Skaidulinių optinių jutiklių taikymas ir pažanga
Fonas
Per pastaruosius dešimtmečius optinių skaidulų technologija sukėlė revoliuciją telekomunikacijų pramonei, leidžianti didelės talpos, tolimojo susisiekimo ir tinklų kūrimo, kurių išlaidos yra labai mažos. Pluoštinė optika taip pat atliko svarbų vaidmenį daugelyje kitų taikomųjų programų: jie buvo naudojami šviesai, skirtai tiksliam žymėjimui ir pjovimui; kaip praktiškas, didelio galingumo, didelio suderinamumo lazerinis šaltinis; vaizdavimo sistemoms; ir kaip priemonė, skirta apšviesti neprieinamose vietose - jau nekalbant apie abejotino skonio dirbtinius Kalėdų eglučius (kurie, žinoma, pasirodė mūsų laboratorijoje šventinio sezono metu).
Net prieš pluoštinę optiką, kuri tapo didelė telekomunikacijų pramonėje, optinio pluošto technologija pažadėjo pramoninės ir aplinkos apsaugos srityse. Dešimtmečių tyrimai dabar verčiami į saugius, tikslius pluošto matavimo prietaisus, įskaitant giroskopus, temperatūros zondus, hidrofonus ir cheminius monitorius. Iš tiesų, šviesolaidiniai jutikliai suranda taikomąsias programas visur nuo geležinkelių, tunelių ir tiltų iki pramoninių krosnių ir atliekų šalinimo sistemų.
Šviesolaidžių tyrimas - pluošto optikos naudojimas pramoninėms ir aplinkos jutimo programoms - yra dar viena įdomi šios universalios technologijos augimo sritis. Tai, pvz., Yra vienintelė disciplina platesnėje jutimo srityje, turinti savo energetinę konferencijų seriją. Šiuose susitikimuose mokslininkai aprašė galimus metodus, kad būtų galima matuoti viską nuo cukraus kiekio kraujyje iki gravitacinių bangų. Kai kurios idėjos lėtina iš laboratorijos į labai konkurencingą jutiklių technologijos rinką. Skaidulinės optikos naudojimas taikomosioms programoms tikrinti iš tikrųjų yra ankstesnis už jos taikymą ryšių tinkluose. Jis prasidėjo 1960-ųjų viduryje sukuriant „Fotonic“ jutiklį, paketais pagrįstą prietaisą, kuris matuoja atstumą ir poslinkį, ypač staklių pramonėje. Nors „Fotonic“ buvo netobula technologija, turinti trumpą karjerą, jutiklio užsklanda užfiksavo mokslo bendruomenės vaizduotę.
Skaidulinių optinių jutiklių įvedimas
Mechanizmas
Pagrindinis mechanizmas yra paprastas (parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje): Šviesą įeina į optinį pluoštą; pasirūpinti, kad šviesa būtų moduliuojama remiantis jos sąveika su dominančiu parametru; tada perduoti moduluotą šviesą atgal į stebėjimo tašką. Yra daug būdų, kaip eiti į kiekvieną žingsnį - ypač metodą, naudojamą šviesos moduliavimui, tačiau tai yra technologijos esmė.
Privalumai
Skaiduliniai optiniai jutikliai turi daug privalumų, palyginti su kitais jutimo būdais. Galbūt svarbiausia, kad šie jutikliai yra atsparūs elektromagnetiniam imtuvui ir gali būti pasiekiami per pluošto jungtis labai ilgais atstumais, kartais iki dešimčių kilometrų. Pluoštai taip pat yra saugūs pavojingoje aplinkoje. Be to, jie yra chemiškai pasyvūs, turi nedidelius fizinius matmenis ir yra mechaniškai suderinami su daugybe veiklos aplinkų.
Trūkumai
Be to, šie jutikliai taip pat turi trūkumų. Pavyzdžiui, kai kuriose programose duomenų interpretavimas yra sudėtingas, o vartotojų pasitikėjimo ir reguliavimo priėmimas gali būti ilgas procesas. Skirtingai nuo didelės spartos ryšių, kai pluoštinė optika yra neginčijama švino technologija, yra daug kitų galimybių jutimo srityje; šviesolaidžiai retai yra akivaizdus pasirinkimas, nors jis gali būti labai geras.
Funkcijos ir programos
Skaiduliniai optiniai jutikliai yra ypač universalūs, kai jie yra grindžiami ekologiškai jautriais interferometrais, kurie naudoja pluošto architektūrą arba stebi spalvų bangų ilgio jautrumą. Pirmoji kategorija apima interferometrus dinaminių slėgio laukų (pvz., Hidrofonų ir geofonų) matavimui ir Sagnac interferometrą sukimui; pastarasis apima beveik viską spektroskopinius, įskaitant jutiklius, pagrįstus sąveika su tarpiniais reagentais (pvz., rūgšties / šarmų indikatoriumi), kurie vadinami optrodais, ir tiesioginiai spektroskopiniai matavimai dujose, skysčiuose ir kietosiose medžiagose. Į šią kategoriją taip pat įeina aplinkosaugos požiūriu jautrūs spektriniai filtrai, kurių pluošto grotelės (FBG) yra labiausiai žinomos.
Labai svarbus, bet ne toks akivaizdus moduliavimo mechanizmas apima neelastingą sąveiką tarp atsitiktinės šviesos, pačios pluošto medžiagos ir aplinką aplink pluoštą. Šios sąveikos, iš kurių Raman ir Brilluino sklaida yra svarbiausios, sukuria būdingus netiesinius pokyčius šviesos, plaukiojančios palei pluoštą, spektru tiek į priekį, tiek iš esmės atgal. Iš tiesų, optinių skaidulų gebėjimas gaminti nuspėjamą grįžtamąjį ryšį atveria naujas perspektyvas taikomosioms programoms. Jutiklių sistemas, galinčias matuoti laiko tarpą tarp grįžtamosios spinduliuotės paleidimo ir grąžinimo, galima naudoti zondavimui aplinkos aplink pluoštą. Šie vadinamieji paskirstytų jutiklių metodai yra unikalūs skaidulinės optikos technologijai.
Paskirstyti jutikliai palengvina įtampos ir temperatūros matavimus per labai ilgus sąveikos ilgius - iki daugybės dešimčių kilometrų. Be to, priklausomai nuo laiko apdorojimo moduliacijos paleidžiamoje šviesoje, deformacijos arba temperatūros laukas gali būti išspręstas daugiau nei tinkamu tikslumu virš matuoklio ilgių 1 m, arba kai kuriose sistemose dar mažiau. Panašiai, šviesolaidiniai jutikliai gali būti lengvai sukonfigūruoti į punktų matavimo įtaisų matricų konfigūracijas. Kiekvienam įrenginiui reikalingas tik vienas optinis šaltinis tinklui įjungti. Šis gebėjimas dauginti dažniausiai iki kelių šimtų apklausos taškų yra dar vienas šviesolaidžių jutiklių bruožas.
Optinio pluošto jutikliai praktikoje
Jutimo sritis yra paplitusi su išskirtinėmis technologijomis, kurios sprendžia specialistų programas, o pluošto jutimas nėra išimtis. Net jei tos pačios rūšies technologija gali būti naudojama įvairiems poreikiams patenkinti, atskiri prietaisai gali labai skirtis, priklausomai nuo konkretaus taikymo ir jos tikslumo, stabilumo, skiriamosios gebos, gamybos apimties ir kitų tarpusavyje susijusių parametrų.
Paskirstyta temperatūra
Dar prieš dešimtmečius Raman'o paskirstyto temperatūros jutimo (DTS) zondas pasirodė kaip prototipas, pagrįstas pluošto jutimu (DTS koncepcija parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje). Šis zondas gali matuoti 1 ℃ tikslumo ir pakartojamumo temperatūros profilius 1 metrų ilgio matmenų ilgio ir viso dešimčių kilometrų apklausos trukmės matavimo laikais minutės tvarka. DTS yra galingas įrankis temperatūros pokyčiams tuneliuose ir vamzdynuose matuoti. Daugelis sistemų įdiegtos požeminiuose geležinkeliuose, greitkelių tuneliuose ir didelėse pramoninėse krosnyse. Kitos sistemos įrengtos didelėse elektrinėse mašinose, kurios gali būti linkusios perkaitinti gedimo sąlygomis.
Pagrindinė DTS nauda yra ta, kad ši technologija prilygsta daugeliui tūkstančių termoporų, išdėstytų 1 m intervalais, išilgai matavimo struktūros. Naudojant kitas temperatūros jutimo sistemas, elektros instaliacija, tinklų sujungimas ir maitinimas gali būti nepraktiški, ypač tose vietose, kur esminis saugumas gali būti svarbus. Tačiau, naudodamiesi DTS, vartotojai gali paprasčiausiai išskleisti pluoštą ir pritvirtinti ją saugioje vietoje. Daugkartiniai tinklai taip pat gali būti labai svarbūs, nors jie dar turi nustatyti komercinę nišą, kurią naudoja DTS. Vieno pluošto ilgio FBG tinklai buvo plačiai vertinami kaip apkrovos ir (arba) temperatūros jutiklių, skirtų apkrovos ir būklės stebėjimui, masyvai, ypač anglies pluošto kompozitinėse konstrukcijose. Dažnai vadinamos „protingomis struktūromis“, šios jutiklių grupės palengvina operatyvinių duomenų rinkimą iš tokių struktūrų kaip orlaiviai ir tiltai.
Iš esmės šie duomenys gali būti naudojami norint nustatyti interesų struktūros vientisumą. Tačiau praktikoje tai lieka sudėtinga. Žinoma, mokslininkai ir inžinieriai gali rinkti išsamius duomenis, tačiau, kaip interpretuoti šiuos duomenis, diskutuojama. Tikslas - nurodyti patikimus struktūrinio vientisumo rodiklius. Tačiau vartotojų pasitikėjimo ir reguliavimo priėmimas yra ilgas procesas. Aplinkos stebėsena yra dar viena potenciali daugkartinių sistemų taikymas. Metano dujų susidarymas sąvartynuose yra svarbus tiek vietos saugos, tiek jame vykstančių anaerobinių skilimo procesų pažangos rodiklis. Matavimo sistema, kuri stebi metano dujų koncentraciją vietoje, kurios matmenys yra apie 10 km, suteikia nuolatinio vertinimo naudą ir todėl pagerina jų veikimą, ypač kai metanas - ypač aktyvus šiltnamio efektą sukeliantis dujas - gali būti naudojamas gaminti keletą megavatų elektros energijos. galia.
Skaidulinės optikos sistemos, skirtos šiai programai, rodo didžiulį pažadą; jie yra pagrįsti mažomis absorbcijos ląstelėmis, apklaustomis naudojant vienmodžius pluošto ryšius. Kadangi aplinkosaugos taisyklės tampa griežtesnės, tokios sistemos siūlo potencialiai galutinę atliekų šalinimo operacijų stebėjimo technologiją. Taikant šį metodą, įmanomos daugkartinės sistemos, skirtos daugiau kaip 200 jutiklių iš vieno lazerio šaltinio. Tačiau, kaip ir FBG padermės jutiklių matricos, kyla klausimas, ką daryti su visais duomenimis, kuriuos šios sistemos gauna. Be to, šio sistemos potencialo įtraukimas į aplinkos apsaugos teisės aktus ir reguliavimo standartus yra daug laiko reikalaujantis procesas.
Fiber Optic giroskopas
Yra sričių, kuriose šviesolaidiniai jutikliai pradėjo įsitvirtinti kaip natūralus pasirinkimas. Jie yra labai konkurencingi kaip hidrofonai ir geofonai, vėl kartotinėse matricose. Kaip atskiras jutiklio elementas, skaidulinės optinės giroskopas yra tikrai sėkmingiausias. (Optinio pluošto giroskopas pateikiamas žemiau esančiame paveikslėlyje.)
Giroskopai matuoja sukimąsi inercinėje erdvėje; jos yra pagrindinės navigacijos ir padėties nustatymo sistemų bei stabilizavimo įrangos, naudojamos plačiai orlaiviuose ir laivuose, priemonės. Šviesolaidinis giroskopas yra pagrįstas „Sagnac“ interferometro šviesolaidiniu realizavimu, kuris pirmą kartą buvo parodytas beveik prieš šimtmetį. „Sagnac“ interferometro idėja yra paprasta. Šviesa paleidžiama iš spindulio skirstytuvo dviem kryptimis aplink kilpą ir kilpa sukama. Nors šviesa yra linijoje, kuri grįžta atgal į spindulių skirstytuvą, šviesa, besisukanti ta pačia kryptimi, kaip spindulio skirstytuvas, šiek tiek toliau eina nei šviesa, besisukanti prieš spindulio daliklio kryptį. Todėl tarp šviesos spindulių, besisukančių dviejose kryptyse, grįžtant prie spindulio skirstytuvo, yra nedidelis laiko tarpas. Šis laiko tarpas gali būti matuojamas interferometriniu būdu kaip optinė fazė.
Šios koncepcijos realizavimas optinio pluošto formoje reikalauja elegantiškos optikos ir kruopštos inžinerijos. Maždaug dešimtmetis pastangų davė labai tikslius sukimosi matavimo prietaisus su labai dideliu patikimumu. Šis patikimumas slypi tuo, kad, skirtingai nei mechaniniai giroskopai (arba net žiedinė lazerinė sistema, kuri taip pat grindžiama Sagnac poveikiu), skaidulinės optinės giroskopai neturi mechaninių judančių dalių. Be to, optinio pluošto giroskopo skalės koeficientas nepriklauso nuo mechaninio pagreičio, priešingai nei labiau nustatyta mechaninė verpimo ratų technologija. Be to, šviesolaidinis giroskopas gali būti sukonfigūruotas įvairiose versijose, skirtas įvairiems poreikiams, atsižvelgiant į tikslumą, tarnavimo laiką ir aplinkos toleranciją. Kasmet gaminami ir parduodami keli šimtai tūkstančių skaidulinių optinių giroskopų.
Kitas sėkmingas pluošto optinis jutiklis, kuris surado platų taikymą civilinėje inžinerijoje, yra SOFO (Prancūzijos akronimas „ Stebėjimo konstrukcijų stebėjimas naudojant optinius pluoštus“ ). Šis baltos šviesos pluošto „Michelson“ interferometras veikia kaip tikslumo matuoklis per matuoklio ilgius iki kelių dešimčių metrų, ilgalaikio stabilumo ir tikslaus mechaninio rodmens matavimo mikronais.
Stimuliuojamos įtampos matavimams buvo naudojamas stimuliuojamas Brillouin sklaida, ypač ant įrengtų pluošto optinių ryšių kabelių žemės drebėjimo zonose. Biomedicijoje sėkmingos in vivo sistemos, skirtos įvertinti žmogaus skrandžio sultis, tapo naudingomis diagnostikos priemonėmis. Yra daug kitų.
Skaidulinių optinių jutiklių ateitis
Skaiduliniai optiniai jutikliai ir toliau žavi. Kaip ir kitose fotonikos srityse, mokslininkai džiaugiasi, kad naujos technologijos gali būti formuojamos į jutimo ir instrumentų kontekstą. Fotoniniai kristalai ir fotoniniai kristaliniai pluoštai atrodo įdomūs, nors mokslininkai vos pradėjo suprasti, kaip šias perspektyvas interpretuoti į šiek tiek ortogoninę jutiklio-sistemos aplinką. Didelės galios lazeriai, pagrįsti optinio pluošto technologija, leidžia ypač novatorišką netiesinį medžiagų apibūdinimą. Šviesolaidžio kūgis, be abejo, vėl iškils kaip zondas, skirtas tirti mikroskopinio ar net nanoskopinio skalės struktūras.
Kompiuterijos naujovės ir išplėstinės duomenų tvarkymo galimybės taip pat padės pagerinti mūsų gebėjimą interpretuoti duomenis iš didelių panašių jutiklių masyvų ir sukelti naudingų papildomų jutiklių derinius. Taip pat yra galimybių su optinėmis mikroelektromechaninėmis sistemomis, nors jos dar neturi būti žymimos kaip šviesolaidžių jutiklių technologijos. Optinio pluošto jutiklių technologijos panaudojimas ir toliau didės, lėtai, bet pastoviai. Tuo pat metu mokslinių tyrimų bendruomenė toliau tirs naujas priemones ir ieško galimybių jas taikyti.
