Kuituoptisten anturien sovellukset ja edistysaskeleet
Tausta
Viime vuosikymmenten aikana kuituoptiset teknologiat ovat mullistaneet televiestintäalan, mikä mahdollistaa suurikapasiteetin, kaukoliikenteen ja verkostoitumisen hämmästyttävän alhaisilla kustannuksilla. Kuituoptiikka on myös ollut tärkeä rooli lukuisissa muissa sovelluksissa: Niitä on käytetty tuottamaan tarkkoja merkintöjä ja leikkauksia varten valoa; käytännöllisenä, suuritehoisena, korkean johdonmukaisuuden laserlähteenä; kuvantamisjärjestelmille; ja keinona tarjota valaistusta esteettömissä paikoissa - puhumattakaan kyseenalaisen makuisen keinotekoisista joulupuista (jotka ovat todellakin ilmestyneet laboratoriossamme juhla-aikana).
Jo ennen kuituoptiikan tekemistä televiestinnän alalla kuituoptinen tekniikka oli lupaava teollisuus- ja ympäristötunnistamisen aloilla. Vuosikymmenten tutkimukset muunnetaan nyt turvallisiksi, tarkoiksi kuitupohjaisiksi mittalaitteiksi, mukaan lukien gyroskoopit, lämpötila-anturit, hydrofonit ja kemialliset monitorit. Itse asiassa kuituoptiset anturit löytävät sovelluksia kaikkialla rautateiltä, tunneleilta ja silloilta teollisuusuuneihin ja jätehuoltojärjestelmiin.
Kuitujen tunnistaminen - kuituoptiikan käyttö teollisuus- ja ympäristötunnistussovelluksissa - on toinen jännittävä kasvualue tähän monipuoliseen teknologiaan. Se on esimerkiksi ainoa tieteenala, joka on laajemman tunnistusalueen sisällä ja jolla on oma energinen sarjan konferensseja. Näissä kokouksissa tutkijat ovat kuvailleet mahdollisia tekniikoita kaiken mittaamiseksi verensokeriarvosta gravitaatioaaltoihin. Jotkut ajatukset ovat tehneet harppauksen laboratoriosta korkean kilpailun anturitekniikan markkinoille. Kuituoptiikan käyttö sovellusten havaitsemiseksi on ennen sen sovelluksia viestintäverkkoissa. Se alkoi kehittäessään 1960-luvun puolivälissä "Fotonic" -anturia, joka on nippupohjainen laite, joka mittaa etäisyyttä ja siirtymää erityisesti konetyökaluteollisuudessa. Vaikka Fotonic oli epätäydellinen teknologia, jossa oli lyhyt ura, anturin takana oleva ajatus otti tutkijayhteisön mielikuvituksen.
Kuituoptisten anturien käyttöönotto
Mekanismi
Perusmekanismi on yksinkertainen (esitetty alla olevassa kuvassa): Syötä valoa valokuituun; järjestää valo moduloitavaksi sen vuorovaikutuksen perusteella kiinnostavan parametrin kanssa; ja sitten lähetetään moduloitu valo takaisin valvontapisteeseen. Jokaisella askeleella voi mennä eri tavoin - erityisesti valon moduloimiseen - mutta tämä on tekniikan ydin.
edut
Kuituoptiset anturit tarjoavat monia etuja muihin tunnistustekniikoihin verrattuna. Ehkä tärkeintä on, että nämä anturit ovat immuuneja sähkömagneettiselle poiminnalle ja niitä voidaan käyttää kuitulinkkien kautta hyvin pitkille etäisyyksille - joskus ulottuu kymmeniin kilometreihin. Kuidut ovat myös luontaisesti turvallisia vaarallisissa ympäristöissä. Lisäksi ne ovat kemiallisesti passiivisia, niillä on pienet fyysiset mitat ja ne ovat mekaanisesti yhteensopivia useiden toimintaympäristöjen kanssa.
haittoja
Näillä antureilla on väistämättä myös haittoja. Tietojen tulkinta on vaikeaa esimerkiksi tietyissä sovelluksissa, ja käyttäjien luottamuksen ja sääntelyn hyväksymisen kehittäminen voi olla pitkä prosessi. Toisin kuin laajakaistayhteyksissä, joissa kuituoptiikka on kiistaton lyijyteknologia, havaitsemisen alalla on lukuisia muita vaihtoehtoja; kuituoptiikka on harvoin ilmeinen valinta - vaikka se voi olla erittäin hyvä.
Toiminnot ja sovellukset
Kuituoptiset anturit ovat erityisen monipuolisia, kun ne perustuvat ympäristöystävällisiin interferometreihin, jotka käyttävät kuiturakennetta tai valvovat väriaineen aallonpituuden herkkää käyttäytymistä. Ensimmäiseen luokkaan kuuluvat interferometrit dynaamisten painekenttien mittaamiseen (esimerkiksi hydrofonit ja geofonit) ja Sagnac-interferometri pyörimistä varten; jälkimmäinen kattaa lähes kaikki spektroskooppiset, mukaan lukien anturit, jotka perustuvat vuorovaikutukseen välituoteainepro- jektien kanssa (esimerkiksi happo / alkali-indikaattori), joita kutsutaan usein optrodeiksi, ja suorat spektroskooppiset mittaukset kaasuissa, nesteissä ja kiintoaineissa. Tähän luokkaan kuuluvat myös ympäristön kannalta herkkiä spektrisuodattimia, joista kuituverkko (FBG) on selvästi tunnetuin.
Erittäin tärkeä, mutta selvästi vähemmän ilmeinen modulaatiomekanismi sisältää joustamattomat vuorovaikutukset tulevan valon, itse kuidun materiaalin ja kuitua ympäröivän ympäristön välillä. Nämä vuorovaikutukset, joista Ramanin ja Brillouinin sironta ovat merkittävimmät, tuottavat tunnusomaisia epälineaarisia muutoksia kuitua etenevän valon spektreihin sekä eteenpäin että taaksepäin suuntautuviin suuntiin. Itse asiassa optisten kuitujen kyky tuottaa ennustettavissa olevaa takaisinkytkentää avaa uusia mahdollisuuksia havaita sovelluksia. Anturijärjestelmiä, jotka voivat mitata ajallisen viiveen takaisinkytkennän säteilyn käynnistämisen ja palauttamisen välillä, voidaan käyttää koettamaan ympäristö kuitua pitkin. Nämä ns. Hajautetut anturitekniikat ovat ainutlaatuisia kuituoptiikan tekniikalle.
Hajautetut anturit helpottavat venymän ja lämpötilan mittaamista erittäin pitkien vuorovaikutuspituuksien kautta - moniin kymmeniin kilometreihin. Lisäksi, riippuen ajallisesta prosessointimodulaatiosta käynnistyneessä valossa, venymä- tai lämpötila-kenttä voidaan ratkaista enemmän kuin riittävällä tarkkuudella yli 1 metrin mittaisten pituuksien yli tai joissakin järjestelmissä jopa vähemmän. Samoin kuituoptiset anturit voidaan konfiguroida helposti pistemittauslaitteiden matriisien multipleksoituihin konfiguraatioihin. Jokainen laite vaatii vain yhden optisen lähteen verkkoon. Tämä kyky multipleksoida tyypillisesti jopa muutama sata kyselypistettä on toinen kuituoptisten antureiden määritelmä.
Kuituoptiset anturit käytännössä
Tunnistusala on täynnä idiosynkratisia tekniikoita, jotka käsittelevät erikoisohjelmia, eikä kuitujen tunnistaminen ole poikkeus. Vaikka samaa tyyppiä olevaa tekniikkaa voidaan käyttää erilaisten tarpeiden käsittelemiseen, yksittäiset laitteet voivat vaihdella suuresti riippuen tietystä sovelluksesta ja sen vaatimuksista tarkkuudelle, stabiilisuudelle, resoluutiolle, valmistusmäärälle ja monille muille toisistaan riippuvaisille parametreille.
Jaettu lämpötila-anturi
Noin vuosikymmeniä sitten Ramanin jakautunut lämpötila- anturi (DTS) kehittyi kuitutunnistukseen perustuvana prototyyppijärjestelmänä (DTS-käsite on esitetty alla olevassa kuvassa). Tämä anturi kykenee mittaamaan lämpötilaprofiileja, joiden tarkkuus ja toistettavuus on 1 ℃ 1 metrin pituudeltaan ja kymmenien kilometrien kokonaiskokeet mittausaikana minuutin ajan. DTS on tehokas väline tunnelien ja putkilinjojen lämpötilan muutosten mittaamiseen. Monia järjestelmiä on nyt asennettu maanalaisiin rautateihin, valtatietunneleihin ja suuriin teollisuusuuneihin. Muut järjestelmät on sijoitettu suuriin sähkökoneisiin, jotka saattavat olla alttiita ylikuumenemiseen vikatilanteissa.
DTS: n pääasiallinen etu on, että tämä tekniikka vastaa monia tuhansia lämpöparia, jotka on sijoitettu 1 m: n välein pitkin laajennettua mittausrakennetta. Muiden lämpötila-anturijärjestelmien kanssa sähköjohdot, verkkoyhteydet ja virransyöttö voivat olla epäkäytännöllisiä erityisesti alueilla, joilla sisäinen turvallisuus saattaa olla tärkeää. DTS: n avulla käyttäjät voivat kuitenkin yksinkertaisesti kiertää kuidun ja kiinnittää sen turvalliseen paikkaan. Myös multipleksoidut verkot ovat potentiaalisesti erittäin tärkeitä, vaikka ne eivät ole vielä luoneet DTS: n käyttämää kaupallista markkinaraon. FBG-verkkoja, jotka on kirjoitettu yhdellä kuitupituudella, on arvioitu laajalti kuormitus- ja / tai lämpötila-antureiden ryhminä kuormitus- ja kunnonvalvontaan erityisesti hiilikuitukomposiittirakenteissa. Näitä antureita kutsutaan usein "älykkeiksi rakenteiksi", jotka helpottavat operatiivisten tietojen keräämistä sellaisista rakenteista kuin ilma-alukset ja sillat.
Periaatteessa näitä tietoja voidaan käyttää kiinnostavan rakenteen eheyden määrittämiseen. Mutta käytännössä tämä on edelleen vaikeaa. Tietenkin tutkijat ja insinöörit voivat kerätä laajaa tietoa, mutta miten näitä tietoja tulkitaan huomattavasti. Tavoitteena on osoittaa luotettavia rakenteellisen eheyden indikaattoreita. Käyttäjien luottamuksen ja sääntelyn hyväksymisen kehittäminen on kuitenkin pitkäaikainen prosessi. Ympäristön seuranta on vielä yksi mahdollinen sovellus multipleksoituihin järjestelmiin. Metaanikaasun syntyminen kaatopaikalle on tärkeä osoitus sekä alueen turvallisuudesta että sen sisällä tapahtuvien anaerobisten hajoamisprosessien etenemisestä. Mittausjärjestelmä, joka valvoo metaanikaasupitoisuuksia alueella, jonka mitat ovat noin 10 km, tarjoaa jatkuvan arvioinnin ja siten parannetun toiminnan, erityisesti silloin, kun metaania - erittäin aktiivista kasvihuonekaasua - voidaan käyttää tuottamaan useita megawatteja sähköä teho.
Tähän sovellukseen kohdistuvat valokuitujärjestelmät osoittavat valtavia lupauksia; ne perustuvat pieniin absorptiosoluihin, jotka on kysytty yksimuotoisilla kuitulinkeillä. Ympäristölainsäädännön tiukentumisen myötä tällaiset järjestelmät tarjoavat mahdollisesti lopullisen teknologian jätteiden hävittämistoimien seurannalle. Tätä lähestymistapaa käyttämällä on mahdollista toteuttaa multipleksoituja järjestelmiä, jotka käsittelevät yli 200 anturia yhdestä laserlähteestä. Kuitenkin pikemminkin kuin FBG-kanta-anturiryhmät, kysymys siitä, mitä tehdä kaikkien näiden järjestelmien hankkimien tietojen kanssa, on hämmentävää. Tämän järjestelmän mahdollisuuksien sisällyttäminen ympäristölainsäädäntöön ja sääntelystandardeihin on myös aikaa vievä prosessi.
Kuituoptinen gyroskooppi
On olemassa alueita, joilla valokuituanturit ovat alkaneet muodostaa itsensä luonnolliseksi valinnaksi. Ne ovat erittäin kilpailukykyisiä hydrofoneina ja geofoneina jälleen kerran multipleksoiduissa ryhmissä. Yksittäisenä anturielementtinä kuituoptinen gyroskooppi on todennäköisesti menestynein. (Kuituoptinen gyroskooppi on esitetty alla olevassa kuvassa.)
Gyroskoopit mittaavat pyörimistä inertiavaruudessa; Ne ovat olennaisia välineitä navigointi- ja paikannusjärjestelmissä ja vakautuslaitteissa, joita käytetään laajasti lentokoneissa ja aluksissa. Kuituoptinen gyroskooppi perustuu Sagnacin interferometrin kuituoptiseen toteutukseen, joka osoitettiin ensimmäisen kerran lähes vuosisadan sitten. Sagnac-interferometrin idea on yksinkertainen. Valo käynnistyy säteenjakajalta kahdessa suunnassa silmukan ympärille ja silmukkaa pyöritetään. Vaikka valo on silmukassa matkalla takaisin säteenjakajaan, valo, joka pyörii samaan suuntaan kuin säteenjakaja, on hieman kauempana kuin valonsäde, joka pyörii säteenjakajan suuntaa vasten. Näin ollen kahdessa suunnassa pyörivien valonsäteiden välillä on pieni viive niiden saapuessa takaisin säteenjakajaan. Tämä aikaviive voidaan mitata interferometrisesti optisena vaiheena.
Tämän konseptin toteutuminen kuituoptisessa muodossa vaatii joitakin tyylikkäitä optiikoita ja huolellista suunnittelua. Noin vuosikymmenen ponnistelu on tuottanut erittäin tarkkoja pyörimismittauslaitteita erittäin luotettavasti. Tämä luotettavuus perustuu siihen, että toisin kuin mekaaniset gyroskoopit (tai jopa rengaslaserijärjestelmä, joka perustuu myös Sagnac-tehoon), kuituoptisilla gyroskoopeilla ei ole mekaanisia liikkuvia osia. Lisäksi kuituoptisen gyroskoopin mittasuhde on riippumaton mekaanisesta kiihtyvyydestä, toisin kuin vakiintuneempi mekaaninen kehruulaite. Lisäksi kuituoptinen gyroskooppi voidaan konfiguroida useissa eri versioissa, jotka käsittelevät erilaisia tarpeita tarkkuuden, käyttöiän ja ympäristön toleranssin suhteen. Useita satoja tuhansia kuituoptisia gyroskooppeja valmistetaan ja myydään vuodessa.
Toinen onnistunut kuituoptinen anturi, joka on löytänyt laajamittaisen sovelluksen maa- ja vesirakentamisessa, on SOFO (ranskalainen lyhenne seurantarakenteille, joissa käytetään optisia kuituja ). Tämä valkoisen valon kuitu Michelson-interferometri toimii tarkkuuden ulottuvuusmittarina yli muutaman kymmenen metrin mittaisten pituuksien pituudeltaan, pitkäaikainen stabiilisuus ja tarkkuus mekaaninen lukema mitattuna mikrometreinä.
Stimuloitua Brillouin-hajotusta on käytetty hajautetun venymittauksen mittaamiseen, etenkin asennetuissa kuituoptisten tietoliikennekaapeleissa maanjäristyksen aiheuttamilla alueilla. Biolääketieteessä menestyksekkäitä in vivo -järjestelmiä, esimerkiksi mahalaukun mehujen arvioimiseksi ihmisissä, on tullut käyttökelpoisiksi diagnostisiksi työkaluiksi. On monia muita.
Kuituoptisten antureiden tulevaisuus
Kuituoptiset anturit kiehtovat edelleen. Kuten muillakin fotoniikan aloilla, tutkijat ovat innoissaan mahdollisuudesta muovata uusia tekniikoita aistin- ja instrumentointikontekstiin. Fotoniset kiteet ja fotoniset kristallikuidut näyttävät mielenkiintoisilta - vaikka tutkijat ovat tuskin alkaneet selvittää, miten tulkita näitä näkymiä hieman ortogonaalisiin anturijärjestelmiin. Valokuitutekniikkaan perustuvat suuritehoiset laserit mahdollistavat erityisesti innovatiivisen materiaalin epälineaarisen karakterisoinnin. Kuituoptinen kartio ilmaantuu epäilemättä koettimena, jolla tutkitaan rakenteita mikroskooppisessa tai jopa nanoskooppisessa mittakaavassa.
Tietojenkäsittelyn innovaatiot ja laajennetun tietojenkäsittelyominaisuuden saatavuus auttavat myös parantamaan kykyämme tulkita tietoja suurten samankaltaisten anturijärjestelmien joukosta ja johtaa hyödyllisten täydentävien anturien yhdistelmiin. Optisten mikroelektromekaanisten järjestelmien avulla on myös mahdollisuuksia, vaikka niillä ei vielä ole merkitystä kuitupohjaisten anturiteknologioiden muodossa. Kuituoptisten anturiteknologian hyödyntäminen laajenee edelleen hitaasti, mutta tasaisesti. Samalla tutkimusyhteisö tutkii jatkuvasti uusia välineitä ja etsii mahdollisuuksia soveltaa niitä.