การประยุกต์ใช้งานและความก้าวหน้าของเซนเซอร์ไฟเบอร์ออปติก

การใช้งานและความก้าวหน้าของเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก

พื้นหลัง
ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมการสื่อสารโทรคมนาคมทำให้สามารถใช้งานการสื่อสารทางไกลและเครือข่ายที่มีความจุสูงและต้นทุนต่ำ ไฟเบอร์ออปติกยังมีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชั่นอื่น ๆ อีกมากมาย: พวกมันถูกใช้เพื่อให้แสงสว่างสำหรับการทำเครื่องหมายและการตัดที่แม่นยำ เป็นแหล่งเลเซอร์ที่ใช้งานได้จริงกำลังสูงและมีความต่อเนื่องสูง สำหรับระบบภาพ และเป็นวิธีในการให้แสงสว่างในสถานที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ - ไม่ต้องพูดถึงต้นคริสต์มาสเทียมที่น่าสงสัย (ซึ่งปรากฏในห้องแล็บของเราในช่วงเทศกาล)

ก่อนที่ไฟเบอร์ออปติกจะทำให้มันใหญ่ในอุตสาหกรรมโทรคมนาคมเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงได้แสดงคำมั่นสัญญาในด้านการตรวจจับอุตสาหกรรมและสิ่งแวดล้อม ทศวรรษของการวิจัยกำลังได้รับการแปลเป็นเครื่องมือวัดที่ใช้ไฟเบอร์อย่างแม่นยำและแม่นยำซึ่งรวมถึง gyroscopes, probes อุณหภูมิ, hydrophones และ monitor เคมี เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงกำลังค้นหาแอปพลิเคชั่นทุกที่ตั้งแต่ทางรถไฟอุโมงค์และสะพานไปจนถึงเตาอบอุตสาหกรรมและระบบกำจัดของเสีย

การตรวจจับไฟเบอร์ - การใช้ไฟเบอร์ออปติกสำหรับการใช้งานด้านอุตสาหกรรมและการตรวจจับสิ่งแวดล้อมเป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่น่าตื่นเต้นสำหรับเทคโนโลยีที่หลากหลายนี้ ยกตัวอย่างเช่นมันเป็นเพียงการฝึกฝนในสาขาที่กว้างขึ้นของการรับรู้ที่มีการประชุมที่เต็มไปด้วยพลัง ในการประชุมเหล่านี้นักวิจัยได้อธิบายเทคนิคที่เป็นไปได้สำหรับการวัดทุกอย่างตั้งแต่ระดับน้ำตาลในเลือดไปจนถึงคลื่นความโน้มถ่วง แนวคิดบางอย่างทำให้การก้าวกระโดดจากห้องปฏิบัติการไปสู่ตลาดเซ็นเซอร์เทคโนโลยีที่มีการแข่งขันสูง การใช้ไฟเบอร์ออปติกสำหรับแอพพลิเคชั่นการตรวจจับจริงได้นำแอพพลิเคชั่นมาใช้ในเครือข่ายการสื่อสาร มันเริ่มต้นด้วยการพัฒนาในช่วงกลางทศวรรษที่ 1960 ของเซ็นเซอร์“ Fotonic” ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่รวมกลุ่มที่ใช้วัดระยะทางและการกระจัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมเครื่องมือเครื่องจักร ถึงแม้ว่า Fotonic จะเป็นเทคโนโลยีที่ไม่สมบูรณ์พร้อมกับอาชีพโดยย่อ แต่ความคิดที่อยู่เบื้องหลังเซ็นเซอร์นั้นก็จับภาพจินตนาการของชุมชนการวิจัย

การแนะนำเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก

กลไก
กลไกพื้นฐานนั้นง่าย (แสดงในรูปด้านล่าง): ป้อนแสงเข้าสู่เส้นใยแสง จัดให้มีแสงที่จะปรับตามการโต้ตอบกับพารามิเตอร์ที่น่าสนใจ; จากนั้นส่งสัญญาณมอดูเลตกลับไปยังจุดตรวจสอบ มีหลายวิธีที่จะไปเกี่ยวกับแต่ละขั้นตอน - โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีที่ใช้ในการปรับแสง - แต่นี่คือสาระสำคัญของเทคโนโลยี

ข้อดี
เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกมีข้อดีมากมายเหนือเทคนิคการตรวจจับอื่น ๆ บางทีสิ่งที่สำคัญที่สุดเซ็นเซอร์เหล่านี้มีภูมิคุ้มกันต่อการรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสามารถเข้าถึงได้ผ่านการเชื่อมโยงไฟเบอร์ในระยะทางไกล - บางครั้งก็ขยายไปถึงหลายสิบกิโลเมตร เส้นใยมีความปลอดภัยในสภาพแวดล้อมอันตรายเช่นกัน นอกจากนี้พวกมันยังมีความอดทนทางเคมีมีมิติทางกายภาพขนาดเล็กและสามารถทำงานร่วมกับกลไกของสภาพแวดล้อมการทำงานได้

ข้อเสีย
เซ็นเซอร์เหล่านี้มีข้อเสียเช่นกัน การตีความข้อมูลเป็นเรื่องยากสำหรับบางแอปพลิเคชั่นและการพัฒนาความมั่นใจของผู้ใช้และการยอมรับกฎระเบียบอาจเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานาน ซึ่งแตกต่างจากการสื่อสารด้วยแบนด์วิธสูงที่ใยแก้วนำแสงเป็นเทคโนโลยีนำที่ไม่มีปัญหามีหลายตัวเลือกอื่น ๆ ในด้านการตรวจจับ ไฟเบอร์ออพติกไม่ค่อยเป็นตัวเลือกที่ชัดเจนแม้ว่ามันจะเป็นเลนส์ที่ดีมาก

ฟังก์ชั่นและการใช้งาน
เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงมีความสามารถใช้งานได้หลากหลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เครื่องวัดความไวต่อสภาพแวดล้อมที่มีความไวต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งใช้สถาปัตยกรรมเส้นใยหรือเมื่อตรวจสอบพฤติกรรมที่ไวต่อแสงของสีหรือความยาวคลื่น หมวดหมู่ก่อนหน้านี้มีเครื่องวัดความกดอากาศสำหรับวัดความดันแบบไดนามิก (เช่นไฮโดรโฟนและ geophones เป็นต้น) และเครื่องวัดความขุ่นสำหรับ Sagnac สำหรับการหมุน หลังรวมไปถึงสเปคโตรสโคปเกือบทุกอย่างรวมถึงเซ็นเซอร์ที่มีพื้นฐานจากการโต้ตอบกับรีเอเจนต์ระดับกลาง (ตัวอย่างเช่นตัวบ่งชี้กรด / ด่าง) - ซึ่งเรียกว่า optrodes - และการวัดสเปคโทรสโดยตรงในก๊าซของเหลว หมวดหมู่นี้ยังรวมถึงตัวกรองสเปกตรัมที่มีความอ่อนไหวต่อสิ่งแวดล้อมซึ่ง Fiber Bragg Grating (FBG) เป็นที่รู้จักกันดีที่สุด

กลไกการปรับที่สำคัญมาก แต่ชัดเจนน้อยกว่านั้นรวมการโต้ตอบที่ไม่ยืดหยุ่นระหว่างแสงตกกระทบวัสดุของตัวเส้นใยเองและสภาพแวดล้อมรอบ ๆ เส้นใย ปฏิกิริยาเหล่านี้ซึ่งการกระเจิงของ Raman และ Brillouin มีความสำคัญมากที่สุดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบไม่เชิงเส้นกับสเปกตรัมของแสงที่แพร่กระจายไปตามเส้นใยทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและทางด้านหลัง ความสามารถของเส้นใยนำแสงในการผลิตแสงสะท้อนกลับที่คาดการณ์ได้นั้นจะเปิดโอกาสใหม่สำหรับการตรวจจับการใช้งาน ระบบเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดการหน่วงเวลาระหว่างการปล่อยและการกลับมาของรังสีที่สะท้อนกลับสามารถนำมาใช้เพื่อตรวจสอบสภาพแวดล้อมตามเส้นใย เทคนิคเซ็นเซอร์แบบกระจายเหล่านี้เรียกว่าเป็นเอกลักษณ์ของเทคโนโลยีใยแก้วนำแสง

เซ็นเซอร์แบบกระจายช่วยอำนวยความสะดวกในการตรวจวัดค่าความเครียดและอุณหภูมิในช่วงระยะเวลาการตอบสนองที่ยาวมาก - ไปหลายสิบกิโลเมตร ยิ่งไปกว่านั้นขึ้นอยู่กับการปรับการประมวลผลชั่วขณะบนแสงที่ปล่อยออกมาทุ่งหญ้าหรืออุณหภูมิสามารถแก้ไขได้ด้วยความแม่นยำที่เพียงพอมากกว่าความยาวเกจตามลำดับ 1 เมตรหรือในบางระบบแม้แต่น้อย ในทำนองเดียวกันเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงสามารถกำหนดค่าได้อย่างง่ายดายในการกำหนดค่ามัลติเพล็กของอาร์เรย์ของอุปกรณ์วัดจุด อุปกรณ์แต่ละชิ้นต้องการแหล่งกำเนิดแสงเพียงแหล่งเดียวเพื่อรวมเครือข่าย ความสามารถในการมัลติเพล็กซ์นี้โดยทั่วไปมากถึงไม่กี่ร้อยคะแนนสอบปากคำเป็นอีกคุณสมบัติที่กำหนดของเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง

เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงในทางปฏิบัติ
สาขาการตรวจจับนั้นเต็มไปด้วยเทคโนโลยีที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งจัดการกับแอปพลิเคชันเฉพาะทางและการตรวจจับไฟเบอร์ก็ไม่มีข้อยกเว้น แม้ว่าเทคโนโลยีชนิดเดียวกันสามารถใช้เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลาย แต่อุปกรณ์แต่ละชิ้นอาจแตกต่างกันไปตามแอพพลิเคชั่นเฉพาะและความต้องการความแม่นยำความเสถียรความละเอียดปริมาณการผลิตและโฮสต์ของพารามิเตอร์ที่พึ่งพาซึ่งกันและกันอื่น ๆ

การตรวจจับอุณหภูมิแบบกระจาย
กว่าทศวรรษที่ผ่านมาการ ตรวจวัดอุณหภูมิแบบกระจาย Raman (DTS) กลายเป็นระบบต้นแบบที่อิงตามการตรวจจับเส้นใย (แนวคิด DTS แสดงในรูปด้านล่าง) โพรบนี้มีความสามารถในการวัดโพรไฟล์อุณหภูมิที่มีความแม่นยำ 1 ℃และสามารถทำซ้ำได้บนความยาวเกจ 1 เมตรหรือมากกว่านั้นและความยาวรวมของการซักถามหลายสิบกิโลเมตรในเวลาการวัดตามลำดับนาที DTS เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในอุโมงค์และเส้นท่อ ตอนนี้มีการติดตั้งระบบหลายระบบในรถไฟใต้ดินอุโมงค์ทางหลวงและเตาอบอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ มีการวางระบบอื่น ๆ ไว้ในเครื่องจักรไฟฟ้าขนาดใหญ่ซึ่งอาจมีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไปภายใต้สภาวะความผิดปกติ

ประโยชน์หลักของ DTS คือเทคโนโลยีนี้เทียบเท่ากับเทอร์โมคับเปิลหลายพันตัวซึ่งเว้นระยะห่าง 1 เมตรตามโครงสร้างการวัดที่ขยายออกไป ด้วยระบบตรวจจับอุณหภูมิอื่น ๆ การเดินสายไฟฟ้าการเชื่อมต่อเครือข่ายและการจ่ายไฟอาจไม่สามารถทำได้โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ความปลอดภัยภายในมีความสำคัญ อย่างไรก็ตามด้วย DTS ผู้ใช้สามารถม้วนไฟเบอร์ออกมาแล้วติดตั้งในที่ที่ปลอดภัย เครือข่ายมัลติเพล็กซ์ก็มีความสำคัญเช่นกันแม้จะยังไม่ได้สร้างช่องทางการค้าที่ DTS ชอบ เครือข่ายของ FBG ที่เขียนด้วยความยาวเส้นใยเดี่ยวได้รับการประเมินอย่างกว้างขวางว่าเป็นเซ็นเซอร์วัดความเครียดและ / หรืออุณหภูมิสำหรับการตรวจสอบภาระและเงื่อนไขโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงสร้างคอมโพสิตของคาร์บอนไฟเบอร์ บ่อยครั้งเรียกว่า "โครงสร้างอัจฉริยะ" อาร์เรย์ของเซ็นเซอร์เหล่านี้ช่วยในการรวบรวมข้อมูลการปฏิบัติงานจากโครงสร้างเช่นเครื่องบินและสะพาน

โดยหลักการแล้วข้อมูลเหล่านี้สามารถใช้ในการกำหนดความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่น่าสนใจ แต่ในทางปฏิบัติสิ่งนี้ยังคงเต็มไปด้วยความยากลำบาก นักวิจัยและวิศวกรสามารถรวบรวมข้อมูลได้อย่างกว้างขวาง แต่วิธีการตีความข้อมูลเหล่านี้เป็นเรื่องของการถกเถียงอย่างมาก จุดมุ่งหมายคือการแสดงถึงตัวบ่งชี้ที่เชื่อถือได้ของความสมบูรณ์ของโครงสร้าง อย่างไรก็ตามการพัฒนาความมั่นใจของผู้ใช้และการยอมรับกฎระเบียบเป็นกระบวนการที่ยืดเยื้อ การตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมเป็นอีกแอพพลิเคชันที่มีศักยภาพสำหรับระบบมัลติเพล็กซ์ การสร้างก๊าซมีเทนในพื้นที่ฝังกลบเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของทั้งความปลอดภัยของไซต์และความคืบหน้าของกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่เกิดขึ้นภายใน ระบบการวัดที่ตรวจสอบความเข้มข้นของก๊าซมีเทนเหนือไซต์ที่มีขนาดตามลำดับ 10 กม. นำเสนอประโยชน์ของการประเมินอย่างต่อเนื่องและปรับปรุงการปฏิบัติงานโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อก๊าซมีเธนซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ใช้งานอยู่มาก อำนาจ

ระบบไฟเบอร์ออปติกที่กำหนดเป้าหมายแอปพลิเคชันนี้แสดงให้เห็นถึงสัญญาที่มหาศาล พวกเขาจะขึ้นอยู่กับเซลล์การดูดซึมขนาดเล็กสอบปากคำโดยใช้การเชื่อมโยงเส้นใยโหมดเดี่ยว เมื่อกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมมีความเข้มงวดมากขึ้นระบบดังกล่าวจึงเสนอเทคโนโลยีที่ชัดเจนสำหรับการตรวจสอบการดำเนินการกำจัดของเสีย การใช้วิธีการนี้ระบบมัลติเพล็กซ์ที่ใช้เซ็นเซอร์มากกว่า 200 ตัวจากแหล่งเลเซอร์เดียวจึงเป็นไปได้ อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับเซ็นเซอร์วัดความเครียด FBG คำถามที่ว่าจะทำอย่างไรกับข้อมูลทั้งหมดที่ระบบเหล่านี้ได้รับนั้นน่างงงวย นอกจากนี้การรวมระบบนี้เข้ากับกฎหมายสิ่งแวดล้อมและมาตรฐานการกำกับดูแลเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานาน

ไฟเบอร์ออปติก Gyroscope
มีพื้นที่ที่เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงได้เริ่มสร้างตัวเองเป็นทางเลือกที่เป็นธรรมชาติ พวกมันมีการแข่งขันสูงมากในฐานะไฮโดรโฟนและธรณี ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบเซ็นเซอร์เดี่ยวการ หมุนวน ของ ใยแก้วนำแสง เป็นเนื้อหาที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด (ไจโรสโคปใยแก้วนำแสงแสดงในรูปด้านล่าง)

เครื่องมือวัดการหมุนในพื้นที่เฉื่อย พวกเขาเป็นเครื่องมือสำคัญในระบบนำทางและการวางตำแหน่งและในอุปกรณ์รักษาเสถียรภาพที่ใช้อย่างกว้างขวางในเครื่องบินและเรือ ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติกตั้งอยู่บนพื้นฐานของการรับรู้ใยแก้วนำแสงของ Sagnac interferometer ซึ่งแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกเมื่อเกือบศตวรรษที่แล้ว แนวคิดเบื้องหลัง Sagnac interferometer นั้นง่ายมาก แสงเริ่มจากตัวแยกลำแสงในสองทิศทางรอบลูปและลูปจะถูกหมุน ในขณะที่แสงอยู่ในลูประหว่างทางกลับไปที่ตัวแยกลำแสงแสงที่หมุนในทิศทางเดียวกันขณะที่ตัวแยกลำแสงมีระยะทางไกลกว่าเล็กน้อยกว่าแสงที่หมุนไปตามทิศทางของตัวแยกลำแสง ดังนั้นจึงมีการหน่วงเวลาเล็กน้อยระหว่างลำแสงที่หมุนในสองทิศทางเมื่อพวกเขากลับมาถึงที่ตัวแยกลำแสง การหน่วงเวลานี้สามารถวัดได้ในระดับอินเตอร์เฟอโรเมทริคัลเป็นเฟสออปติคอล

การตระหนักถึงแนวคิดนี้ในรูปแบบไฟเบอร์ออปติกจำเป็นต้องใช้เลนส์ที่สวยงามและวิศวกรรมอย่างระมัดระวัง ประมาณหนึ่งทศวรรษของความพยายามได้ให้เครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำสูงและมีความน่าเชื่อถือสูง ความน่าเชื่อถือนั้นอยู่ในความจริงที่ว่าซึ่งแตกต่างจากกลไกลูกข่าง (หรือแม้แต่ระบบเลเซอร์แหวนซึ่งยังขึ้นอยู่กับผลกระทบ Sagnac) ลูกกรงใยแก้วนำแสงไม่มีส่วนเคลื่อนไหวทางกล นอกจากนี้สเกลแฟคเตอร์ของไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติกยังเป็นอิสระจากความเร่งเชิงกลซึ่งตรงกันข้ามกับเทคโนโลยีล้อหมุนแบบกลไกที่เป็นที่ยอมรับมากขึ้น นอกจากนี้ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติกสามารถกำหนดค่าในโฮสต์ของรุ่นที่แตกต่างกันเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายในแง่ของความแม่นยำอายุการใช้งานและความทนทานต่อสภาพแวดล้อม หลายร้อยพัน gyroscopes ใยแก้วนำแสงมีการผลิตและจำหน่ายต่อปี

เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกที่ประสบความสำเร็จอีกตัวหนึ่งที่พบการใช้งานที่กว้างขวางในงานวิศวกรรมโยธาคือระบบ SOFO (คำย่อภาษาฝรั่งเศสสำหรับ โครงสร้างการตรวจสอบโดยใช้เส้นใยนำแสง ) ไฟเบอร์อินเตอร์รัลมิเชลแสงสีขาวของ Michelson ทำหน้าที่เป็น extensometer ที่มีความแม่นยำมากกว่าความยาวเกจถึงไม่กี่สิบเมตรโดยมีความเสถียรในระยะยาวและการอ่านค่าทางกลไกที่แม่นยำที่มีหน่วยเป็นไมครอน

Stimulated Brillouin scattering ถูกนำมาใช้สำหรับการวัดความเครียดแบบกระจายโดยเฉพาะอย่างยิ่งสายเคเบิลการสื่อสารใยแก้วนำแสงที่ติดตั้งในพื้นที่ที่เสี่ยงต่อแผ่นดินไหว ใน biomedicine ประสบความสำเร็จในระบบ vivo - เพื่อประเมินน้ำย่อยในมนุษย์ได้กลายเป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประโยชน์ มีอีกหลายคน

อนาคตของไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์
เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกยังคงตรึงใจอยู่ ในด้านอื่น ๆ ของโฟโตนิกส์นักวิจัยรู้สึกตื่นเต้นเกี่ยวกับโอกาสในการสร้างเทคโนโลยีใหม่ ๆ ในบริบทการรับรู้และการใช้เครื่องมือ ผลึกโทนิคและเส้นใยคริสตัลโทนิคดูน่าสนใจ - แม้ว่านักวิจัยจะเริ่มเข้าใจวิธีการตีความกลุ่มเป้าหมายเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมของระบบเซ็นเซอร์แบบฉาก เลเซอร์กำลังแรงสูงที่ใช้เทคโนโลยีใยแก้วนำแสงช่วยให้สามารถระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุที่ไม่ใช่เชิงเส้นได้ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเรียวไฟเบอร์ออปติกจะเกิดขึ้นอีกครั้งเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของกล้องจุลทรรศน์หรือแม้แต่ระดับนาโนสเกล

นวัตกรรมในการคำนวณและความสามารถในการจัดการข้อมูลที่เพิ่มขึ้นจะช่วยปรับปรุงความสามารถของเราในการตีความข้อมูลจากอาร์เรย์ขนาดใหญ่ของเซ็นเซอร์ที่คล้ายกันและนำไปสู่การรวมกันที่เป็นประโยชน์ของเซ็นเซอร์เสริม นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการใช้ระบบไมโครอิเล็กทริคออปติคัลแม้ว่าสิ่งเหล่านี้ยังไม่ได้ทำเครื่องหมายว่าเป็นเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ที่ใช้ไฟเบอร์ การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงจะยังคงขยายตัวช้า แต่มั่นคง ในขณะเดียวกันชุมชนการวิจัยจะทำการตรวจสอบเครื่องมือใหม่ ๆ และค้นหาโอกาสในการใช้งาน