Aplikace a pokroky senzorů optických vláken
Pozadí
Technologie optických vláken v uplynulých desetiletích způsobila revoluci v telekomunikačním průmyslu, což umožňuje vysokokapacitní, dálkovou komunikaci a vytváření sítí za neuvěřitelně nízké náklady. V mnoha dalších aplikacích sehrály také důležitou roli vláknové optiky: byly použity k poskytování světla pro přesné značení a řezání; jako praktický, vysoce výkonný laserový zdroj s vysokou soudržností; pro zobrazovací systémy; a jako prostředek pro zajištění osvětlení na nepřístupných místech - nehledě na umělé vánoční stromky pochybné chuti (které se v naší laboratoři během slavnostního období sice objevily).
Ještě předtím, než se optická vlákna stala velkým v telekomunikačním průmyslu, technologie optických vláken slibovala slib v oblasti průmyslového a environmentálního snímání. Desetiletí výzkumu jsou nyní přeloženy do bezpečných, přesných měřicích přístrojů na bázi vláken, včetně gyroskopů, teplotních sond, hydrofonů a chemických monitorů. Senzory optických vláken nacházejí uplatnění všude od železnic, tunelů a mostů až po průmyslové pece a systémy pro likvidaci odpadu.
Fiber sensing - využití optických vláken pro průmyslové a environmentální aplikace - je další vzrušující oblastí růstu této všestranné technologie. Je to například jediná disciplína v širším poli snímání, která má svou vlastní energetickou řadu konferencí. Na těchto setkáních vědci popsali potenciální techniky pro měření všeho od hladiny cukru v krvi po gravitační vlny. Některé nápady učinily skok z laboratoře do vysoce konkurenčního trhu senzorové technologie. Použití optických vláken pro snímání aplikací skutečně předchází jeho aplikacím v komunikačních sítích. Začalo to v polovině šedesátých let vývojem snímače „Fotonic“, zařízení na bázi svazků, které měří vzdálenost a posunutí, zejména v průmyslu obráběcích strojů. Ačkoli Fotonic byl nedokonalá technologie s krátkou kariérou, nápad za senzorem zachytil představivost výzkumné komunity.
Zavedení optických senzorů
Mechanismus
Základní mechanismus je jednoduchý (viz obrázek níže): Podání světla do optického vlákna; zajistit modulaci světla na základě jeho interakce se sledovaným parametrem; a pak přenáší modulované světlo zpět do monitorovacího bodu. Existují různé způsoby, jak postupovat v každém kroku - zejména přístup používaný k modulaci světla - ale to je podstata technologie.
Výhody
Senzory optických vláken nabízejí mnoho výhod oproti jiným technikám snímání. Nejdůležitější je, že tyto senzory jsou imunní vůči elektromagnetickému snímači a lze k nim přistupovat přes optické spoje na velmi dlouhé vzdálenosti - někdy až desítky kilometrů. V nebezpečném prostředí jsou vlákna také jiskrově bezpečná. Navíc jsou chemicky pasivní, mají malé fyzikální rozměry a jsou mechanicky kompatibilní s řadou provozních prostředí.
Nevýhody
Tyto senzory mají samozřejmě také nevýhody. Interpretace dat je u některých aplikací obtížná, například rozvoj důvěry uživatelů a přijetí předpisů může být zdlouhavý proces. Na rozdíl od komunikací s velkou šířkou pásma, kde optická vlákna jsou nespornou špičkovou technologií, existuje mnoho dalších možností v oblasti snímání; optická vlákna jsou zřídka samozřejmou volbou - i když to může být velmi dobrá.
Funkce a aplikace
Snímače optických vláken jsou zvláště univerzální, pokud jsou založeny na interferometrech citlivých na životní prostředí, které používají architekturu vláken nebo při monitorování chování citlivého na vlnovou délku. První kategorie zahrnuje interferometry pro měření dynamických tlakových polí (například hydrofonů a geofonů) a interferometru Sagnac pro rotaci; posledně uvedená zahrnuje téměř všechno spektroskopické, včetně senzorů založených na interakcích s meziprodukty (například indikátorem kyselina / alkálie) - obvykle označovaným jako optrody - a přímými spektroskopickými měřeními v plynech, kapalinách a pevných látkách. Tato kategorie rovněž zahrnuje spektrální filtry citlivé na životní prostředí, z nichž je Fiber Bragg Grating (FBG) zdaleka nejznámější.
Velmi důležitý - ale daleko méně zřejmý - modulační mechanismus zahrnuje nepružné interakce mezi dopadajícím světlem, materiálem vlákna samotného a prostředím obklopujícím vlákno. Tyto interakce, z nichž Ramanův a Brillouinův rozptyl jsou nejvýznamnější, produkují charakteristické nelineární změny spektra světla šířícího se podél vlákna ve směru dopředu i dozadu. Schopnost optických vláken vytvářet předvídatelné zpětné rozptylování otevírá nové možnosti pro snímání aplikací. Senzorové systémy, které mohou měřit časové zpoždění mezi spuštěním a návratem zpětně rozptýleného záření, mohou být použity pro sondování prostředí podél vlákna. Tyto takzvané techniky distribuovaných senzorů jsou jedinečné pro technologii optických vláken.
Distribuované senzory usnadňují měření napětí a teploty na velmi dlouhých interakčních délkách - na mnoho desítek kilometrů. Navíc, v závislosti na časovém modulačním zpracování na vypnutém světle, může být pole napětí nebo teploty vyřešeno s více než přiměřenou přesností přes délku měřidla v řádu 1 metru, nebo v některých systémech ještě méně. Podobně mohou být senzory optických vláken snadno konfigurovány do multiplexovaných konfigurací řad zařízení pro bodové měření. Každé zařízení vyžaduje pro napájení sítě pouze jeden optický zdroj. Tato schopnost multiplexu typicky až do několika stovek dotazovacích míst je další definující vlastností senzorů optických vláken.
Vláknové optické senzory v praxi
Oblast snímání je plná idiosynkratických technologií, které se zabývají specializovanými aplikacemi, a snímání vláken není výjimkou. I když lze stejný typ technologie použít k řešení řady potřeb, mohou se jednotlivá zařízení značně lišit v závislosti na konkrétní aplikaci a jejích požadavcích na přesnost, stabilitu, rozlišení, objem výroby a řadu dalších vzájemně závislých parametrů.
Distribuované snímání teploty
Před více než desítkami let se sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) objevila jako prototypový systém založený na snímání vláken (koncept DTS je znázorněn na obrázku níže). Tato sonda je schopna měřit teplotní profily s přesností 1 ℃ a opakovatelností přes délku měřidla 1 metr a celkovou délku dotazů desítek kilometrů v časech měření v řádu minut. DTS je výkonný nástroj pro měření teplotních změn v tunelech a potrubních vedeních. Mnoho systémů je nyní instalováno v podzemních železnicích, dálničních tunelech a velkých průmyslových pecích. Jiné systémy byly umístěny ve velkých elektrických strojích, které mohou být náchylné k přehřátí v poruchových podmínkách.
Hlavní výhodou DTS je, že tato technologie je ekvivalentní mnoha tisícům termočlánků, rozmístěných v intervalech 1 m podél rozšířené struktury měření. U jiných systémů pro snímání teploty může být elektrické zapojení, síťování a napájení neproveditelné, zejména v oblastech, kde může být důležitá vnitřní bezpečnost. Nicméně, s DTS, uživatelé mohou jednoduše vyklopit vlákno a připojit to na bezpečném místě. Potenciálně velmi důležité jsou také multiplexní sítě, ačkoliv dosud nevytvořily komerční výklenek DTS. Sítě FBG zapsané v jedné délce vlákna byly rozsáhle vyhodnoceny jako pole senzorů napětí a / nebo teploty pro monitorování zatížení a stavu, zejména v kompozitních strukturách z uhlíkových vláken. Tato pole senzorů často označovaná jako „inteligentní struktury“ usnadňují shromažďování provozních dat ze struktur, jako jsou letadla a mosty.
Tyto údaje mohou být v zásadě použity k určení integrity struktury zájmu. Ale v praxi je to stále obtížné. Výzkumníci a inženýři jistě mohou shromažďovat rozsáhlá data, ale jak interpretovat tato data jsou předmětem rozsáhlé debaty. Cílem je označit spolehlivé indikátory strukturní integrity. Rozvoj důvěry uživatelů a přijetí regulací je však zdlouhavý proces. Monitorování životního prostředí je další potenciální aplikací pro multiplexní systémy. Vytváření metanového plynu na skládce je důležitým ukazatelem jak bezpečnosti lokality, tak i průběhu anaerobních procesů rozkladu, které v ní probíhají. Měřicí systém, který monitoruje koncentrace metanu na místě o rozměrech řádově 10 km, nabízí výhodu plynoucí z průběžného hodnocení a následně zlepšeného provozu, zejména když metan - extrémně aktivní skleníkový plyn - může být použit k výrobě několika megawattů elektrické energie Napájení.
Systémy optických vláken, které se zaměřují na tuto aplikaci, vykazují obrovský slib; jsou založeny na malých absorpčních buňkách dotazovaných pomocí jednofázových vlákenných spojů. Vzhledem k tomu, že se předpisy v oblasti životního prostředí zpřísňují, nabízejí tyto systémy potenciálně definitivní technologii pro monitorování činností odstraňování odpadů. Pomocí tohoto přístupu jsou možné multiplexní systémy, které oslovují více než 200 senzorů z jediného laserového zdroje. Nicméně, podobně jako pole senzorů kmene FBG, je otázka, co dělat se všemi daty, která tyto systémy získávají, zmatená. Začlenění tohoto systémového potenciálu do legislativy v oblasti životního prostředí a regulačních norem je navíc časově náročný proces.
Gyroskop s optickým vláknem
Jsou oblasti, ve kterých se optické senzory začaly etablovat jako přirozená volba. Jsou extrémně konkurenceschopné jako hydrofony a geofony, opět v multiplexovaných polích. Jako samostatný senzorový prvek je gyroskop s optickým vláknem pravděpodobně nejúspěšnější. (Na obrázku níže je znázorněn gyroskop s optickými vlákny.)
Gyroskopy měří rotaci v inerciálním prostoru; jsou to základní nástroje v navigačních a polohovacích systémech a ve stabilizačních zařízeních, která se široce používají v letadlech a lodích. Gyroskop s optickými vlákny je založen na vláknovém optickém provedení interferometru Sagnac, který byl poprvé před téměř sto lety prokázán. Myšlenka interferometru Sagnac je jednoduchá. Světlo se spouští ze svazku paprsků ve dvou směrech kolem smyčky a smyčka se otáčí. Zatímco světlo je ve smyčce zpět do rozdělovače paprsků, světlo, které se otáčí ve stejném směru jako rozdělovač paprsků, má o něco dále než světlo, které se otáčí proti směru rozdělovače paprsků. V důsledku toho existuje malé časové zpoždění mezi světelnými paprsky rotujícími ve dvou směrech při jejich příchodu zpět do rozdělovače paprsků. Toto časové zpoždění může být měřeno interferometricky jako optická fáze.
Realizace tohoto konceptu ve formě optických vláken vyžaduje nějakou elegantní optiku a pečlivé inženýrství. Přibližně deset let úsilí přineslo vysoce přesné rotační měřicí přístroje s velmi vysokou spolehlivostí. Tato spolehlivost spočívá v tom, že na rozdíl od mechanických gyroskopů (nebo dokonce kruhového laserového systému, který je také založen na efektu Sagnac) nemají gyroskopy z optických vláken žádné mechanické pohyblivé části. Kromě toho je měřítko gyroskopu s optickým vláknem nezávislé na mechanickém zrychlení, na rozdíl od zavedené technologie mechanického dopřádacího kola. Kromě toho může být gyroskop s optickými vlákny konfigurován v celé řadě různých verzí, které řeší různé potřeby z hlediska přesnosti, životnosti a environmentální tolerance. Ročně se vyrábí a prodává několik set tisíc gyroskopů s optickými vlákny.
Dalším úspěšným senzorem optických vláken, který našel rozsáhlé uplatnění ve stavebnictví, je SOFO (francouzská zkratka pro Monitorování struktur pomocí optických vláken ). Interferometr s bílým vláknem Michelson se chová jako přesný extenzometr přes délku až několik desítek metrů, s dlouhodobou stabilitou a přesným mechanickým odečtem měřeným v mikronech.
Stimulovaný Brillouinův rozptyl byl použit pro distribuované měření napětí, zejména na instalovaných optických komunikačních kabelech v oblastech náchylných k zemětřesení. V biomedicíně se jako užitečné diagnostické nástroje staly úspěšné in vivo systémy - například hodnocení žaludečních šťáv u lidí. Existuje mnoho dalších.
Budoucnost senzorů optických vláken
Senzory optických vláken stále fascinují. Podobně jako v jiných oblastech fotoniky jsou výzkumní pracovníci nadšeni vyhlídkou na vyformování nových technologií do kontextu snímání a instrumentace. Fotonické krystaly a vlákna fotonického krystalu vypadají zajímavě - i když vědci sotva začali vymýšlet, jak tyto vyhlídky interpretovat do poněkud ortogonálního prostředí senzorického systému. Vysoce výkonné lasery založené na technologii optických vláken umožňují obzvláště inovativní nelineární charakterizaci materiálů. Zkosení optických vláken se nepochybně znovu objeví jako sonda pro zkoumání struktur na mikroskopickém nebo dokonce nanoskopickém měřítku.
Inovace v oblasti výpočetní techniky a dostupnost rozšířené možnosti zpracování dat také přispějí ke zlepšení naší schopnosti interpretovat data z velkých polí podobných senzorů a vést k užitečným kombinacím doplňkových senzorů. Existují také příležitosti s optickými mikroelektromechanickými systémy, přestože tyto systémy ještě nezaznamenaly svou technologii optických senzorů. Využití technologie optických vláken bude i nadále expandovat, pomalu, ale stále. Souběžně s tím výzkumná komunita bude nadále zkoumat nové nástroje a hledat příležitosti k jejich uplatňování.