Applicazioni e progressi dei sensori a fibra ottica
sfondo
Negli ultimi decenni, la tecnologia delle fibre ottiche ha rivoluzionato il settore delle telecomunicazioni, consentendo comunicazioni a grande capacità, a lunga distanza e networking a costi incredibilmente bassi. Le fibre ottiche hanno anche ricoperto ruoli importanti in numerose altre applicazioni: sono state utilizzate per fornire luce per la marcatura e il taglio di precisione; come sorgente laser pratica, ad alta potenza e alta coerenza; per sistemi di imaging; e come mezzo per fornire l'illuminazione in luoghi inaccessibili - per non parlare di alberi di Natale artificiali di gusto discutibile (che sono certamente comparsi nel nostro laboratorio durante le festività natalizie).
Ancor prima che le fibre ottiche diventassero grandi nel settore delle telecomunicazioni, la tecnologia delle fibre ottiche si stava rivelando promettente nei settori del rilevamento industriale e ambientale. Decenni di ricerca vengono ora tradotti in strumenti di misurazione sicuri e precisi basati su fibre, inclusi giroscopi, sonde di temperatura, idrofoni e monitor chimici. Infatti, i sensori a fibra ottica stanno trovando applicazioni ovunque da ferrovie, tunnel e ponti a forni industriali e sistemi di smaltimento dei rifiuti.
Il sensing della fibra, l'uso di fibre ottiche per applicazioni di rilevamento ambientale e industriale, è un'altra area di crescita entusiasmante per questa tecnologia versatile. È, ad esempio, l'unica disciplina all'interno del più ampio campo del rilevamento che ha una propria serie energetica di conferenze. In questi incontri, i ricercatori hanno descritto le potenziali tecniche per misurare tutto, dai livelli di zucchero nel sangue alle onde gravitazionali. Alcune idee hanno fatto il salto dal laboratorio nel mercato altamente competitivo della tecnologia dei sensori. L'uso delle fibre ottiche per le applicazioni di rilevamento in realtà è anteriore alle sue applicazioni nelle reti di comunicazione. È iniziato con lo sviluppo, a metà degli anni '60, del sensore "Fotonic", un dispositivo basato sul fascio che misura la distanza e lo spostamento, in particolare nel settore delle macchine utensili. Sebbene la Fotonic fosse una tecnologia imperfetta con una breve carriera, l'idea alla base del sensore catturò l'immaginazione della comunità di ricerca.
Introduzione di sensori a fibra ottica
Meccanismo
Il meccanismo di base è semplice (mostrato nella figura seguente): alimentare la luce in una fibra ottica; predisporre la modulazione della luce in base alla sua interazione con il parametro di interesse; e quindi trasmettere la luce modulata a un punto di monitoraggio. Ci sono vari modi per fare ogni passo - in particolare, l'approccio usato per modulare la luce - ma questa è l'essenza della tecnologia.
vantaggi
I sensori a fibra ottica offrono molti vantaggi rispetto ad altre tecniche di rilevamento. Forse la cosa più importante è che questi sensori sono immuni al pickup elettromagnetico e possono essere raggiunti attraverso i collegamenti in fibra per distanze molto lunghe, a volte fino a decine di chilometri. Le fibre sono anche intrinsecamente sicure in ambienti pericolosi. Inoltre, sono chimicamente passivi, hanno dimensioni fisiche ridotte e sono meccanicamente compatibili con una serie di ambienti operativi.
svantaggi
Inevitabilmente, questi sensori hanno anche degli svantaggi. L'interpretazione dei dati è difficile con alcune applicazioni, ad esempio, e lo sviluppo della fiducia dell'utente e dell'accettazione normativa può essere un processo lungo. A differenza delle comunicazioni a banda larga, dove la fibra ottica è l'indiscussa tecnologia di punta, ci sono numerose altre opzioni disponibili nel campo del rilevamento; la fibra ottica è raramente la scelta più ovvia, sebbene possa essere molto buona.
Funzione e applicazioni
I sensori a fibra ottica sono particolarmente versatili se basati su interferometri sensibili all'ambiente che utilizzano un'architettura a fibra ottica o quando controllano il comportamento sensibile al colore della lunghezza d'onda. La prima categoria comprende interferometri per misurare i campi di pressione dinamica (idrofoni e geofoni, per esempio) e l'interferometro Sagnac per la rotazione; quest'ultimo comprende quasi tutto spettroscopico, compresi i sensori basati su interazioni con reagenti intermedi (ad esempio, un indicatore acido / alcali), spesso definiti come optrodi, e misure spettroscopiche dirette in gas, liquidi e solidi. Questa categoria comprende anche filtri spettrali sensibili all'ambiente, di cui il Fibre Bragg Grating (FBG) è di gran lunga il più noto.
Un meccanismo di modulazione molto importante, ma molto meno ovvio, incorpora interazioni anelastiche tra la luce incidente, il materiale della fibra stessa e l'ambiente circostante la fibra. Queste interazioni, di cui la diffusione di Raman e Brillouin è la più significativa, producono variazioni non lineari caratteristiche agli spettri della luce che si propagano lungo la fibra in entrambe le direzioni in avanti e, in modo cruciale, all'indietro. Infatti, la capacità delle fibre ottiche di produrre backscattering prevedibile apre nuove prospettive per le applicazioni di rilevamento. I sistemi di sensori che possono misurare il ritardo temporale tra il lancio e il ritorno della radiazione retrodiffusa possono essere utilizzati per sondare l'ambiente lungo la fibra. Queste cosiddette tecniche di sensori distribuiti sono uniche per la tecnologia in fibra ottica.
I sensori distribuiti facilitano la misurazione della deformazione e della temperatura per lunghezze di interazione molto lunghe, fino a molte decine di chilometri. Inoltre, a seconda della modulazione di elaborazione temporale sulla luce lanciata, il campo di deformazione o temperatura può essere risolto con una precisione più che adeguata rispetto alle lunghezze di calibro dell'ordine di 1 metro o, in alcuni sistemi, anche meno. Allo stesso modo, i sensori a fibra ottica possono essere facilmente configurati in configurazioni multiplexate di matrici di dispositivi di misurazione puntiformi. Ogni dispositivo richiede solo una sorgente ottica per energizzare la rete. Questa capacità di multiplex tipicamente fino a poche centinaia di punti di interrogazione è un'altra caratteristica che definisce i sensori a fibra ottica.
Sensori a fibra ottica in pratica
Il campo del rilevamento è pieno di tecnologie idiosincratiche che riguardano le applicazioni specialistiche e il rilevamento della fibra non fa eccezione. Anche quando lo stesso tipo di tecnologia può essere utilizzato per soddisfare una gamma di esigenze, i singoli dispositivi possono variare notevolmente a seconda dell'applicazione specifica e dei suoi requisiti di precisione, stabilità, risoluzione, volume di produzione e una serie di altri parametri interdipendenti.
Rilevazione della temperatura distribuita
Ben oltre vent'anni fa, la sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) è emersa come un prototipo di sistema basato sul rilevamento della fibra (il concetto DTS è mostrato nella figura seguente). Questa sonda è in grado di misurare i profili di temperatura con un'accuratezza di 1 ℃ e ripetibilità su lunghezze di calibro di 1 metro o circa e lunghezze di interrogazione totali di decine di chilometri in tempi di misurazione dell'ordine di un minuto. Il DTS è un potente strumento per misurare i cambiamenti di temperatura nelle gallerie e nelle linee di tubi. Molti sistemi sono ora installati nelle ferrovie sotterranee, nelle gallerie autostradali e nei grandi forni industriali. Altri sistemi sono stati collocati in grandi macchine elettriche, che potrebbero essere soggette a surriscaldamento in condizioni di guasto.
Il principale vantaggio del DTS è che questa tecnologia è equivalente a molte migliaia di termocoppie, distanziate a intervalli di 1 m lungo una struttura di misurazione estesa. Con altri sistemi di rilevamento della temperatura, il cablaggio elettrico, il collegamento in rete e l'alimentazione possono essere poco pratici, specialmente in aree in cui la sicurezza intrinseca potrebbe essere importante. Tuttavia, con DTS, gli utenti possono semplicemente stendere la fibra e collegarla in un posto sicuro. Le reti multiplexate sono anche potenzialmente molto importanti, sebbene debbano ancora stabilire la nicchia commerciale di cui gode il DTS. Reti di FBG scritte in una singola lunghezza di fibra sono state ampiamente valutate come matrici di sensori di deformazione e / o temperatura per il monitoraggio del carico e delle condizioni, in particolare nelle strutture composite in fibra di carbonio. Spesso denominati "strutture intelligenti", questi array di sensori facilitano la raccolta di dati operativi da strutture come aerei e ponti.
In linea di principio, questi dati possono essere utilizzati per determinare l'integrità della struttura di interesse. Ma in pratica, questo rimane irto di difficoltà. Certamente i ricercatori e gli ingegneri possono raccogliere dati esaustivi, ma come interpretare questi dati è oggetto di un considerevole dibattito. L'obiettivo è quello di indicare indicatori affidabili di integrità strutturale. Tuttavia, sviluppare la fiducia degli utenti e l'accettazione normativa è un processo protratto. Il monitoraggio ambientale è un'altra potenziale applicazione per i sistemi multiplex. La generazione di gas metano in una discarica è un importante indicatore sia della sicurezza del sito che del progresso dei processi di decomposizione anaerobica che si stanno svolgendo al suo interno. Un sistema di misurazione che monitora le concentrazioni di gas metano in un sito con dimensioni dell'ordine di 10 km offre il vantaggio di una valutazione continua e di un funzionamento migliorato, specialmente quando il metano, un gas serra estremamente attivo, può essere utilizzato per generare diversi megawatt di elettricità energia.
I sistemi di fibre ottiche che hanno come obiettivo questa applicazione mostrano enormi promesse; si basano su piccole celle di assorbimento interrogate utilizzando collegamenti in fibra monomodale. Poiché le normative ambientali diventano più rigide, tali sistemi offrono una tecnologia potenzialmente definitiva per monitorare le operazioni di smaltimento dei rifiuti. Utilizzando questo approccio, i sistemi multiplex che indirizzano più di 200 sensori da una singola sorgente laser sono fattibili. Tuttavia, piuttosto come gli array di sensori di deformazione FBG, la questione di cosa fare con tutti i dati acquisiti da questi sistemi è perplessa. Inoltre, l'integrazione di questo potenziale di sistema nella legislazione ambientale e negli standard normativi è un processo che richiede molto tempo.
Giroscopio a fibra ottica
Ci sono aree in cui i sensori a fibra ottica hanno iniziato a stabilirsi come la scelta naturale. Sono estremamente competitivi come idrofoni e geofoni, sempre in array multiplex. Come elemento sensore individuale, il giroscopio a fibre ottiche è probabilmente il più riuscito. (Un giroscopio in fibra ottica è mostrato nella figura in basso.)
I giroscopi misurano la rotazione nello spazio inerziale; sono strumenti essenziali nei sistemi di navigazione e posizionamento e nell'attrezzatura di stabilizzazione ampiamente utilizzata su aerei e navi. Il giroscopio a fibre ottiche si basa su una realizzazione in fibra ottica dell'interferometro Sagnac, che è stato dimostrato per la prima volta quasi un secolo fa. L'idea dietro l'interferometro Sagnac è semplice. La luce viene lanciata da un divisore di fascio in due direzioni attorno ad un anello e il ciclo viene ruotato. Mentre la luce è nel ciclo in rotta verso lo splitter, la luce che ruota nella stessa direzione dello splitter ha un po 'più lontano che la luce rotante contro la direzione dello splitter. Di conseguenza, vi è un piccolo ritardo tra i fasci di luce che ruotano nelle due direzioni al loro arrivo allo splitter del raggio. Questo ritardo può essere misurato interferometricamente come fase ottica.
La realizzazione di questo concetto in fibra ottica richiede alcune eleganti ottiche e un'attenta progettazione. Circa un decennio di sforzi ha prodotto strumenti di misurazione rotazionale estremamente precisi con altissima affidabilità. Questa affidabilità sta nel fatto che, a differenza dei giroscopi meccanici (o anche del sistema ad anello laser, anch'esso basato sull'effetto Sagnac), i giroscopi a fibre ottiche non hanno parti meccaniche in movimento. Inoltre, il fattore di scala del giroscopio a fibre ottiche è indipendente dall'accelerazione meccanica, in contrasto con la più consolidata tecnologia meccanica della ruota di filatura. Inoltre, il giroscopio a fibre ottiche può essere configurato in una miriade di versioni diverse che rispondono alle diverse esigenze in termini di precisione, durata e tolleranza ambientale. Giroscopi di diverse centinaia di migliaia di fibre ottiche vengono prodotti e venduti ogni anno.
Un altro sensore in fibra ottica di successo che ha trovato ampia applicazione nell'ingegneria civile è il SOFO (un acronimo francese per il monitoraggio delle strutture che utilizza fibre ottiche ). Questo interferometro a fibra di luce bianca Michelson funge da estensometro di precisione su lunghezze di calibro fino a poche decine di metri, con stabilità a lungo termine e una lettura meccanica di precisione misurata in micron.
Lo scattering stimolato di Brillouin è stato utilizzato per la misurazione della deformazione distribuita, in particolare sui cavi di comunicazione in fibra ottica installati in aree soggette a terremoti. In biomedicina, i sistemi di successo in vivo - per esempio per valutare i succhi gastrici nell'uomo - si sono affermati come utili strumenti diagnostici. Ce ne sono molti altri
Il futuro dei sensori a fibra ottica
I sensori a fibra ottica continuano ad affascinare. Come in altre aree della fotonica, i ricercatori sono entusiasti della prospettiva di plasmare nuove tecnologie nel contesto di rilevamento e strumentazione. I cristalli fotonici e le fibre fotoniche di cristallo sembrano interessanti, anche se i ricercatori hanno appena iniziato a capire come interpretare queste prospettive nell'ambiente del sistema sensore un po 'ortogonale. I laser ad alta potenza basati sulla tecnologia a fibra ottica consentono la caratterizzazione dei materiali particolarmente innovativa e non lineare. Il cono in fibra ottica riemergerà senza dubbio come una sonda per esaminare le strutture su scala microscopica, o persino nanoscopica.
Le innovazioni nel campo dell'informatica e la disponibilità di capacità estese di gestione dei dati contribuiranno anche a migliorare la nostra capacità di interpretare i dati da ampi array di sensori simili e portare a combinazioni utili di sensori complementari. Ci sono anche opportunità con i sistemi ottici microelettromeccanici, sebbene questi debbano ancora lasciare il segno come tecnologie di sensori basati su fibre. Lo sfruttamento della tecnologia dei sensori a fibra ottica continuerà ad espandersi, lentamente ma costantemente. In parallelo, la comunità di ricerca continuerà a studiare nuovi strumenti e a cercare opportunità per applicarli.
