Zastosowania i postępy czujników światłowodowych
tło
W ciągu ostatnich dziesięcioleci technologia światłowodowa zrewolucjonizowała branżę telekomunikacyjną, umożliwiając komunikację i sieci o dużej przepustowości, na duże odległości i zdumiewająco niskie koszty. Światłowody odegrały również ważną rolę w wielu innych zastosowaniach: zostały użyte do dostarczania światła do precyzyjnego znakowania i cięcia; jako praktyczne źródło laserowe o dużej mocy i wysokiej spójności; do systemów obrazowania; i jako sposób na zapewnienie oświetlenia w niedostępnych miejscach - nie wspominając o sztucznych choinkach o wątpliwym smaku (które wprawdzie pojawiły się w naszym laboratorium w okresie świątecznym).
Nawet zanim światłowody stały się duże w branży telekomunikacyjnej, technologia światłowodowa okazała się obiecująca w dziedzinie detekcji przemysłowej i środowiskowej. Dziesięciolecia badań są obecnie tłumaczone na bezpieczne, precyzyjne instrumenty pomiarowe na bazie włókien, w tym żyroskopy, sondy temperatury, hydrofony i monitory chemiczne. Rzeczywiście, czujniki światłowodowe znajdują zastosowanie wszędzie, od kolei, tuneli i mostów po piece przemysłowe i systemy usuwania odpadów.
Wykrywanie światłowodów - zastosowanie światłowodów w zastosowaniach przemysłowych i środowiskowych - to kolejny ekscytujący obszar rozwoju tej wszechstronnej technologii. Jest to na przykład jedyna dyscyplina w szerszym obszarze odczuwania, która ma swoją własną energetyczną serię konferencji. Podczas tych spotkań naukowcy opisali potencjalne techniki pomiaru wszystkiego, od poziomu cukru we krwi po fale grawitacyjne. Niektóre pomysły przeskoczyły z laboratorium na wysoce konkurencyjny rynek technologii czujników. Wykorzystanie światłowodów do wykrywania aplikacji faktycznie wyprzedza ich zastosowania w sieciach komunikacyjnych. Zaczęło się od opracowania w połowie lat 60. czujnika „Fotonic”, urządzenia opartego na pakiecie, które mierzy odległość i przemieszczenie, szczególnie w przemyśle obrabiarek. Chociaż Fotonik był niedoskonałą technologią z krótką karierą, pomysł kryjący się za czujnikiem uchwycił wyobraźnię społeczności badawczej.
Wprowadzenie czujników światłowodowych
Mechanizm
Podstawowy mechanizm jest prosty (pokazany na rysunku poniżej): Podaj światło do światłowodu; zorganizować modulację światła w oparciu o jego interakcję z interesującym parametrem; a następnie przesłać modulowane światło z powrotem do punktu monitorowania. Istnieją różne sposoby, aby przejść o każdy krok - w szczególności podejście zastosowane do modulowania światła - ale to jest istota technologii.
Zalety
Czujniki światłowodowe mają wiele zalet w porównaniu z innymi technikami wykrywania. Być może najważniejsze, czujniki te są odporne na zbieranie elektromagnetyczne i można do nich uzyskać dostęp za pośrednictwem łączy światłowodowych na bardzo duże odległości - czasami sięgające dziesiątek kilometrów. Włókna są również samoistnie bezpieczne w niebezpiecznych środowiskach. Ponadto są one pasywne chemicznie, mają małe wymiary fizyczne i są kompatybilne mechanicznie z wieloma środowiskami operacyjnymi.
Wady
Nieuchronnie te czujniki mają również wady. Na przykład interpretacja danych jest trudna w przypadku niektórych aplikacji, a rozwijanie zaufania użytkowników i akceptacja przepisów może być długim procesem. W przeciwieństwie do komunikacji szerokopasmowej, gdzie światłowody są niekwestionowaną technologią wiodącą, istnieje wiele innych opcji dostępnych w dziedzinie wykrywania; światłowody rzadko są oczywistym wyborem - choć mogą być bardzo dobre.
Funkcja i aplikacje
Czujniki światłowodowe są szczególnie wszechstronne, gdy bazują na interferometrach wrażliwych na środowisko, które wykorzystują architekturę światłowodową lub podczas monitorowania zachowań wrażliwych na długość fali barwników. Pierwsza kategoria obejmuje interferometry do pomiaru dynamicznych pól ciśnieniowych (na przykład hydrofonów i geofonów) oraz interferometr Sagnac do rotacji; ta ostatnia obejmuje prawie wszystko spektroskopowe, w tym czujniki oparte na interakcjach z pośrednimi odczynnikami (na przykład wskaźnikiem kwasowo-zasadowym) - często określane jako optody - i bezpośrednimi pomiarami spektroskopowymi w gazach, cieczach i ciałach stałych. Ta kategoria obejmuje również wrażliwe na środowisko filtry spektralne, z których zdecydowanie najbardziej znana jest siatka światłowodowa Bragga (FBG).
Bardzo ważny - ale o wiele mniej oczywisty - mechanizm modulacji obejmuje niesprężyste interakcje między światłem padającym, materiałem samego włókna i środowiskiem otaczającym włókno. Te interakcje, z których rozpraszanie Ramana i Brillouina są najbardziej znaczące, powodują charakterystyczne nieliniowe zmiany widm światła propagującego się wzdłuż światłowodu zarówno w kierunku do przodu, jak i, co najważniejsze, do tyłu. Rzeczywiście, zdolność światłowodów do generowania przewidywalnego rozpraszania wstecznego otwiera nowe perspektywy wykrywania aplikacji. Systemy czujników, które mogą mierzyć opóźnienie czasowe między uruchomieniem a powrotem promieniowania rozproszonego wstecznie, mogą być wykorzystywane do badania środowiska wzdłuż światłowodu. Te tak zwane techniki czujników rozproszonych są unikalne dla technologii światłowodowej.
Czujniki rozproszone ułatwiają pomiary odkształcenia i temperatury na bardzo długich długościach interakcji - do wielu dziesiątków kilometrów. Ponadto, w zależności od modulacji przetwarzania czasowego na uruchomionym świetle, pole naprężenia lub temperatury może być rozwiązane z większą niż wystarczająca dokładnością długości nad miernikiem rzędu 1 metra lub w niektórych systemach nawet mniej. Podobnie, czujniki światłowodowe mogą być łatwo skonfigurowane do konfiguracji multipleksowych macierzy urządzeń do pomiaru punktowego. Każde urządzenie wymaga tylko jednego źródła optycznego do zasilania sieci. Ta zdolność do multipleksowania zazwyczaj do kilkuset punktów zapytań jest kolejną cechą charakterystyczną czujników światłowodowych.
Czujniki światłowodowe w praktyce
Dziedzina wykrywania jest bogata w specyficzne technologie, które dotyczą specjalistycznych zastosowań, a wykrywanie światłowodów nie jest wyjątkiem. Nawet jeśli ten sam typ technologii może być wykorzystany do zaspokojenia szeregu potrzeb, poszczególne urządzenia mogą się znacznie różnić w zależności od konkretnej aplikacji i jej wymagań dokładności, stabilności, rozdzielczości, wielkości produkcji i wielu innych współzależnych parametrów.
Rozproszone wykrywanie temperatury
Ponad dekadę temu sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) pojawiła się jako prototypowy system oparty na czujnikach światłowodowych (koncepcja DTS jest pokazana na rysunku poniżej). Ta sonda jest zdolna do pomiaru profili temperatury z dokładnością 1 ℃ i powtarzalnością na długościach pomiarowych 1 metra lub mniejszych i całkowitych długościach zapytań dziesiątek kilometrów w czasach pomiaru rzędu minuty. DTS to potężne narzędzie do pomiaru zmian temperatury w tunelach i rurociągach. Wiele systemów jest obecnie instalowanych w podziemnych kolejach, tunelach autostradowych i dużych piecach przemysłowych. Inne systemy zostały umieszczone w dużych maszynach elektrycznych, które mogą być podatne na przegrzanie w warunkach awarii.
Główną zaletą DTS jest to, że technologia ta jest równoważna wielu tysiącom termopar, rozmieszczonych w odstępach 1 m wzdłuż rozszerzonej struktury pomiarowej. W przypadku innych systemów pomiaru temperatury okablowanie elektryczne, sieci i zasilanie mogą być niepraktyczne, zwłaszcza w obszarach, w których istotne może być bezpieczeństwo wewnętrzne. Jednak dzięki DTS użytkownicy mogą po prostu rozwinąć światłowód i przymocować go w bezpiecznym miejscu. Sieci multipleksowane są również potencjalnie bardzo ważne, chociaż muszą jeszcze ustalić niszę handlową, z której korzysta DTS. Sieci FBG zapisane w pojedynczej długości włókna zostały szeroko ocenione jako macierze czujników odkształcenia i / lub temperatury do monitorowania obciążenia i stanu, w szczególności w kompozytowych strukturach z włókna węglowego. Te tablice czujników, często nazywane „inteligentnymi strukturami”, ułatwiają gromadzenie danych operacyjnych ze struktur, takich jak samoloty i mosty.
Zasadniczo dane te można wykorzystać do określenia integralności interesującej struktury. Ale w praktyce pozostaje to trudne. Z pewnością badacze i inżynierowie mogą gromadzić obszerne dane, ale sposób interpretacji tych danych jest przedmiotem poważnej debaty. Celem jest określenie wiarygodnych wskaźników integralności strukturalnej. Jednak rozwijanie zaufania użytkowników i akceptacja regulacyjna to przedłużający się proces. Monitorowanie środowiska to kolejna potencjalna aplikacja dla systemów multipleksowanych. Wytwarzanie gazu metanowego na składowisku odpadów jest ważnym wskaźnikiem zarówno bezpieczeństwa miejsca, jak i postępów procesów rozkładu beztlenowego, które zachodzą w jego obrębie. System pomiarowy, który monitoruje stężenia gazu metanowego w miejscu o wymiarach rzędu 10 km, oferuje korzyści ciągłej oceny, a co za tym idzie, lepszej pracy, zwłaszcza gdy metan - niezwykle aktywny gaz cieplarniany - może być wykorzystany do generowania kilku megawatów energii elektrycznej moc.
Systemy światłowodowe, których celem jest ta aplikacja, są niezwykle obiecujące; są one oparte na małych komórkach absorpcyjnych badanych za pomocą światłowodów jednomodowych. Wraz z zaostrzeniem przepisów dotyczących ochrony środowiska takie systemy oferują potencjalnie ostateczną technologię monitorowania operacji usuwania odpadów. Korzystając z tego podejścia, możliwe są systemy multipleksowane, które obsługują ponad 200 czujników z jednego źródła laserowego. Jednakże, podobnie jak macierze czujników napięcia FBG, pytanie, co zrobić ze wszystkimi danymi, które te systemy nabywają, jest kłopotliwe. Ponadto włączenie tego potencjału systemu do prawodawstwa dotyczącego ochrony środowiska i standardów regulacyjnych jest procesem czasochłonnym.
Żyroskop światłowodowy
Istnieją obszary, w których czujniki światłowodowe zaczęły uznawać się za naturalny wybór. Są niezwykle konkurencyjne jako hydrofony i geofony, również w macierzach multipleksowanych. Jako indywidualny element czujnika żyroskop światłowodowy jest prawdopodobnie najbardziej udany. (Żyroskop światłowodowy pokazano na rysunku poniżej).
Żyroskopy mierzą obrót w przestrzeni bezwładnościowej; są to podstawowe instrumenty w systemach nawigacji i pozycjonowania oraz w sprzęcie stabilizującym, który jest szeroko stosowany w samolotach i statkach. Żyroskop światłowodowy opiera się na światłowodowym wykonaniu interferometru Sagnac - który został po raz pierwszy zademonstrowany prawie sto lat temu. Pomysł interferometru Sagnac jest prosty. Światło jest uruchamiane z rozdzielacza wiązki w dwóch kierunkach wokół pętli i pętla jest obracana. Podczas gdy światło znajduje się w pętli w drodze powrotnej do rozdzielacza wiązki, światło obracające się w tym samym kierunku, co dzielnik wiązki, ma trochę dalej niż światło, które obraca się przeciwnie do kierunku dzielnika wiązki. W konsekwencji występuje niewielkie opóźnienie czasowe między wiązkami światła obracającymi się w dwóch kierunkach po ich powrocie na rozdzielacz wiązki. To opóźnienie czasowe można zmierzyć interferometrycznie jako fazę optyczną.
Realizacja tej koncepcji w formie światłowodowej wymaga eleganckiej optyki i starannej inżynierii. Około dekady starań przyniosło wysoce precyzyjne instrumenty pomiaru obrotowego o bardzo wysokiej niezawodności. Ta niezawodność polega na tym, że w przeciwieństwie do żyroskopów mechanicznych (lub nawet pierścieniowego systemu laserowego, który również opiera się na efekcie Sagnaca), żyroskopy światłowodowe nie mają mechanicznych części ruchomych. Ponadto współczynnik skali żyroskopu światłowodowego jest niezależny od przyspieszenia mechanicznego, w przeciwieństwie do bardziej znanej technologii mechanicznego koła przędzalniczego. Ponadto żyroskop światłowodowy można skonfigurować w wielu różnych wersjach, spełniających różnorodne potrzeby pod względem dokładności, trwałości i tolerancji środowiskowej. Rocznie produkuje się i sprzedaje kilkaset tysięcy żyroskopów światłowodowych.
Kolejnym udanym czujnikiem światłowodowym, który znalazł szerokie zastosowanie w inżynierii lądowej i wodnej, jest system SOFO (francuski akronim dla struktur monitorujących wykorzystujących włókna optyczne ). Ten interferometr Michelsona z białego włókna światłowodowego działa jak precyzyjny tensometr na długościach pomiarowych do kilkudziesięciu metrów, z długotrwałą stabilnością i precyzyjnym odczytem mechanicznym mierzonym w mikronach.
Stymulowane rozpraszanie Brillouina zostało wykorzystane do pomiaru naprężeń rozproszonych, w szczególności na zainstalowanych światłowodowych kablach komunikacyjnych w obszarach narażonych na trzęsienia ziemi. W biomedycynie udane systemy in vivo - na przykład w celu oceny soków żołądkowych u ludzi - stały się użytecznymi narzędziami diagnostycznymi. Jest wiele innych.
Przyszłość światłowodów
Czujniki światłowodowe nadal fascynują. Podobnie jak w innych obszarach fotoniki, naukowcy są podekscytowani perspektywą formowania nowych technologii w kontekście wykrywania i oprzyrządowania. Kryształy fotoniczne i włókna kryształu fotonicznego wyglądają interesująco - chociaż naukowcy ledwo zaczęli odkrywać, jak interpretować te perspektywy w nieco ortogonalnym środowisku czujników-systemów. Lasery dużej mocy oparte na technologii światłowodowej umożliwiają szczególnie innowacyjną nieliniową charakterystykę materiałów. Stożek światłowodowy bez wątpienia pojawi się ponownie jako sonda do badania struktur na skali mikroskopowej, a nawet nanoskopowej.
Innowacje w dziedzinie przetwarzania danych i dostępność rozszerzonych możliwości przetwarzania danych pomogą również poprawić naszą zdolność do interpretowania danych z dużych macierzy podobnych czujników i prowadzić do przydatnych kombinacji czujników uzupełniających. Istnieją również możliwości z optycznymi systemami mikroelektromechanicznymi, chociaż nie mają one jeszcze znaczenia jako technologie czujników opartych na włóknach. Wykorzystanie technologii czujników światłowodowych będzie się nadal rozszerzać, powoli, ale systematycznie. Jednocześnie środowisko badawcze będzie nadal badać nowe narzędzia i szukać możliwości ich zastosowania.
