Toepassingen en ontwikkelingen van glasvezelsensoren
Achtergrond
In de afgelopen decennia heeft glasvezeltechnologie een revolutie teweeggebracht in de telecommunicatie-industrie, waardoor communicatie met hoge capaciteit, langeafstandsverbindingen en netwerken tegen verbluffend lage kosten mogelijk is. Glasvezel heeft ook een belangrijke rol gespeeld in tal van andere toepassingen: ze zijn gebruikt om licht te leveren voor precisiemarkering en -snijden; als een praktische, high-power, high-coherence laserbron; voor afbeeldingssystemen; en als middel om verlichting te bieden op ontoegankelijke plaatsen - om nog maar te zwijgen van kunstmatige kerstbomen met een twijfelachtige smaak (die weliswaar in het feestseizoen in ons laboratorium zijn verschenen).
Nog voordat glasvezel het groot had gemaakt in de telecomsector, toonde de glasvezeltechnologie zich veelbelovend op het gebied van industriële en milieutechnologie. Tientallen jaren van onderzoek worden nu vertaald in veilige, precieze vezelgebaseerde meetinstrumenten, waaronder gyroscopen, temperatuursondes, hydrofoons en chemische monitors. Glasvezel-sensoren vinden immers overal toepassingen, van spoorwegen, tunnels en bruggen tot industriële ovens en afvalverwijderingssystemen.
Fiber-sensing - het gebruik van glasvezel voor industriële en omgevingsdetectietoepassingen - is een ander opwindend groeigebied voor deze veelzijdige technologie. Het is bijvoorbeeld de enige discipline binnen het bredere veld van waarneming die zijn eigen energieke reeks van conferenties heeft. Tijdens deze bijeenkomsten beschreven onderzoekers mogelijke technieken om alles te meten, van bloedsuikerspiegel tot gravitatiegolven. Sommige ideeën hebben de sprong van het laboratorium naar de zeer competitieve markt van sensortechnologie gemaakt. Het gebruik van glasvezel voor het waarnemen van applicaties dateert van te voren in toepassingen in communicatienetwerken. Het begon met de ontwikkeling, in het midden van de jaren zestig, van de "Fotonic" -sensor, een bundelgebaseerd apparaat dat afstand en verplaatsing meet, met name in de gereedschapsmachinebranche. Hoewel de Fotonic een onvolmaakte technologie was met een korte loopbaan, sprak het idee achter de sensor tot de verbeelding van de onderzoeksgemeenschap.
Introductie van glasvezelsensoren
Mechanisme
Het basismechanisme is eenvoudig (weergegeven in de onderstaande afbeelding): voer licht in een optische vezel; zorg ervoor dat het licht wordt gemoduleerd op basis van de interactie met de betreffende parameter; en verzend vervolgens het gemoduleerde licht terug naar een bewakingspunt. Er zijn verschillende manieren om elke stap te doen, in het bijzonder de benadering die wordt gebruikt om het licht te moduleren, maar dit is de essentie van de technologie.
voordelen
Glasvezelsensoren bieden veel voordelen ten opzichte van andere detectietechnieken. Misschien wel het belangrijkste, deze sensoren zijn immuun voor elektromagnetische pick-up en zijn toegankelijk via de vezelverbindingen voor zeer lange afstanden - soms tot tientallen kilometers. De vezels zijn ook intrinsiek veilig in gevaarlijke omgevingen. Bovendien zijn ze chemisch passief, hebben ze kleine fysieke afmetingen en zijn ze mechanisch compatibel met een groot aantal operationele omgevingen.
nadelen
Het is onvermijdelijk dat deze sensoren ook nadelen hebben. Het interpreteren van gegevens is moeilijk met bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld, en het ontwikkelen van gebruikersvertrouwen en wettelijke acceptatie kan een langdurig proces zijn. Anders dan bij communicatie met hoge bandbreedte, waar glasvezel de onbetwiste lead-technologie is, zijn er tal van andere opties beschikbaar op het gebied van detectie; glasvezel is zelden de voor de hand liggende keuze, hoewel het een zeer goede keuze kan zijn.
Functie en toepassingen
Glasvezelsensoren zijn bijzonder veelzijdig als ze zijn gebaseerd op milieugevoelige interferometers die gebruikmaken van een vezelarchitectuur of bij het bewaken van het colororgolflengtegevoelig gedrag. De eerste categorie omvat interferometers voor het meten van dynamische drukvelden (bijvoorbeeld hydrofoons en geofonen) en de Sagnac-interferometer voor rotatie; de laatste omvat bijna alles spectroscopisch, inclusief sensoren op basis van interacties met intermediaire reagentia (bijvoorbeeld een zuur / alkali-indicator), vaak aangeduid als optrodes en directe spectroscopische metingen in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen. Deze categorie omvat ook milieugevoelige spectrale filters, waarvan de Fiber Bragg Grating (FBG) verreweg het meest bekend is.
Een zeer belangrijk - maar veel minder voor de hand liggend - modulatiemechanisme omvat inelastische interacties tussen het invallende licht, het materiaal van de vezel zelf en de omgeving van de vezel. Deze interacties, waarvan Raman en Brillouin-verstrooiing de meest significante zijn, produceren karakteristieke niet-lineaire veranderingen in de spectra van het licht dat zich langs de vezel voortplant in zowel voorwaartse als cruciale, achterwaartse richtingen. Het vermogen van optische vezels om voorspelbare terugverstrooiing te produceren, biedt inderdaad nieuwe perspectieven voor detectietoepassingen. Sensorsystemen die de tijdvertraging tussen de lancering en de terugkeer van terugverstrooide straling kunnen meten, kunnen worden gebruikt om de omgeving langs de vezel te onderzoeken. Deze zogenaamde gedistribueerde sensortechnieken zijn uniek voor glasvezeltechnologie.
Gedistribueerde sensoren maken metingen van spanning en temperatuur mogelijk over zeer lange interactielengtes - tot vele tientallen kilometers. Bovendien kan, afhankelijk van de temporele verwerkingsmodulatie op het gelanceerde licht, het rek- of temperatuurveld worden opgelost met meer dan voldoende precisie over meterlengtes in de orde van 1 meter, of in sommige systemen zelfs minder. Op soortgelijke wijze kunnen vezeloptische sensoren gemakkelijk worden geconfigureerd tot gemultiplexte configuraties van reeksen van puntmeetinrichtingen. Elk apparaat heeft slechts één optische bron nodig om het netwerk van energie te voorzien. Deze mogelijkheid om typisch tot enkele honderden ondervragingspunten te multiplexen is een ander bepalend kenmerk van optische vezelsensoren.
Glasvezelsensoren in de praktijk
Het waarnemingsveld staat vol met eigenzinnige technologieën die gericht zijn op gespecialiseerde toepassingen, en vezelwaarneming vormt hierop geen uitzondering. Zelfs wanneer hetzelfde type technologie kan worden gebruikt om aan een reeks behoeften te voldoen, kunnen afzonderlijke apparaten sterk variëren, afhankelijk van de specifieke toepassing en de vereisten van nauwkeurigheid, stabiliteit, resolutie, productievolume en een groot aantal andere onderling afhankelijke parameters.
Gedistribueerde temperatuurwaarneming
Meer dan tientallen jaren geleden ontstond de Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) -sonde als een prototypesysteem op basis van vezelwaarneming (het DTS-concept wordt in de onderstaande afbeelding getoond). Deze sonde is in staat om temperatuurprofielen te meten met een nauwkeurigheid van 1 ℃ en herhaalbaarheid in meters van 1 meter of zo en totale ondervragingslengten van tientallen kilometers in meettijden in de orde van een minuut. De DTS is een krachtig hulpmiddel voor het meten van temperatuurveranderingen in tunnels en pijplijnen. Veel systemen worden nu geïnstalleerd in ondergrondse spoorwegen, snelwegtunnels en grote industriële ovens. Andere systemen zijn geplaatst in grote elektrische machines, die onder oververhitting vatbaar kunnen zijn voor oververhitting.
Het belangrijkste voordeel van de DTS is dat deze technologie gelijkwaardig is aan vele duizenden thermokoppels, met intervallen van 1 m langs een uitgebreide meetstructuur. Met andere temperatuurdetectiesystemen kunnen elektrische bedrading, netwerken en voeding onpraktisch zijn, vooral in gebieden waar intrinsieke veiligheid van belang kan zijn. Met DTS kunnen gebruikers eenvoudigweg de vezel uitrollen en op een veilige plek bevestigen. Gemultiplexte netwerken zijn ook potentieel erg belangrijk, hoewel ze nog niet de commerciële niche hebben vastgesteld die de DTS geniet. Netwerken van FBG's geschreven in een enkele vezellengte zijn uitgebreid geëvalueerd als reeksen van spanning- en / of temperatuursensoren voor belasting- en conditiebewaking, in het bijzonder in koolstofvezelcomposietstructuren. Deze arrays van sensoren worden vaak omschreven als "slimme structuren" en vergemakkelijken het verzamelen van operationele gegevens van structuren zoals vliegtuigen en bruggen.
In principe kunnen deze gegevens worden gebruikt om de integriteit van de van belang zijnde structuur te bepalen. Maar in de praktijk blijft dit beladen met problemen. Zeker onderzoekers en ingenieurs kunnen uitgebreide gegevens verzamelen, maar hoe deze gegevens te interpreteren, is het onderwerp van veel discussie. Het doel is om betrouwbare indicatoren voor structurele integriteit aan te geven. Het ontwikkelen van gebruikersvertrouwen en wettelijke acceptatie is echter een langdurig proces. Milieumonitoring is nog een andere potentiële toepassing voor gemultiplexte systemen. De productie van methaangas op een stortplaats is een belangrijke indicator voor zowel de veiligheid van de locatie als de voortgang van de anaërobe ontbindingsprocessen die zich daarin afspelen. Een meetsysteem dat methaangasconcentraties meet over een site met afmetingen in de orde van grootte van 10 km biedt het voordeel van continue beoordeling en bijgevolg een verbeterde werking, vooral wanneer het methaan - een extreem actief broeikasgas - kan worden gebruikt voor het genereren van meerdere megawatt elektrische stroom. macht.
Glasvezelsystemen die op deze toepassing zijn gericht, laten een enorme belofte zien; ze zijn gebaseerd op kleine absorptiecellen die worden ondervraagd met behulp van single-mode glasvezelverbindingen. Naarmate milieuregels strenger worden, bieden dergelijke systemen een potentieel definitieve technologie voor het controleren van afvalverwijderingsactiviteiten. Met behulp van deze benadering zijn multiplexsystemen die meer dan 200 sensoren van een enkele laserbron aanspreken, haalbaar. Echter, zoals de FBG-strain-sensorarrays, is de vraag wat te doen met alle gegevens die deze systemen verkrijgen verwarrend. Bovendien is het opnemen van dit systeempotentieel in milieuwetgeving en wettelijke normen een tijdrovend proces.
Glasvezel gyroscoop
Er zijn gebieden waar glasvezel-sensoren zich beginnen te vestigen als de natuurlijke keuze. Ze zijn extreem concurrerend als hydrofoons en geofonen, opnieuw in gemultiplexte reeksen. Als een afzonderlijk sensorelement is de glasvezelgyroscoop misschien wel de meest succesvolle. (Een gyroscoop met optische vezels is weergegeven in de onderstaande afbeelding.)
Gyroscopen meten rotatie in traagheidsruimte; het zijn essentiële instrumenten in navigatie- en positioneringssystemen en in de stabilisatieapparatuur die op grote schaal wordt gebruikt in vliegtuigen en schepen. De gyroscoop met optische vezels is gebaseerd op een optische vezelrealisatie van de Sagnac-interferometer - die voor het eerst bijna een eeuw geleden werd gedemonstreerd. Het idee achter de Sagnac-interferometer is eenvoudig. Licht wordt vanuit een straalsplitser in twee richtingen rond een lus gelanceerd en de lus wordt geroteerd. Terwijl het licht in de lus is op weg terug naar de straalsplitser, is het licht dat in dezelfde richting draait als de straalsplits iets verder weg dan het licht dat roteert tegen de richting van de straalsplitser in. Dientengevolge is er een kleine tijdvertraging tussen de lichtbundels die in de twee richtingen roteren bij hun terugkeer bij de straalsplitser. Deze tijdsvertraging kan interferometrisch worden gemeten als een optische fase.
De realisatie van dit concept in vezeloptische vorm vereist enkele elegante optica en zorgvuldige engineering. Ongeveer een decennium van inspanning heeft zeer nauwkeurige rotatie-meetinstrumenten opgeleverd met een zeer hoge betrouwbaarheid. Die betrouwbaarheid ligt in het feit dat, in tegenstelling tot mechanische gyroscopen (of zelfs het ringlasersysteem, dat ook gebaseerd is op het Sagnac-effect), glasvezelgyroscopen geen mechanisch bewegende delen hebben. Bovendien is de schaalfactor van de optische gyroscoop onafhankelijk van mechanische versnelling, in tegenstelling tot de meer gevestigde mechanische spinwieltechnologie. Bovendien kan de gyroscoop voor optische vezels worden geconfigureerd in een groot aantal verschillende versies die tegemoetkomen aan uiteenlopende behoeften op het gebied van nauwkeurigheid, levensduur en milieutolerantie. Meer dan honderdduizend gyroscopen van optische vezels worden per jaar vervaardigd en verkocht.
Een andere succesvolle glasvezelsensor die een uitgebreide toepassing heeft gevonden in de civiele techniek, is het SOFO-systeem (het systeem voor monitoring van structuren met behulp van optische vezels ). Deze Michelson-interferometer met witte lichtvezel werkt als een precisie-extensometer over een lengte van enkele meters tot enkele tientallen meters, met stabiliteit op lange termijn en een nauwkeurige mechanische uitlezing gemeten in micron.
Gestimuleerde Brillouin-verstrooiing is gebruikt voor gedistribueerde spanningsmetingen, met name op geïnstalleerde glasvezelcommunicatiekabels in aardbevingsgevoelige gebieden. In de biogeneeskunde zijn succesvolle in vivo systemen - bijvoorbeeld om de maagsappen bij mensen te evalueren - gevestigd als nuttige diagnostische hulpmiddelen. Er zijn nog veel meer.
De toekomst van glasvezelensors
Glasvezelsensoren blijven fascineren. Net als in andere delen van de fotonica, zijn onderzoekers enthousiast over het vooruitzicht nieuwe technologieën te vormen in de sensor- en instrumentatiecontext. Fotonische kristallen en fotonische kristalvezels zien er interessant uit - hoewel onderzoekers amper zijn begonnen erachter te komen hoe ze deze vooruitzichten interpreteren in de enigszins orthogonale sensor-systeemomgeving. Krachtige lasers op basis van glasvezeltechnologie maken een bijzonder innovatieve niet-lineaire karakterisering van materialen mogelijk. De vezeloptische taper zal ongetwijfeld opnieuw verschijnen als een probe om structuren op microscopische of zelfs nanoscopische schaal te onderzoeken.
Innovaties in computergebruik en de beschikbaarheid van uitgebreide gegevensverwerkingsmogelijkheden zullen ook helpen om ons vermogen te verbeteren om gegevens te interpreteren van grote reeksen van vergelijkbare sensoren en leiden tot bruikbare combinaties van complementaire sensoren. Er zijn ook kansen met optische micro-elektromechanische systemen, maar deze moeten nog hun stempel drukken op op glasvezel gebaseerde sensortechnologieën. De exploitatie van glasvezel-sensortechnologie zal zich langzaam maar zeker blijven uitbreiden. Tegelijkertijd zal de onderzoeksgemeenschap nieuwe instrumenten blijven onderzoeken en zoeken naar mogelijkheden om ze toe te passen.