Các ứng dụng và tiến bộ của cảm biến sợi quang
Lý lịch
Trong những thập kỷ qua, công nghệ cáp quang đã cách mạng hóa ngành công nghiệp viễn thông, cho phép truyền thông và kết nối đường dài, dung lượng cao với chi phí thấp đáng kinh ngạc. Sợi quang cũng đã đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác: Chúng đã được sử dụng để cung cấp ánh sáng để đánh dấu và cắt chính xác; như một nguồn laser kết hợp thực tế, công suất cao, cao; cho các hệ thống hình ảnh; và như một phương tiện để cung cấp ánh sáng ở những nơi không thể tiếp cận, không đề cập đến cây Giáng sinh nhân tạo có mùi vị nghi vấn (đã xuất hiện trong phòng thí nghiệm của chúng tôi trong mùa lễ hội).
Ngay cả trước khi cáp quang làm cho nó trở nên lớn trong ngành công nghiệp viễn thông, công nghệ sợi quang đã cho thấy sự hứa hẹn trong các lĩnh vực cảm biến công nghiệp và môi trường. Nhiều thập kỷ nghiên cứu hiện đang được dịch sang các dụng cụ đo dựa trên sợi chính xác, an toàn, bao gồm con quay hồi chuyển, đầu dò nhiệt độ, hydrophones và màn hình hóa học. Thật vậy, các cảm biến sợi quang đang tìm kiếm các ứng dụng ở khắp mọi nơi từ đường sắt, đường hầm và cầu đến lò nướng công nghiệp và hệ thống xử lý chất thải.
Cảm biến sợi cáp sử dụng sợi quang cho các ứng dụng cảm biến môi trường và công nghiệp, là một lĩnh vực tăng trưởng thú vị khác cho công nghệ đa năng này. Đó là, ví dụ, ngành học duy nhất trong lĩnh vực cảm nhận rộng hơn có chuỗi hội nghị năng lượng riêng. Tại các cuộc họp này, các nhà nghiên cứu đã mô tả các kỹ thuật tiềm năng để đo lường mọi thứ từ mức đường trong máu đến sóng hấp dẫn. Một số ý tưởng đã tạo ra bước nhảy vọt từ phòng thí nghiệm vào thị trường cạnh tranh cao của công nghệ cảm biến. Việc sử dụng sợi quang cho các ứng dụng cảm biến thực sự có trước các ứng dụng của nó trong các mạng truyền thông. Nó bắt đầu với sự phát triển, vào giữa những năm 1960, cảm biến của Fotonic, một thiết bị dựa trên bó để đo khoảng cách và chuyển vị, đặc biệt là trong ngành công cụ máy móc. Mặc dù Fotonic là một công nghệ không hoàn hảo với sự nghiệp ngắn ngủi, ý tưởng đằng sau cảm biến đã chiếm được trí tưởng tượng của cộng đồng nghiên cứu.
Giới thiệu cảm biến sợi quang
Cơ chế
Cơ chế cơ bản rất đơn giản (thể hiện trong hình bên dưới): Đưa ánh sáng vào sợi quang; sắp xếp ánh sáng được điều chế dựa trên sự tương tác của nó với tham số quan tâm; và sau đó truyền ánh sáng điều biến trở lại điểm giám sát. Cụ thể, có nhiều cách khác nhau để nói về từng bước, cụ thể là cách tiếp cận được sử dụng để điều chỉnh ánh sáng, nhưng đây là bản chất của công nghệ.
Ưu điểm
Cảm biến sợi quang cung cấp nhiều lợi thế hơn các kỹ thuật cảm biến khác. Có lẽ quan trọng nhất, những cảm biến này miễn nhiễm với bộ thu điện từ và có thể được truy cập thông qua các liên kết sợi trong khoảng cách rất dài, đôi khi kéo dài đến hàng chục km. Các sợi cũng thực sự an toàn trong môi trường nguy hiểm. Ngoài ra, chúng thụ động về mặt hóa học, có kích thước vật lý nhỏ và tương thích về mặt cơ học với một loạt các môi trường hoạt động.
Hạn chế
Chắc chắn, những cảm biến này cũng có nhược điểm. Việc giải thích dữ liệu là khó khăn với một số ứng dụng, ví dụ, và phát triển sự tin cậy của người dùng và sự chấp nhận theo quy định có thể là một quá trình dài. Không giống như truyền thông băng thông cao, trong đó cáp quang là công nghệ dẫn không thể tranh cãi, có rất nhiều tùy chọn khác có sẵn trong lĩnh vực cảm biến; sợi quang hiếm khi là sự lựa chọn rõ ràng, mặc dù nó có thể là một lựa chọn rất tốt.
Chức năng & Ứng dụng
Cảm biến sợi quang đặc biệt linh hoạt khi dựa trên giao thoa kế nhạy cảm với môi trường sử dụng kiến trúc sợi hoặc khi theo dõi hành vi nhạy cảm với bước sóng màu. Loại trước đây bao gồm giao thoa kế để đo các trường áp suất động (ví dụ như hydrophones và địa vật lý) và giao thoa kế Sagnac để quay; cái sau bao gồm hầu hết mọi thứ quang phổ, bao gồm các cảm biến dựa trên tương tác với thuốc thử trung gian (ví dụ, chất chỉ thị axit / kiềm), Wapoften gọi là optrodes, và đo quang phổ trực tiếp trong chất khí, chất lỏng và chất rắn. Danh mục này cũng bao gồm các bộ lọc quang phổ nhạy cảm với môi trường, trong đó cho đến nay, Fiber Bragg Grating (FBG) được biết đến nhiều nhất.
Một cơ chế điều chế rất quan trọng nhưng ít rõ ràng hơn, kết hợp các tương tác không đàn hồi giữa ánh sáng tới, vật liệu của chính sợi và môi trường xung quanh sợi. Những tương tác này, trong đó tán xạ Raman và Brillouin là quan trọng nhất, tạo ra những thay đổi phi tuyến đặc trưng cho quang phổ của ánh sáng truyền dọc theo sợi theo cả hai hướng thuận và ngược, ngược. Thật vậy, khả năng của các sợi quang để tạo ra tán xạ ngược có thể dự đoán sẽ mở ra triển vọng mới cho các ứng dụng cảm biến. Các hệ thống cảm biến có thể đo độ trễ thời gian giữa phóng và quay trở lại của bức xạ tán xạ ngược có thể được sử dụng để thăm dò môi trường dọc theo sợi. Những cái gọi là kỹ thuật cảm biến phân tán là duy nhất cho công nghệ sợi quang.
Các cảm biến phân tán tạo điều kiện thuận lợi cho các phép đo biến dạng và nhiệt độ trong thời gian tương tác rất dài có thể kéo dài đến hàng chục km. Ngoài ra, tùy thuộc vào điều chế xử lý thời gian trên ánh sáng phát ra, trường biến dạng hoặc nhiệt độ có thể được giải quyết với độ chính xác cao hơn đủ độ dài của thước đo theo thứ tự 1 mét, hoặc trong một số hệ thống thậm chí còn ít hơn. Tương tự, các cảm biến sợi quang có thể dễ dàng được cấu hình thành các cấu hình ghép của các mảng của thiết bị đo điểm. Mỗi thiết bị chỉ cần một nguồn quang để cung cấp năng lượng cho mạng. Khả năng ghép kênh này thường lên đến vài trăm điểm hỏi cung là một tính năng xác định khác của cảm biến sợi quang.
Cảm biến sợi quang trong thực tế
Lĩnh vực cảm biến đầy rẫy với các công nghệ bình dị giải quyết các ứng dụng chuyên môn, và cảm biến sợi cũng không ngoại lệ. Ngay cả khi cùng loại công nghệ có thể được sử dụng để giải quyết một loạt các nhu cầu, các thiết bị riêng lẻ có thể khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và các yêu cầu về độ chính xác, độ ổn định, độ phân giải, khối lượng sản xuất và một loạt các thông số phụ thuộc lẫn nhau.
Cảm biến nhiệt độ phân tán
Hơn nhiều thập kỷ trước, đầu dò cảm biến nhiệt độ phân tán Raman (DTS) đã nổi lên như một hệ thống nguyên mẫu dựa trên cảm biến sợi (khái niệm DTS được thể hiện trong hình bên dưới). Đầu dò này có khả năng đo các cấu hình nhiệt độ với độ chính xác và độ lặp lại 1oC trên độ dài đo 1 mét hoặc hơn và tổng chiều dài thẩm vấn hàng chục km trong thời gian đo theo thứ tự một phút. DTS là một công cụ mạnh mẽ để đo lường sự thay đổi nhiệt độ trong đường hầm và đường ống. Nhiều hệ thống hiện được lắp đặt trong đường sắt ngầm, đường hầm đường cao tốc và lò nướng công nghiệp lớn. Các hệ thống khác đã được đặt trong các máy móc điện lớn, có thể dễ bị quá nóng trong điều kiện lỗi.
Lợi ích chính của DTS là công nghệ này tương đương với hàng ngàn cặp nhiệt điện, cách nhau 1 m dọc theo cấu trúc đo mở rộng. Với các hệ thống cảm biến nhiệt độ khác, hệ thống dây điện, kết nối mạng và cấp nguồn có thể không thực tế, đặc biệt là trong các lĩnh vực mà an toàn nội tại có thể quan trọng. Tuy nhiên, với DTS, người dùng chỉ cần cuộn sợi và gắn nó ở nơi an toàn. Mạng đa kênh cũng có tiềm năng rất quan trọng, mặc dù họ vẫn chưa thiết lập được vị trí thương mại mà DTS yêu thích. Mạng của FBGs được viết trong một chiều dài sợi đơn đã được đánh giá rộng rãi như các mảng cảm biến căng thẳng và / hoặc nhiệt độ để theo dõi tải trọng và tình trạng, đặc biệt là trong các cấu trúc hỗn hợp sợi carbon. Thường được mệnh danh là các cấu trúc thông minh của người dùng, các mảng cảm biến này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập dữ liệu vận hành từ các cấu trúc như máy bay và cầu.
Về nguyên tắc, những dữ liệu này có thể được sử dụng để xác định tính toàn vẹn của cấu trúc quan tâm. Nhưng trong thực tế, điều này vẫn còn đầy khó khăn. Chắc chắn các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể thu thập dữ liệu rộng rãi, nhưng làm thế nào để diễn giải những dữ liệu này là chủ đề của cuộc tranh luận đáng kể. Mục đích là để biểu thị các chỉ số đáng tin cậy về tính toàn vẹn cấu trúc. Tuy nhiên, phát triển niềm tin của người dùng và sự chấp nhận theo quy định là một quá trình kéo dài. Giám sát môi trường là một ứng dụng tiềm năng khác cho các hệ thống ghép kênh. Việc tạo ra khí metan trong bãi chôn lấp là một chỉ số quan trọng về cả sự an toàn của khu vực và tiến trình của quá trình phân hủy kỵ khí đang diễn ra trong đó. Một hệ thống đo lường theo dõi nồng độ khí metan trên một địa điểm có kích thước 10 km mang lại lợi ích cho việc đánh giá liên tục và do đó hoạt động được cải thiện, đặc biệt là khi khí mêtan có thể sử dụng khí nhà kính cực kỳ tích cực để tạo ra vài megawatt điện quyền lực.
Hệ thống sợi quang nhắm vào ứng dụng này cho thấy nhiều hứa hẹn; chúng dựa trên các tế bào hấp thụ nhỏ được thẩm vấn bằng các liên kết sợi đơn mode. Khi các quy định môi trường trở nên chặt chẽ hơn, các hệ thống như vậy cung cấp một công nghệ có khả năng dứt khoát để giám sát các hoạt động xử lý chất thải. Sử dụng phương pháp này, các hệ thống ghép kênh giải quyết hơn 200 cảm biến từ một nguồn laser là khả thi. Tuy nhiên, giống như các mảng cảm biến biến dạng FBG, câu hỏi phải làm gì với tất cả dữ liệu mà các hệ thống này thu được là bối rối. Ngoài ra, việc kết hợp tiềm năng hệ thống này vào luật pháp môi trường và các tiêu chuẩn quy định là một quá trình tốn thời gian.
Con quay hồi chuyển sợi quang
Có những lĩnh vực trong đó các cảm biến sợi quang đã bắt đầu tự thiết lập như là sự lựa chọn tự nhiên. Chúng cực kỳ cạnh tranh như hydrophones và geophones, một lần nữa trong các mảng ghép. Là một yếu tố cảm biến riêng lẻ, con quay hồi chuyển sợi quang được cho là thành công nhất. (Một con quay hồi chuyển sợi quang được hiển thị trong hình bên dưới.)
Con quay hồi chuyển đo vòng quay trong không gian quán tính; chúng là những dụng cụ thiết yếu trong hệ thống định vị và định vị và trong các thiết bị ổn định được sử dụng nhiều trong máy bay và tàu thủy. Con quay hồi chuyển sợi quang dựa trên sự hiện thực hóa sợi quang của giao thoa kế Sagnac đã được chứng minh lần đầu tiên cách đây gần một thế kỷ. Ý tưởng đằng sau giao thoa kế Sagnac rất đơn giản. Ánh sáng được phóng ra từ một bộ tách chùm theo hai hướng xung quanh một vòng lặp và vòng lặp được quay. Trong khi ánh sáng ở trong vòng lặp trên đường quay trở lại bộ tách chùm, thì ánh sáng quay cùng hướng với bộ tách chùm tia đi xa hơn một chút so với ánh sáng quay ngược với hướng của bộ tách chùm. Do đó, có một độ trễ thời gian nhỏ giữa các chùm ánh sáng quay theo hai hướng khi chúng quay trở lại bộ tách chùm. Thời gian trễ này có thể được đo bằng phương pháp đo giao thoa dưới dạng pha quang.
Việc hiện thực hóa khái niệm này ở dạng sợi quang đòi hỏi một số quang học thanh lịch và kỹ thuật cẩn thận. Khoảng một thập kỷ nỗ lực đã mang lại các dụng cụ đo lường quay rất chính xác với độ tin cậy rất cao. Sự tin cậy đó nằm ở chỗ, không giống như con quay cơ học (hay thậm chí là hệ thống laser vòng, cũng dựa trên hiệu ứng Sagnac), con quay sợi quang không có bộ phận chuyển động cơ học. Ngoài ra, hệ số tỷ lệ của con quay hồi chuyển sợi quang không phụ thuộc vào gia tốc cơ học, trái ngược với công nghệ bánh xe quay cơ học được thiết lập nhiều hơn. Hơn nữa, con quay hồi chuyển sợi quang có thể được cấu hình trong một loạt các phiên bản khác nhau nhằm đáp ứng các nhu cầu đa dạng về độ chính xác, tuổi thọ và dung sai môi trường. Vài trăm nghìn con quay sợi quang được sản xuất và bán mỗi năm.
Một cảm biến sợi quang thành công khác đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật dân dụng là SOFO (một từ viết tắt của tiếng Pháp để theo dõi cấu trúc sử dụng sợi quang ). Giao thoa kế Michelson bằng sợi ánh sáng trắng này hoạt động như một máy đo độ chính xác trên chiều dài của thước đo lên đến vài chục mét, với độ ổn định lâu dài và chỉ số cơ học chính xác được đo bằng micron.
Tán xạ Brillouin được kích thích đã được sử dụng để đo biến dạng phân tán, đáng chú ý nhất là trên các cáp truyền thông sợi quang được lắp đặt ở các khu vực dễ bị động đất. Trong y sinh, các hệ thống in vivo thành công, dùng để đánh giá dịch dạ dày ở người, ví dụ, đã được thành lập như một công cụ chẩn đoán hữu ích. Có nhiều người khác.
Tương lai của cảm biến sợi quang
Cảm biến sợi quang tiếp tục mê hoặc. Như trong các lĩnh vực khác của quang tử, các nhà nghiên cứu rất hào hứng về triển vọng đúc các công nghệ mới vào bối cảnh cảm biến và thiết bị. Các tinh thể quang tử và các sợi tinh thể quang tử trông có vẻ thú vị mặc dù các nhà nghiên cứu hầu như chưa bắt đầu tìm ra cách diễn giải các triển vọng này vào môi trường hệ thống cảm biến hơi trực giao. Laser công suất cao dựa trên công nghệ sợi quang cho phép đặc tính hóa phi tuyến của vật liệu. Không còn nghi ngờ gì nữa, cáp quang sẽ xuất hiện trở lại như một đầu dò để kiểm tra các cấu trúc trên thang đo hiển vi, hoặc thậm chí là nano.
Những đổi mới trong điện toán và khả năng xử lý dữ liệu mở rộng cũng sẽ giúp cải thiện khả năng diễn giải dữ liệu của chúng tôi từ các mảng lớn của các cảm biến tương tự và dẫn đến sự kết hợp hữu ích của các cảm biến bổ sung. Ngoài ra còn có cơ hội với các hệ thống cơ điện tử quang học, mặc dù những điều này vẫn chưa tạo được dấu ấn như các công nghệ cảm biến dựa trên sợi quang. Khai thác công nghệ cảm biến sợi quang sẽ tiếp tục mở rộng, chậm nhưng đều đặn. Song song, cộng đồng nghiên cứu sẽ tiếp tục điều tra các công cụ mới và tìm kiếm cơ hội để áp dụng chúng.
