Kiudoptiliste andurite rakendused ja edusammud
Taust
Viimastel aastakümnetel on kiudoptiline tehnoloogia pööranud telekommunikatsioonitööstuse välja, võimaldades suure võimsusega, kaugekommunikatsiooni ja võrgustike loomist järsult madalate kuludega. Kiudoptika on mänginud olulist rolli ka paljudes teistes rakendustes: neid on kasutatud valguse andmiseks täppismärgistamiseks ja lõikamiseks; praktilise, suure võimsusega, suure koherentsusega laserallikana; pildisüsteemide jaoks; ja vahendina, mis pakub valgustust ligipääsmatutesse kohtadesse - rääkimata küsitava maitsega kunstlikest jõulupuudest (mis on ilmselt ilmunud meie laboris piduliku hooaja jooksul).
Juba enne fiiberoptika muutmist telekommunikatsioonitööstuses oli kiudoptiline tehnoloogia tööstus- ja keskkonnatundlikkuse vallas lubadus. Aastakümneid kestnud uuringuid tõlgitakse nüüd turvalisteks, täpseteks kiudupõhisteks mõõtevahenditeks, sealhulgas güroskoobid, temperatuuriandurid, hüdrofonid ja keemilised monitorid. Tõepoolest, kiudoptilised andurid leiavad rakendusi kõikjal raudteelt, tunnelitest ja sildadest tööstusahjudesse ja jäätmekäitlussüsteemidesse.
Selle mitmekülgse tehnoloogia jaoks on teine põnev kasvuala fiibertunnustamine - kiudoptika kasutamine tööstus- ja keskkonnatundlike rakenduste jaoks. Näiteks on see ainus distsipliin laiemas tundevaldkonnas, millel on oma energiline konverentside seeria. Nendel kohtumistel on uurijad kirjeldanud võimalikke meetodeid kõike veresuhkru taseme ja gravitatsioonilaine mõõtmiseks. Mõned ideed on teinud hüpe laborist kõrgelt konkurentsiturule sensoritehnoloogia turul. Kiudoptika kasutamine rakenduste tuvastamiseks tegelikult enne selle rakendusi sidevõrkudes. See algas 1960-ndate aastate keskpaigas „Fotonic” anduri, kimpude baasil oleva seadme, mis mõõdab kaugust ja nihet, eriti masinatööstuses. Kuigi Fotonic oli lühike karjääriga ebatäiuslik tehnoloogia, andis sensori idee teadlaskonna kujutlusvõime.
Kiudoptiliste andurite tutvustus
Mehhanism
Põhimehhanism on lihtne (näidatud alloleval joonisel): valguse andmine optilisse kiudusse; korraldada valgust moduleerima selle interaktsiooni alusel huvipakkuva parameetriga; ja seejärel edastab moduleeritud valguse tagasi kontrollpunkti. Iga sammuga on võimalik edasi liikuda - eriti lähenemine, mida kasutatakse valguse moduleerimiseks, kuid see on tehnoloogia põhiolemus.
Eelised
Kiudoptilised andurid pakuvad mitmeid tundlikke meetodeid võrreldes palju eeliseid. Võib-olla kõige olulisem on, et need andurid on immuunsed elektromagnetilise kiirenduse suhtes ja neid saab kasutada läbi kiudühenduste väga pikkade vahemaade vältel - mõnikord ulatub see kümnete kilomeetrite kaugusele. Kiud on ka ohtlikes keskkondades olemuslikult ohutud. Lisaks on need keemiliselt passiivsed, neil on väikesed füüsilised mõõtmed ja need on mehaaniliselt ühilduvad paljude operatiivkeskkondadega.
Puudused
Paratamatult on neil anduritel ka puudusi. Teatud rakenduste puhul on andmete tõlgendamine keeruline ning kasutajate usalduse ja regulatiivse heakskiidu arendamine võib olla pikaajaline protsess. Erinevalt suure ribalaiusega sideühendustest, kus kiudoptika on vaieldamatu plii tehnoloogia, on sensori valdkonnas palju muid võimalusi; kiudoptika on harva ilmselge valik - kuigi see võib olla väga hea.
Funktsioonid ja rakendused
Kiudoptilised andurid on eriti mitmekülgsed, kui need põhinevad keskkonnahoidlikel interferomeetritel, mis kasutavad kiudude arhitektuuri või jälgivad värvi lainepikkustundlikku käitumist. Esimesesse kategooriasse kuuluvad interferomeetrid dünaamiliste rõhuväljade (näiteks hüdrofonide ja geofonide) mõõtmiseks ja Sagnaci interferomeeter pööramiseks; viimane hõlmab peaaegu kõike spektroskoopilist, sealhulgas andureid, mis põhinevad interaktsioonidel vahereagentidega (näiteks happe / leelise näitaja), mida nimetatakse optrodeks, ning otseseid spektroskoopilisi mõõtmisi gaasides, vedelikes ja tahkistes. Sellesse kategooriasse kuuluvad ka keskkonna suhtes tundlikud spektraalfiltrid, mille kiudude riivimine (FBG) on kõige tuntum.
Väga oluline - kuid palju vähem ilmne - modulatsioonimehhanism sisaldab inertseid interaktsioone intsidendse valguse, kiudude enda materjali ja kiu ümbritseva keskkonna vahel. Need interaktsioonid, millest Raman ja Brillouini hajumine on kõige olulisemad, tekitavad iseloomulikke mittelineaarseid muutusi valguse spektrites, mis levivad mööda kiudaineid nii ettepoole kui ka tagurpidi. Tõepoolest, optiliste kiudude võime toota prognoositavat tagasilööki avab uusi võimalusi rakenduste tuvastamiseks. Andurite süsteeme, mis suudavad mõõta aega, mis kulub backscattered-kiirguse käivitamise ja tagasipöördumise vahel, saab kasutada keskkonda sondimiseks. Need nn hajutatud andurite tehnikad on ainulaadsed kiudoptilise tehnoloogia jaoks.
Jaotatud andurid hõlbustavad tüve ja temperatuuri mõõtmist väga pika interaktsioonipikkusega - paljude kümnete kilomeetrite ulatuses. Peale selle, sõltuvalt käivitatud valguse ajalisest töötlusmodulatsioonist, võib tüve- või temperatuurivälja lahendada rohkem kui adekvaatse täpsusega üle 1 meetri, mõnes süsteemis isegi vähem. Samamoodi saab kiudoptilisi andureid kergesti konfigureerida punktmõõteseadmete massiivi multipleksitud konfiguratsioonidena. Iga seade vajab võrgu toite saamiseks ainult ühte optilist allikat. Kiudoptiliste andurite teine tunnusjoon on see, et see võime mitmekordistada tavaliselt kuni mõni saja ülekuulamispunkti.
Fiiberoptilised andurid praktikas
Sensatsioonivaldkonnas on erilised tehnoloogiad, mis tegelevad erialaste rakendustega ning kiudude tundmine ei ole erand. Isegi kui sama tüüpi tehnoloogiat saab kasutada mitmesuguste vajaduste lahendamiseks, võivad üksikud seadmed varieeruda sõltuvalt konkreetsest rakendusest ja selle nõuetest täpsuse, stabiilsuse, eraldusvõime, tootmismahu ja paljude teiste omavahel seotud parameetrite kohta.
Jaotatud temperatuuri tundmine
Juba aastakümneid tagasi tekkis Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) sond kui kiudude tundlikkusel põhinev prototüübisüsteem (DTS-kontseptsioon on esitatud alloleval joonisel). See sond on võimeline mõõtma 1 ℃ täpsusega ja korratavusega temperatuuriprofiile 1 meetri pikkuste mõõtmetega ja kümnete kilomeetrite kogupikkuse mõõtmisaegade kaupa minutis. DTS on võimas vahend tunnelite ja torujuhtmete temperatuurimuutuste mõõtmiseks. Paljud süsteemid on nüüd paigaldatud maa-alustele raudteedele, maanteede tunnelitele ja suurtele tööstusahjudele. Teised süsteemid on paigutatud suurtesse elektrimasinatesse, mis võivad häiretingimustes kalduda ülekuumenemisele.
DTSi peamine eelis on see, et see tehnoloogia on samaväärne paljude tuhandete termopaaridega, mis paiknevad laiendatud mõõtestruktuuriga 1 m vahedega. Muude temperatuuriandurite puhul võivad elektrijuhtmed, võrgud ja toide olla ebapraktilised, eriti piirkondades, kus sisemine ohutus võib olla oluline. Kuid DTS-i abil saavad kasutajad lihtsalt kiuda välja ja kinnitada selle turvalises kohas. Mitmekordsed võrgud on samuti potentsiaalselt väga olulised, kuigi neil ei ole veel vaja luua DTS-ile omast kaubanduslikku niši. FBG-de võrke, mis on kirjutatud ühe kiudpikkusega, on laialdaselt hinnatud koormus- ja / või temperatuuriandurite massiividena koormuse ja seisundi jälgimiseks, eriti süsinikkiust komposiitstruktuurides. Sageli nimetatakse neid "arukate struktuuridena", mis võimaldavad koguda operatiivseid andmeid sellistest struktuuridest nagu õhusõidukid ja sillad.
Põhimõtteliselt saab neid andmeid kasutada huvipakkuva struktuuri terviklikkuse määramiseks. Kuid praktikas jääb see raskustesse. Kindlasti saavad teadlased ja insenerid koguda laialdasi andmeid, kuid nende andmete tõlgendamise üle peetakse olulist arutelu. Eesmärk on tähistada usaldusväärseid struktuurse terviklikkuse näitajaid. Siiski on kasutajate usalduse ja õigusliku heakskiidu arendamine pikaajaline protsess. Keskkonnaseire on mitmekordse süsteemi jaoks veel üks potentsiaalne rakendus. Metaangaasi tekitamine prügilasse on oluline näitaja nii ala ohutuse kui ka selles toimuvate anaeroobsete lagunemisprotsesside edenemise kohta. Mõõtesüsteem, mis jälgib metaani gaasikontsentratsioone kohas, mille mõõtmed on suurusjärgus 10 km, annab eelise pideva hindamise ja sellest tulenevalt parema toimimise, eriti kui metaani - eriti aktiivset kasvuhoonegaasi - saab kasutada mitme megavatti elektrienergia tootmiseks. võimu.
Sellele rakendusele suunatud kiudoptilised süsteemid näitavad tohutut lubadust; need põhinevad väikese neeldumisrakuga, mida küsitleti ühemoodiliste kiudühenduste abil. Kuna keskkonnaalased eeskirjad muutuvad rangemaks, pakuvad sellised süsteemid potentsiaalselt lõplikku tehnoloogiat jäätmekäitlustoimingute jälgimiseks. Seda lähenemist kasutades on teostatavad multipleksitud süsteemid, mis käsitlevad rohkem kui 200 ühest laserallikast pärinevat andurit. Kuid pigem nagu FBG tüveandurite massiivid, on küsimus, mida teha kõigi nende süsteemide poolt kogutud andmetega, hämmingus. Lisaks on selle süsteemi potentsiaali kaasamine keskkonnaalastesse õigusaktidesse ja regulatiivsetesse standarditesse aeganõudev protsess.
Kiudoptiline güroskoop
On valdkondi, kus kiudoptilised andurid on hakanud ennast loomulikuks valikuks. Nad on äärmiselt konkurentsivõimelised hüdrofonide ja geofonidena, jällegi multipleksitud massiividena. Individuaalse andurelemendina on kiudoptiline güroskoop vaieldamatult kõige edukam. (Kiudoptiline güroskoop on näidatud alloleval joonisel.)
Güroskoobid mõõdavad inertsiaalses ruumis pöörlemist; need on olulised instrumendid navigatsiooni- ja positsioneerimissüsteemides ning stabiliseerimisseadmetes, mida kasutatakse õhusõidukites ja laevadel laialdaselt. Kiudoptiline güroskoop põhineb Sagnaci interferomeetri kiudoptilisel realiseerimisel, mis esmakordselt ilmnes peaaegu sajandit tagasi. Sagnaci interferomeetri idee on lihtne. Valgus käivitub kiirusjaoturist kahes suunas ringi ümber ja silmus pööratakse. Kui valgus on silmusepiirile tagasi, on valgus, mis pöörleb samas suunas, kui tala jagaja, on veidi kaugemal, kui valgus, mis pöörleb valgusjaoturi suunas. Järelikult on kahes suunas pöörlevate valguskiirte vahel väike viivitus, kui nad tulevad tagasi tala jagaja juurde. Seda ajaviivitust saab mõõta interferomeetriliselt optilise faasina.
Selle kontseptsiooni realiseerimine kiudoptilises vormis nõuab mõnda elegantset optikat ja hoolikat tehnikat. Umbes kümme aastat kestnud pingutus on andnud väga täpsed pöörlemismõõtevahendid väga usaldusväärselt. Selline töökindlus seisneb selles, et erinevalt mehaanilistest güroskoobidest (või isegi rõngaslaserist, mis põhineb ka Sagnaci efektil) ei ole kiudoptilistel güroskoopidel mehaanilisi liikuvaid osi. Lisaks sellele on fiiberoptilise güroskoobi skaalategur sõltumatu mehaanilisest kiirendusest, erinevalt väljakujunenud mehaanilisest pöörlevate rataste tehnoloogiast. Lisaks saab kiudoptilist güroskoopi konfigureerida mitmetes erinevates versioonides, mis käsitlevad erinevaid vajadusi täpsuse, eluea ja keskkonnasäästlikkuse osas. Aastas toodetakse ja müüakse mitmeid sadu tuhandeid kiudoptilisi güroskoope.
Teine edukas kiudoptiline andur, mis on leidnud laialdast kasutamist tsiviilehituses, on SOFO (prantsuse akronüüm optiliste kiudude kasutamise struktuuride jälgimiseks ). See valge valguskiud Michelsoni interferomeeter toimib täpsusega ekstensiivmõõturina üle mõne meetri pikkuste mõõtmetega, millel on pikaajaline stabiilsus ja täpne mehaaniline näit, mõõdetuna mikronites.
Stimuleeritud tüvede mõõtmiseks on kasutatud stimuleeritud brillouiini hajumist, eelkõige maapealsetes maavärinatega piirkondades paigaldatud kiudoptiliste sidekaablite puhul. Biomeditsiinis on kasulikud diagnostilised vahendid muutunud edukaks in vivo süsteemiks, näiteks inimeste maomahla hindamiseks. On palju teisi.
Kiudoptiliste andurite tulevik
Kiudoptilised andurid jätkavad hämmastamist. Nagu ka teistes fotoonika valdkondades, on teadlased rõõmustavad uute tehnoloogiate vormimise ja mõõtmise kontekstis. Fotoonilised kristallid ja fotoonilised kristallkiud paistavad huvitavatena - kuigi teadlased on vaevalt hakanud välja selgitama, kuidas neid väljavaateid mõnevõrra ortogonaalse andur-süsteemi keskkonda tõlgendada. Kiudoptilisel tehnoloogial põhinevad suure võimsusega laserid võimaldavad eriti uuenduslikku mittelineaarset materjalide iseloomustamist. Kiudoptiline kitsenemine ilmneb kahtlemata proovina, et uurida struktuure mikroskoopilisel või isegi nanoskoopilisel skaalal.
Arvutite uuendused ja laiendatud andmetöötlusvõimaluste kättesaadavus aitavad samuti parandada meie võimet tõlgendada andmeid sarnaste andurite suurtest massiividest ja viia kasulike täiendavate andurite kombinatsioonideni. Samuti on võimalused optiliste mikroelektromehaaniliste süsteemidega, kuigi need ei ole veel märgistatud kiudupõhiste anduritehnoloogiatena. Kiudoptiliste andurite tehnoloogia kasutamine jätkub aeglaselt, kuid pidevalt. Paralleelselt uurib teadusringkond uusi vahendeid ja otsib võimalusi nende rakendamiseks.