Applikazzjonijiet u Avvanzi ta 'Fiber Optic Sensors
Sfond
Matul l-aħħar għexieren ta 'snin, it-teknoloġija tal-fibra ottika rrevoluzzjonat l-industrija tat-telekomunikazzjoni, billi ppermettiet komunikazzjoni u netwerking ta' kapaċità għolja, distanza twila u netwerking bi spejjeż baxxi ħafna. Il-fibra ottika kellha wkoll rwoli importanti f'bosta applikazzjonijiet oħra: Dawn intużaw biex jagħtu dawl għall-immarkar u t-tqattigħ ta 'preċiżjoni; bħala sors ta 'lejżer prattiku, ta' qawwa għolja, ta 'koerenza għolja; għal sistemi ta 'immaġini; u bħala mezz biex tkun ipprovduta illuminazzjoni f'postijiet inaċċessibbli - biex ma nsemmux għal siġar artifiċjali tal-Milied b'togħma dubjuża (li ċertament dehru fil-laboratorju tagħna matul l-istaġun tal-festi).
Anki qabel ma l-ottiki tal-fibra għamluha kbira fl-industrija tat-telekomunikazzjoni, it-teknoloġija tal-fibra ottika kienet qed turi wegħda fl-oqsma tas-sensing industrijali u ambjentali. Għexieren ta 'snin ta' riċerka issa qed jiġu tradotti fi strumenti ta 'kejl siguri u preċiżi bbażati fuq il-fibra, inklużi ġiroskopji, sondi tat-temperatura, idrofoni u moniters kimiċi. Tabilħaqq, sensuri tal-fibra ottika qegħdin isibu applikazzjonijiet kullimkien minn ferroviji, mini u pontijiet għal fran industrijali u sistemi ta 'rimi ta' skart.
Sejbien ta 'fibri - l-użu ta' fibra ottika għal applikazzjonijiet ta 'sensing industrijali u ambjentali - huwa qasam ieħor ta' tkabbir eċċitanti għal din it-teknoloġija versatili. Hija, pereżempju, l-unika dixxiplina fil-qasam usa 'tas-sensing li għandha s-serje enerġetika ta' konferenzi tagħha. F'dawn il-laqgħat, ir-riċerkaturi ddeskrivew tekniki potenzjali għall-kejl ta 'kollox mill-livelli taz-zokkor fid-demm sal-mewġ tal-gravità. Xi ideat għamlu l-qabża mil-laboratorju għal suq kompetittiv ħafna tat-teknoloġija tas-sensors. L-użu tal-fibra ottika għas-sensing tal-applikazzjonijiet fil-fatt qabel l-applikazzjonijiet tagħha fin-netwerks tal-komunikazzjoni. Bdiet bl-iżvilupp, f'nofs is-sittinijiet, tas-senser “Fotonic”, apparat ibbażat fuq sorra li jkejjel id-distanza u l-ispostament, partikolarment fl-industrija tal-għodod tal-magni. Għalkemm il-Fotonic kienet teknoloġija imperfetta bi karriera qasira, l-idea wara s-senser qabdet l-immaġinazzjoni tal-komunità tar-riċerka.
Introduzzjoni ta 'Fiber Optic Sensors
Mekkaniżmu
Il-mekkaniżmu bażiku huwa sempliċi (muri fil-figura hawn taħt): Ixgħel id-dawl ġo fibra ottika; tirranġa biex id-dawl jiġi modulat ibbażat fuq l-interazzjoni tiegħu mal-parametru ta 'interess; u mbagħad ittrażmetti d-dawl modulat lura għal punt ta 'monitoraġġ. Hemm diversi modi biex imorru madwar kull pass - b'mod partikolari, l-approċċ użat għall-modulazzjoni tad-dawl - iżda din hija l-essenza tat-teknoloġija.
Vantaġġi
Sensers tal-fibra ottika joffru bosta vantaġġi fuq tekniki oħra ta 'sensing. Forsi l-aktar importanti, dawn is-sensuri huma immuni għal ġbid elettromanjetiku u jistgħu jiġu aċċessati permezz tal-ħoloq tal-fibra għal distanzi twal ħafna - xi kultant jestendu għal għexieren ta 'kilometri. Il-fibri huma wkoll intrinsikament siguri f'ambjenti perikolużi. Barra minn hekk, huma kimikament passivi, għandhom dimensjonijiet fiżiċi żgħar, u huma mekkanikament kompatibbli ma 'għadd ta' ambjenti operattivi.
Żvantaġġi
Inevitabbilment, dawn is-sensuri għandhom ukoll żvantaġġi. Pereżempju, l-interpretazzjoni tad-dejta hija diffiċli f'ċerti applikazzjonijiet, u l-iżvilupp tal-kunfidenza tal-utent u l-aċċettazzjoni regolatorja jistgħu jkunu proċess twil. B'differenza minn komunikazzjonijiet ta 'frekwenza għolja, fejn il-fibra-ottika hija t-teknoloġija taċ-ċomb mhux ikkontestata, hemm bosta għażliet oħra disponibbli fil-qasam tas-sensing; fibra ottika rarament hija l-għażla ovvja - għalkemm tista ’tkun waħda tajba ħafna.
Funzjoni u Applikazzjonijiet
Sensers tal-fibra ottika huma partikolarment versatili meta jkunu bbażati fuq interferometri sensittivi għall-ambjent li jużaw arkitettura tal-fibra jew meta jimmonitorjaw imġiba sensittiva għat-tul tal-mewġ. L-ewwel kategorija tinkludi interferometri għall-kejl ta 'kampijiet ta' pressjoni dinamika (pereżempju idrofoni u ġeofoni) u l-interferometru ta 'Sagnac għar-rotazzjoni; din ta 'l-aħħar tinkludi kważi kollox spettroskopiku, inklużi sensuri bbażati fuq interazzjonijiet ma' reaġenti intermedji (per eżempju, indikatur ta 'aċidu / alkali) - ħafna drabi msejjaħ optrodes - u kejl spettroskopiku dirett f'gassijiet, likwidi u solidi. Din il-kategorija tinkludi wkoll filtri spettrali sensittivi għall-ambjent, li minnhom il- Fiber Bragg Grating (FBG) hija bil-wisq l-iktar magħrufa.
Mekkaniżmu ta 'modulazzjoni importanti ħafna - imma ferm inqas ovvju - jinkorpora interazzjonijiet mhux elastiċi fost id-dawl inċident, il-materjal tal-fibra nnifisha u l-ambjent madwar il-fibra. Dawn l-interazzjonijiet, li minnhom it-tifrix ta 'Raman u Brillouin huma l-aktar sinifikanti, jipproduċu bidliet mhux lineari karatteristiċi għall-ispettri tad-dawl li jinfirex tul il-fibra kemm f'direzzjonijiet' il quddiem kif ukoll, kruċjali, lura. Tabilħaqq, l-abilità tal-fibri ottiċi li jipproduċu backscattering prevedibbli tiftaħ prospetti ġodda għall-applikazzjonijiet tas-sensing. Sistemi ta 'sensors li jistgħu jkejlu d-dewmien tal-ħin bejn it-tnedija u r-ritorn ta' radjazzjoni backscattered jistgħu jintużaw biex jitgħarġu l-ambjent tul il-fibra. Dawn l-hekk imsejħa tekniki ta 'senser imqassam huma uniċi għat-teknoloġija tal-fibra ottika.
Sensuri distribwiti jiffaċilitaw il-kejl tal-pressjoni u tat-temperatura fuq tul ta 'interazzjoni twil ħafna - għal ħafna għexieren ta' kilometri. Barra minn hekk, jiddependi fuq il-modulazzjoni tal-ipproċessar temporali fuq id-dawl mitfi, il-firxa tal-istrain jew tat-temperatura tista 'tiġi riżolta b'aktar preċiżjoni adegwata fuq it-tulijiet tal-kejl fuq medda ta' metru, jew f'xi sistemi saħansitra inqas. Bl-istess mod, sensuri tal-fibra ottika jistgħu jiġu kkonfigurati faċilment f'konfigurazzjonijiet multiplexed ta 'matriċi ta' apparat għall-kejl tal-punti. Kull mezz jeħtieġ sors ottiku wieħed biss biex jagħmel in-netwerk l-enerġija. Din l-abbiltà li timmultiplika tipikament sa ftit mijiet ta 'punti ta' interrogazzjoni hija fattur ieħor li jiddefinixxi s-sensors tal-fibra ottika.
Sensers tal-Fibra Ottika fil-Prattika
Il-qasam tas-sensing huwa mimli b'teknoloġiji idjosinkratiċi li jindirizzaw applikazzjonijiet speċjalizzati, u s-sensing tal-fibra mhuwiex eċċezzjoni. Anki meta l-istess tip ta 'teknoloġija jista' jintuża biex jindirizza firxa ta 'ħtiġijiet, apparat individwali jista' jvarja ħafna skond l-applikazzjoni speċifika u r-rekwiżiti ta 'preċiżjoni, stabbiltà, riżoluzzjoni, volum ta' manifattura u għadd ta 'parametri interdipendenti oħra.
Sensing tat-Temperatura Distribwita
Ħafna għexieren ta 'snin ilu, is-sonda ta' Raman Distributed Temperatura Sensing (DTS) ħarġet bħala sistema ta 'prototip ibbażata fuq is-sensing tal-fibra (il-kunċett DTS jidher fil-figura hawn taħt). Dan is-sonda huwa kapaċi jkejjel profili tat-temperatura bi preċiżjoni ta '1 and u ripetibilità fuq tulijiet ta' kejl ta 'metru jew hekk u t-tul totali ta' interrogazzjoni ta 'għexieren ta' kilometri fi żminijiet ta 'kejl fuq ordni ta' minuta. Id-DTS hija għodda qawwija għall-kejl tal-bidliet fit-temperatura fil-mini u l-linji tal-pajpijiet. Ħafna sistemi issa huma installati fil-linji tal-ferrovija taħt l-art, fil-mini tal-awtostrada u fil-fran industrijali kbar. Sistemi oħra tqiegħdu f'makkinarju elettriku kbir, li jista 'jkun suxxettibbli għal sħana żejda f'kundizzjonijiet ta' ħsara.
Il-benefiċċju ewlieni tad-DTS huwa li din it-teknoloġija hija ekwivalenti għal ħafna eluf ta 'termokoppji, spazjati f'intervalli ta' 1-m tul struttura ta 'kejl estiża. B'sistemi oħra li jħossu t-temperatura, il-wajers elettriċi, in-netwerking u t-tqabbid tal-elettriku jistgħu ma jkunux prattiċi, speċjalment f'żoni fejn is-sikurezza intrinsika tista 'tkun importanti. Madankollu, bid-DTS, l-utenti jistgħu sempliċement iħaffu l-fibra u jqabbduha f'post sigur. Netwerks multiplexed huma wkoll potenzjalment importanti ħafna, għalkemm għad iridu jistabbilixxu n-niċċa kummerċjali li tgawdi d-DTS. Netwerks ta 'FBGs miktuba f'tul ta' fibra waħda ġew evalwati b'mod estensiv bħala matriċi ta 'sensuri tat-tensjoni u / jew tat-temperatura għall-monitoraġġ tat-tagħbija u l-kundizzjoni, partikolarment fi strutturi komposti tal-fibra tal-karbonju. Spiss imsejħa bħala “strutturi intelliġenti”, dawn il-matriċi ta 'sensors jiffaċilitaw il-ġbir ta' dejta operazzjonali minn strutturi bħal inġenji tal-ajru u pontijiet.
Fil-prinċipju, din id-data tista 'tintuża biex tiddetermina l-integrità ta' l-istruttura ta 'interess. Iżda fil-prattika, dan jibqa 'mimli diffikultà. Ċertament ir-riċerkaturi u l-inġiniera jistgħu jiġbru dejta estensiva, imma kif tinterpreta din id-data huwa s-suġġett ta 'dibattitu konsiderevoli. L-għan huwa li jiġu indikati indikaturi affidabbli tal-integrità strutturali. Madankollu, l-iżvilupp tal-kunfidenza tal-utent u l-aċċettazzjoni regolatorja huwa proċess twil. Il-monitoraġġ ambjentali huwa applikazzjoni oħra potenzjali għal sistemi multiplexed. Il-ġenerazzjoni ta 'gass tal-metanu f'sit ta' terraferma artifiċjali huwa indikatur importanti kemm tas-sigurtà tas-sit kif ukoll tal-progress tal-proċessi ta 'dekompożizzjoni anerobika li qed iseħħu fih. Sistema ta 'kejl li tissorvelja l-konċentrazzjonijiet ta' gass metanu fuq sit b'dimensjonijiet ta 'madwar 10 km toffri l-benefiċċju ta' valutazzjoni kontinwa u konsegwentement operazzjoni mtejba, speċjalment meta l-metanu - gass serra attiv ħafna - jista 'jintuża biex jiġġenera bosta megawatts ta' elettriku qawwa.
Is-sistemi tal-fibra ottika li jimmiraw din l-applikazzjoni juru wegħda enormi; huma bbażati fuq ċelloli żgħar ta 'assorbiment interrogati bl-użu ta' konnessjonijiet tal-fibra ta 'modalità waħda. Hekk kif ir-regolamenti ambjentali jsiru iktar stretti, sistemi bħal dawn joffru teknoloġija potenzjalment definittiva għall-monitoraġġ ta 'l-operazzjonijiet tar-rimi ta' l-iskart. Bl-użu ta 'dan l-approċċ, sistemi multiplexed li jindirizzaw aktar minn 200 sensur minn sors tal-laser wieħed huma fattibbli. Madankollu, pjuttost bħall-matriċi tas-sensur tat-tensjoni tal-FBG, il-kwistjoni ta 'x'għandek tagħmel mad-data kollha li jakkwistaw dawn is-sistemi hija mħawda. Barra minn hekk, l-inkorporazzjoni ta 'dan il-potenzjal tas-sistema fil-leġiżlazzjoni ambjentali u l-istandards regolatorji hija proċess li jieħu l-ħin.
Ġiroskopju tal-Fibra Ottika
Hemm żoni li fihom sensuri tal-fibra ottika bdew jistabbilixxu lilhom infushom bħala l-għażla naturali. Huma kompetittivi ħafna bħala idrofoni u ġeofoni, għal darb'oħra f'materjali multiplexed. Bħala element ta 'sensur individwali, il -ġiroskopju tal-fibra ottika huwa probabbilment l-iktar suċċess. (Ġiroskopju tal-fibra ottika jidher fil-figura hawn taħt.)
Il-ġiroskopji jkejlu r-rotazzjoni fl-ispazju inerzjali; huma strumenti essenzjali fis-sistemi ta 'navigazzjoni u pożizzjonament u fit-tagħmir ta' stabbilizzazzjoni li jintuża estensivament fl-inġenji tal-ajru u l-vapuri. Il-ġiroskopju tal-fibra ottika huwa bbażat fuq realizzazzjoni tal-fibra ottika tal-interferometru ta 'Sagnac - li l-ewwel ġie muri kważi seklu ilu. L-idea wara l-interferometru ta ’Sagnac hija sempliċi. Id-dawl jitnieda minn splitter tar-raġġ f'żewġ direzzjonijiet madwar linja u l-linja tiġi mdawra. Waqt li d-dawl ikun fil-linja fit-triq lura lejn l-isplitter tar-raġġ, id-dawl li jdur fl-istess direzzjoni bħall-isplitter tar-raġġ għandu ftit iktar il-bogħod milli jmur mid-dawl li jdur kontra d-direzzjoni tal-isplitter tar-raġġ. Konsegwentement, hemm dewmien żgħir bejn ir-raġġi tad-dawl li jduru fiż-żewġ direzzjonijiet mal-wasla tagħhom lura lejn l-isplitter tar-raġġ. Dan id-dewmien tal-ħin jista 'jitkejjel interferometrikament bħala fażi ottika.
Ir-realizzazzjoni ta 'dan il-kunċett f'forma ta' fibra ottika teħtieġ ottika eleganti u inġinerija bir-reqqa. Madwar għaxar snin ta 'sforz taw strumenti ta' kejl ta 'rotazzjoni preċiżi ħafna b'affidabilità għolja ħafna. Din l-affidabbiltà tinsab fil-fatt li, għall-kuntrarju tal-ġiroskopji mekkaniċi (jew anki s-sistema taċ-ċirkwit tal-lejżer, li hija bbażata wkoll fuq l-effett Sagnac), il-ġiroskopji tal-fibra ottika m'għandhom l-ebda partijiet mekkaniċi li jiċċaqilqu. Barra minn hekk, il-fattur tal-iskala tal-fibra ottika ġiroskopja huwa indipendenti mill-aċċellerazzjoni mekkanika, b'kuntrast mat-teknoloġija aktar stabbilita mekkanika tar-rota għażil. Barra minn hekk, il-ġiroskopju tal-fibra ottika jista 'jiġi kkonfigurat f'għadd ta' verżjonijiet differenti li jindirizzaw ħtiġijiet differenti f'termini ta 'preċiżjoni, ħajja u tolleranza ambjentali. Diversi mijiet ta 'eluf ta' ġiroskopji tal-fibra ottika huma manifatturati u mibjugħa kull sena.
Sensor tal-fibra ottika ta ’suċċess ieħor li sab applikazzjoni estensiva fl-inġinerija ċivili huwa s-sistema SOFO (akronimu Franċiż għall- Monitoraġġ ta’ Strutturi li jużaw ottiċi Fibri ). Din l-interferometru ta 'fibra ta' dawl abjad Michelson taġixxi bħala estensometru ta 'preċiżjoni fuq tulijiet ta' kejl sa ftit għexieren ta 'metri, bi stabbiltà fit-tul u qari mekkaniku ta' preċiżjoni mkejjel f'mikroni.
It-tifrix tal-Brillouin stimulat intuża għall-kejl tad-distribuzzjoni tar-razza, l-aktar fuq kejbils tal-komunikazzjoni tal-fibra ottika installati f'żoni suxxettibbli għat-terremot. Fil-bijomediċina, pereżempju sistemi in vivo - biex jevalwaw il-meraq tal-istonku fil-bnedmin, pereżempju - saru stabbiliti bħala għodod dijanjostiċi utli. Hemm ħafna oħrajn.
Il-Futur tas-Sensers tal-Fibra Ottika
Sensers tal-fibra ottika jkomplu fascinate. Bħal f'oqsma oħra tal-fotonika, ir-riċerkaturi huma eċċitati bil-prospett li jiffurmaw teknoloġiji ġodda fil-kuntest tas-sensing u l-istrumentazzjoni. Il-kristalli fotoniċi u l-fibri tal-kristalli fotoniċi jidhru interessanti - għalkemm ir-riċerkaturi bilkemm bdew jifhmu kif jinterpretaw dawn il-prospetti fl-ambjent tas-sistema tas-sensuri kemmxejn ortogonali. Lejżers b'qawwa għolja bbażati fuq teknoloġija tal-fibra ottika jippermettu karatterizzazzjoni tal-materjali mhux lineari speċjalment innovattiva. It-toner tal-fibra ottika bla dubju ma jerġa 'joħroġ bħala sonda biex jiġu eżaminati l-istrutturi fuq l-iskala mikroskopika, jew anke nanoskopika.
L-innovazzjonijiet fil-komputazzjoni u d-disponibbiltà ta 'kapaċità estiża ta' mmaniġġjar ta 'data se jgħinu wkoll biex itejbu l-abilità tagħna li ninterpretaw data minn matriċi kbar ta' sensers simili u jwasslu għal kombinazzjonijiet utli ta 'sensors kumplimentari. Hemm ukoll opportunitajiet b'sistemi ottiċi mikro-elettromekkaniċi, għalkemm dawn għad iridu jagħmlu l-marka tagħhom bħala teknoloġiji tas-sensuri bbażati fuq il-fibra. L-isfruttament tat-teknoloġija tas-sensur tal-fibra ottika se jkompli jespandi, bil-mod iżda b’mod stabbli. B'mod parallel, il-komunità tar-riċerka se tkompli tinvestiga għodod ġodda u tfittex opportunitajiet biex tapplikahom.
