Prije više desetljeća, Ramanova sonda za raspodjelu temperature (DTS) pojavila se kao prototipni sustav baziran na optičkom senzoru (koncept DTS prikazan je na slici dolje). Ova sonda može mjeriti temperaturne profile s točnošću od 1 repeat i ponovljivošću iznad mjerne duljine od jednog metra i ukupne duljine ispitivanja od nekoliko desetaka kilometara u mjernim vremenima od jedne minute. DTS je moćan alat za mjerenje promjena temperature u tunelima i cjevovodima. Mnogi sustavi su sada instalirani u podzemnim željeznicama, tunelima za autoceste i velikim industrijskim pećima. Ostali sustavi postavljeni su u velike električne strojeve, koji mogu biti podložni pregrijavanju u uvjetima kvara.
Glavna prednost DTS-a je ta da je ova tehnologija ekvivalentna tisućama termopara, raspoređenih u intervalima od 1 m duž proširene mjerne strukture. Kod drugih sustava osjetila temperature, električno ožičenje, umrežavanje i napajanje mogu biti nepraktični, osobito u područjima gdje je važna intrinzična sigurnost. Međutim, s DTS-om, korisnici mogu jednostavno izvući vlakno i pričvrstiti ga na sigurno mjesto. Multipleksirane mreže također su potencijalno vrlo važne, iako još nisu uspostavile komercijalnu nišu koju uživa DTS. Mreže FBG-a napisane u jednoj duljini vlakana opsežno su ocijenjene kao nizovi senzora deformacije i / ili temperature za praćenje opterećenja i stanja, posebno u kompozitnim strukturama od karbonskih vlakana. Često nazvani "pametnim strukturama", ovi nizovi senzora olakšavaju prikupljanje operativnih podataka iz struktura kao što su zrakoplovi i mostovi.
U načelu, ti se podaci mogu koristiti za određivanje integriteta strukture od interesa. Ali u praksi to i dalje ostaje teško. Naravno, istraživači i inženjeri mogu prikupiti opsežne podatke, ali kako interpretirati te podatke predmet je značajne rasprave. Cilj je označiti pouzdane pokazatelje strukturnog integriteta. Međutim, razvoj povjerenja korisnika i regulatorno prihvaćanje je dugotrajan proces. Praćenje stanja okoliša je još jedna potencijalna primjena multipleksnih sustava. Proizvodnja metana u odlagalištu važan je pokazatelj sigurnosti mjesta i napretka procesa anaerobne razgradnje koji se odvijaju unutar njega. Mjerni sustav koji nadzire koncentracije plinova metana na mjestu s dimenzijama od 10 km nudi prednosti kontinuiranog ocjenjivanja i posljedično poboljšanog rada, posebno kada se metan - izuzetno aktivni staklenički plin - može koristiti za generiranje nekoliko megavata električne energije vlast.
Sustavi optičkih vlakana koji ciljaju ovu aplikaciju pokazuju ogromno obećanje; temelje se na malim apsorpcijskim stanicama koje su ispitivane pomoću jedno-modnih vlaknastih veza. Budući da propisi o zaštiti okoliša postaju čvršći, takvi sustavi nude potencijalno konačnu tehnologiju za praćenje postupaka zbrinjavanja otpada. Koristeći ovaj pristup, multipleksirani sustavi koji obrađuju više od 200 senzora iz jednog laserskog izvora su izvedivi. Međutim, slično kao i nizovi senzora za naprezanje FBG-a, pitanje što učiniti sa svim podacima koje ovi sustavi dobivaju je zbunjujuće. Osim toga, uključivanje ovog potencijala sustava u zakonodavstvo o okolišu i regulatorne standarde je proces koji zahtijeva mnogo vremena.
Žiroskop od optičkih vlakana
Postoje područja u kojima su se svjetlovodni senzori počeli etablirati kao prirodni izbor. Oni su izuzetno konkurentni kao hidrofoni i geofoni, opet u multipleksiranim nizovima. Kao pojedinačni senzorski element, žiroskop od optičkih vlakana je vjerojatno najuspješniji. (Žiroskop od optičkih vlakana prikazan je na slici ispod.)
Žiroskopi mjere rotaciju u inercijalnom prostoru; oni su ključni instrumenti u sustavima za navigaciju i pozicioniranje te u opremi za stabilizaciju koja se u velikoj mjeri koristi u zrakoplovima i brodovima. Svjetlovodni žiroskop temelji se na realizaciji optičkog vlakna Sagnac interferometra - što je prvi put prikazano prije gotovo jednog stoljeća. Ideja interfejsa Sagnac je jednostavna. Svjetlo se pokreće iz razdjelnika snopa u dva smjera oko petlje i petlja se rotira. Dok je svjetlo u petlji na putu natrag do razdjelnika snopa, svjetlo koje se okreće u istom smjeru kao i razdvajač snopa ima malo dalje nego svjetlo koje se okreće u smjeru razdvajanja snopa. Slijedom toga, postoji malo vremensko kašnjenje između svjetlosnih snopa koji se okreću u dva smjera pri njihovom povratku na razdjelnik snopa. Ovo vremensko kašnjenje može se mjeriti interferometrijski kao optička faza.
Ostvarenje ovog koncepta u optičkom obliku zahtijeva neku elegantnu optiku i pažljivo inženjerstvo. Oko desetljeća napora dalo je vrlo precizne rotacijske mjerne instrumente s vrlo visokom pouzdanošću. Ta pouzdanost leži u činjenici da, za razliku od mehaničkih žiroskopa (ili čak prstenastog laserskog sustava, koji se također temelji na efektu Sagnac), žiroskopi od optičkih vlakana nemaju mehanički pokretne dijelove. Osim toga, faktor skaliranja žiroskopa od optičkih vlakana neovisan je o mehaničkom ubrzanju, za razliku od uobičajenije tehnologije mehaničkog rotirajućeg kotača. Nadalje, žiroskop od optičkih vlakana može se konfigurirati u nizu različitih verzija koje se odnose na različite potrebe u pogledu točnosti, životnog vijeka i tolerancije na okoliš. Godišnje se proizvodi i prodaje nekoliko stotina tisuća žiroskopa od optičkih vlakana.
Još jedan uspješan svjetlovodni senzor koji je našao široku primjenu u građevinarstvu je sustav SOFO (francuski akronim za nadzor struktura pomoću optičkih vlakana ). Ovaj Michelsonov interferometar bijelog svjetla djeluje kao precizni ekstenzometar dužine do nekoliko desetaka metara, s dugoročnom stabilnošću i preciznim mehaničkim očitavanjem u mikronima.
Stimulirano Brillouinovo raspršivanje korišteno je za mjerenje raspodijeljenog naprezanja, osobito na instaliranim optičkim komunikacijskim kabelima u područjima sklonim potresima. U biomedicini, uspješni in vivo sustavi - na primjer za procjenu želučanih sokova kod ljudi - postali su korisni dijagnostički alati. Postoje mnogi drugi.
Budućnost optičkih senzora
Svjetlovodni senzori i dalje fasciniraju. Kao iu drugim područjima fotonike, istraživači su uzbuđeni zbog mogućnosti oblikovanja novih tehnologija u kontekst osjetila i instrumentacije. Fotonički kristali i vlakna fotonskog kristala izgledaju zanimljivo - iako su istraživači jedva počeli shvaćati kako to tumačiti u nešto ortogonalnom okruženju senzorskog sustava. Laseri velike snage temeljeni na optičkoj tehnologiji omogućuju posebno inovativnu nelinearnu karakterizaciju materijala. Svjetlovodni konus će se bez sumnje ponovno pojaviti kao sonda za ispitivanje struktura na mikroskopskoj, ili čak nanoskopskoj skali.
Inovacije u računalstvu i dostupnost proširenih mogućnosti rukovanja podacima također će pomoći poboljšati našu sposobnost tumačenja podataka iz velikih polja sličnih senzora i dovesti do korisnih kombinacija komplementarnih senzora. Tu su i mogućnosti s optičkim mikroelektromehaničkim sustavima, iako oni još nisu obilježili tehnologiju senzora na bazi vlakana. Eksploatacija tehnologije svjetlovodnih senzora nastavit će se širiti polako, ali sigurno. Istovremeno će istraživačka zajednica nastaviti istraživati nove alate i tražiti mogućnosti za njihovu primjenu.