Fiber Optik Sensörlerin Uygulamaları ve Gelişimleri
Arka fon
Geçtiğimiz on yıllar boyunca, fiber optik teknolojisi telekomünikasyon endüstrisinde devrim yaratarak, yüksek kapasite, uzun mesafe iletişim ve şaşırtıcı derecede düşük maliyetlerle ağ oluşturma sağladı. Fiber optikler, diğer birçok uygulamada da önemli roller oynamıştır: Hassas işaretleme ve kesme için ışık sağlamak için kullanılmıştır; pratik, yüksek güçlü, yüksek tutarlılıkta bir lazer kaynağı olarak; görüntüleme sistemleri için; ve erişilemeyen yerlerde aydınlatma sağlamanın bir aracı olarak - şüpheli tadı olan yapay Noel ağaçları (şenlikli sezon boyunca kuşkusuz laboratuvarımızda ortaya çıkmıştır).
Fiber optikler telekom endüstrisinde büyük yapmadan önce bile, fiber optik teknolojisi endüstriyel ve çevresel algılama alanlarında umut vaat ediyordu. Yıllardır süren araştırmalar, jiroskoplar, sıcaklık probları, hidrofonlar ve kimyasal monitörler dahil olmak üzere güvenli, hassas fiber bazlı ölçüm cihazlarına dönüştürülmektedir. Aslında, fiber optik sensörler demiryollarından, tünellerden ve köprülerden endüstriyel fırınlara ve atık bertaraf sistemlerine kadar her yerde uygulamalar buluyor.
Fiber algılama - endüstriyel ve çevresel algılama uygulamaları için fiber optiklerin kullanılması - bu çok yönlü teknoloji için heyecan verici bir başka büyüme alanıdır. Örneğin, kendi enerjik konferans serisine sahip olan daha geniş algılama alanı içindeki tek disiplindir. Bu toplantılarda, araştırmacılar kan şekeri seviyesinden yerçekimi dalgalarına kadar her şeyi ölçmek için potansiyel teknikleri tanımladılar. Bazı fikirler laboratuvardan sensör teknolojisinin son derece rekabetçi pazarına sıçramıştır. Uygulamaları algılamak için fiber optiğin kullanılması, aslında iletişim ağlarındaki uygulamalarını önler. 1960'lı yılların ortalarında, özellikle takım tezgahı endüstrisindeki mesafeyi ve yer değiştirmeyi ölçen paket tabanlı bir cihaz olan “Fotonic” sensörün geliştirilmesiyle başladı. Fotonic kısa bir kariyere sahip kusurlu bir teknoloji olmasına rağmen, sensörün arkasındaki fikir araştırma topluluğunun hayal gücünü yakaladı.
Fiber Optik Sensörlerin Tanıtımı
mekanizma
Temel mekanizma basittir (aşağıdaki şekilde gösterilmiştir): Işığı bir optik elyafa besleyin; Işığın ilgilenilen parametre ile etkileşime dayalı olarak modüle edilmesini ayarlamak; ve sonra modüle edilmiş ışığı tekrar bir izleme noktasına iletir. Her adımda ilerlemenin çeşitli yolları vardır - özellikle ışığı modüle etmek için kullanılan yaklaşım - ancak bu teknolojinin özüdür.
Avantajları
Fiber optik sensörler, diğer algılama tekniklerine göre birçok avantaj sunar. Belki de en önemlisi, bu sensörler elektromanyetik toplayıcıya karşı bağışıklık kazanır ve çok uzun mesafeler boyunca fiber bağlantılardan erişilebilir - bazen onlarca kilometreye kadar uzanabilir. Lifler ayrıca tehlikeli ortamlarda kendinden güvenliklidir. Ek olarak, kimyasal olarak pasifler, küçük fiziksel boyutlara sahipler ve bir dizi çalışma ortamıyla mekanik olarak uyumlular.
Dezavantajları
Kaçınılmaz olarak, bu sensörlerin de sakıncaları vardır. Örneğin, bazı uygulamalarda veri yorumlama zordur, ve kullanıcının güvenini ve yasal kabulünü geliştirmek uzun bir süreç olabilir. Fiber-optiğin tartışmasız kurşun teknolojisi olduğu yüksek bant genişlikli iletişimden farklı olarak, algılama alanında mevcut çok sayıda başka seçenek vardır; fiber-optikler nadiren belirgin bir seçimdir - çok iyi bir seçenek olsa da.
İşlev ve Uygulamalar
Fiber optik sensörler, bir fiber mimarisi kullanan çevreye duyarlı interferometrelere dayandığında veya renklendirici dalga boyuna duyarlı davranışı izlerken, özellikle çok yönlüdür. İlk kategori dinamik basınç alanlarını (örneğin hidrofonlar ve jeofonlar) ölçmek için interferometreleri ve dönüş için Sagnac interferometresini; Sonuncusu, ara reaktiflerle etkileşime dayalı sensörler (örneğin, bir asit / alkali göstergesi) (bunlar arasında, optikler olarak adlandırılan bir asit / alkali göstergesi) ve gazlarda, sıvılar ve katılarda doğrudan spektroskopik ölçümler dahil olmak üzere hemen hemen her şeyi spektroskopik olarak kapsar. Bu kategori ayrıca Fiber Bragg Grating'in (FBG) en iyi bilinen olduğu çevreye duyarlı spektral filtreleri içerir.
Çok önemli - ama daha az belirgin olmayan - bir modülasyon mekanizması, gelen ışık, fiberin kendisinin malzemesi ve fiberin etrafındaki çevre arasında elastik olmayan etkileşimler içerir. Raman ve Brillouin saçılmasının en belirgin olduğu bu etkileşimler, elyaf boyunca hem ileri hem de önemli ölçüde geri yönde yayılan ışığın spektrumunda karakteristik doğrusal olmayan değişiklikler üretir. Gerçekten de, optik fiberlerin tahmin edilebilir geri saçılma üretme yeteneği, algılama uygulamaları için yeni umutlar yaratmaktadır. Fiber boyunca çevreyi araştırmak için geriye yayılan radyasyonun başlaması ve geri dönüşü arasındaki zaman gecikmesini ölçebilen sensör sistemleri kullanılabilir. Bu sözde dağıtılmış sensör teknikleri, fiber optik teknolojisine özgüdür.
Dağıtılmış sensörler, çok uzun etkileşim uzunlukları boyunca - onlarca kilometre boyunca gerginlik ve sıcaklık ölçümlerini kolaylaştırır. Üstelik, başlatılan ışıktaki geçici işleme modülasyonuna bağlı olarak, gerilme veya sıcaklık alanı, 1 metre sırasına veya hatta daha az bazı sistemlere göre mastar uzunlukları üzerinde yeterli hassasiyetten daha fazlasıyla çözülebilir. Benzer şekilde, fiber optik sensörler, nokta ölçüm cihazları dizisinin çoklanmış konfigürasyonları halinde kolayca yapılandırılabilir. Her cihaz ağa enerji vermek için sadece bir optik kaynak gerektirir. Bu, tipik olarak birkaç yüz sorgulama noktasına kadar çoğullama kabiliyeti, fiber optik sensörlerin başka bir tanımlayıcı özelliğidir.
Uygulamada Fiber Optik Sensörler
Algılama alanı, özel uygulamaları ele alan kendine has teknolojilerle doludur ve elyaf algılaması istisna değildir. Aynı tip bir teknoloji bir dizi ihtiyaca cevap vermek için kullanılabilse bile, ayrı ayrı cihazlar özel uygulamaya ve doğruluk, stabilite, çözünürlük, üretim hacmi ve diğer birbirine bağlı parametrelerin bir ana ihtiyacına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir.
Dağıtılmış Sıcaklık Algılama
Yıllar önce, Raman Dağıtılmış Sıcaklık Algılama (DTS) probu, fiber algılamaya dayanan bir prototip sistemi olarak ortaya çıktı (DTS konsepti aşağıdaki şekilde gösterilmektedir). Bu sonda, 1 ℃ 'lik ölçüm uzunlukları boyunca 1 ℃ hassasiyet ve tekrarlanabilirlik ile sıcaklık profillerini ve bir dakika sırasına göre ölçüm sürelerinde toplam onlarca kilometre uzunluğunu sorgulama uzunluklarını ölçebilir. DTS, tünellerde ve boru hatlarındaki sıcaklık değişimlerini ölçmek için güçlü bir araçtır. Günümüzde birçok sistem yeraltı demiryollarına, otoyol tünellerine ve büyük endüstriyel fırınlara kurulmaktadır. Arıza koşulları altında aşırı ısınmaya yatkın olabilecek büyük elektrikli makinelere başka sistemler yerleştirilmiştir.
DTS'nin temel faydası, bu teknolojinin, uzatılmış bir ölçüm yapısı boyunca 1 m aralıklarla yerleştirilen binlerce termokupluna eşdeğer olmasıdır. Diğer sıcaklık algılama sistemlerinde, elektriksel kablolama, ağ ve güç, özellikle içsel güvenliğin önemli olabileceği alanlarda pratik olmayabilir. Bununla birlikte, DTS ile, kullanıcılar elyafı kolayca açıp güvenli bir yere bağlayabilirler. Çok katlı ağlar da, potansiyel olarak çok önemlidir, ancak henüz DTS'nin sunduğu ticari nişi oluşturmadılar. Tek bir lif uzunluğunda yazılmış FBG'lerin ağları, özellikle karbon fiber kompozit yapılarda, yük ve durum izlemesi için gerilme ve / veya sıcaklık sensörlerinin dizileri olarak kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Genellikle “akıllı yapılar” olarak adlandırılan bu sensör dizileri, operasyonel verilerin uçak ve köprü gibi yapılardan toplanmasını kolaylaştırır.
Prensip olarak, bu veriler ilgilenilen yapının bütünlüğünü belirlemek için kullanılabilir. Ancak pratikte bu zorluklarla dolu. Elbette araştırmacılar ve mühendisler geniş veri toplayabilirler, ancak bu verilerin nasıl yorumlanacağı önemli tartışma konusudur. Amaç, yapısal bütünlüğün güvenilir göstergelerini göstermektir. Ancak, kullanıcının güvenini ve yasal kabulünü geliştirmek, uzun süren bir süreçtir. Çevresel izleme, çoklanmış sistemler için bir başka potansiyel uygulamadır. Bir depolama sahasında metan gazı oluşumu, hem sitenin güvenliğini hem de içinde yer alan anaerobik ayrıştırma işlemlerinin ilerleyişinin önemli bir göstergesidir. Boyutları 10 km olan bir alan üzerinde metan gazı konsantrasyonlarını izleyen bir ölçüm sistemi, özellikle metan - son derece aktif bir sera gazı - birkaç megawatt elektrik üretmek için kullanılabildiğinde, sürekli değerlendirme ve dolayısıyla daha iyi çalışma avantajı sunar. güç.
Bu uygulamayı hedef alan fiber optik sistemler çok büyük umut veriyor; tek modlu fiber bağlantılar kullanılarak sorgulanan küçük emilim hücrelerine dayanırlar. Çevresel düzenlemeler sıkılaştıkça, bu sistemler atık bertarafı işlemlerinin izlenmesi için potansiyel olarak kesin bir teknoloji sunmaktadır. Bu yaklaşımı kullanarak, tek bir lazer kaynağından 200'den fazla sensöre yönelik multipleks sistemler kullanılabilir. Bununla birlikte, FBG gerilme sensörü dizileri gibi, bu sistemlerin elde ettiği tüm verilerle ne yapılacağı sorusu şaşırtıcıdır. Ek olarak, bu sistem potansiyelini çevre mevzuatına ve düzenleyici standartlara dahil etmek zaman alıcı bir süreçtir.
Fiber Optik Jiroskop
Fiber optik sensörlerin kendilerini doğal seçim olarak belirlemeye başladıkları alanlar var. Yine çoklanmış dizilerde, hidrofonlar ve jeofonlar olarak son derece rekabetçidirler. Bireysel sensör elemanı olarak, fiber optik jiroskop tartışmasız en başarılı olanıdır. (Bir fiber optik jiroskop aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.)
Jiroskoplar atalet uzayındaki rotasyonu ölçer; Bunlar navigasyon ve konumlandırma sistemlerinde ve uçaklarda ve gemilerde yaygın olarak kullanılan stabilizasyon ekipmanlarında önemli araçlardır. Fiber optik jiroskop, Sagnac interferometresinin bir fiber optik gerçekleştirilmesine dayanır - bu da neredeyse bir yüzyıl önce gösterildi. Sagnac interferometresinin arkasındaki fikir basit. Işık, bir ilmek ayırıcıdan bir ilmeğin etrafındaki iki yönde fırlatılır ve ilmek döndürülür. Işık döngünün içindeyken ışın bölücüsüne geri dönerken, ışın bölücü ile aynı yönde dönen ışığın, ışın bölücünün yönüne doğru dönen ışığa göre biraz daha uzağa gitmesi gerekir. Sonuç olarak, kiriş ayırıcıya geri döndüklerinde iki yönde dönen ışık ışınları arasında küçük bir zaman gecikmesi vardır. Bu zaman gecikmesi, optik faz olarak interferometrik olarak ölçülebilir.
Bu konseptin fiber optik formda gerçekleşmesi için bazı zarif optikler ve özenli mühendislik gereklidir. Yaklaşık on yıllık bir çaba, çok yüksek güvenilirliğe sahip oldukça hassas rotasyon ölçüm cihazları sağlamıştır. Bu güvenilirlik, mekanik jiroskoplardan farklı olarak (veya Sagnac etkisine dayanan halka lazer sisteminin bile) fiber optik jiroskopların mekanik hareketli parçalarının bulunmamasından kaynaklanır. Ek olarak, fiber optik jiroskopun ölçek faktörü, daha yerleşik mekanik çıkrık teknolojisinin aksine, mekanik ivmeden bağımsızdır. Ayrıca, fiber optik jiroskop, doğruluk, kullanım ömrü ve çevresel tolerans anlamında farklı ihtiyaçlara yönelik bir çok farklı versiyonda yapılandırılabilir. Yılda birkaç yüz bin fiber optik jiroskop üretilip satılmaktadır.
İnşaat mühendisliğinde geniş uygulama alanı bulmuş diğer bir başarılı fiber optik sensör, SOFO'dur ( Optik Fiberler Kullanarak İzleme Yapıları için bir Fransız kısaltması) sistemidir. Bu beyaz-ışık lifi Michelson interferometresi, uzun süreli stabilite ve mikron cinsinden ölçülen hassas bir mekanik okuma ile birkaç on metre metreye kadar olan uzunluklarda hassas bir ekstansometre gibi davranır.
Uyarılmış Brillouin saçılması, özellikle depreme eğilimli bölgelerde kurulu fiber optik haberleşme kablolarında dağıtılmış gerilim ölçümü için kullanılmıştır. Biyotıpta, başarılı in vivo sistemlerde - örneğin insanlarda mide sularını değerlendirmek için - yararlı teşhis araçları olarak ortaya çıkmıştır. Diğerleri var.
Fiber Optik Sensörlerin Geleceği
Fiber optik sensörler etkilenmeye devam ediyor. Diğer fotonik alanlarında olduğu gibi, araştırmacılar algılama ve enstrümantasyon bağlamında yeni teknolojilerin kalıplanması konusunda heyecan duyuyorlar. Fotonik kristaller ve fotonik kristal lifleri ilginç görünmektedir - ancak araştırmacılar bu umutları biraz ortogonal sensör sistemi ortamında nasıl yorumlayabileceklerini anlamaya başlamamışlardır. Fiber optik teknolojisine dayanan yüksek güçlü lazerler, malzemelerin özellikle yenilikçi doğrusal olmayan karakterizasyonunu sağlar. Fiber optik konik, şüphesiz mikroskobik veya hatta nanoskopik ölçekte yapıları incelemek için bir prob olarak ortaya çıkacaktır.
Hesaplamadaki yenilikler ve genişletilmiş veri işleme kabiliyetinin mevcudiyeti, benzer sensörlerin büyük dizilerinden verileri yorumlama yeteneğimizi geliştirmemize ve tamamlayıcı sensörlerin yararlı kombinasyonlarına yol açmamıza yardımcı olacaktır. Ayrıca, optik mikro-elektromekanik sistemler için de fırsatlar mevcut, ancak bunlar henüz fiber tabanlı sensör teknolojileri olarak görülmedi. Fiber optik sensör teknolojisinin kullanımı, yavaş ama istikrarlı bir şekilde genişlemeye devam edecektir. Buna paralel olarak, araştırma topluluğu yeni araçları araştırmaya ve bunları uygulama fırsatları aramaya devam edecektir.
