تطبيقات وتطورات مجسات الألياف البصرية
خلفية
على مدار العقود الماضية ، أحدثت تقنية الألياف الضوئية ثورة في صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية ، مما أتاح التواصل والشبكات ذات السعة العالية والطويلة التكلفة بتكاليف منخفضة للغاية. لعبت الألياف الضوئية أيضًا أدوارًا مهمة في العديد من التطبيقات الأخرى: لقد تم استخدامها لتوفير الإضاءة لوضع علامات الدقة والقطع ؛ كمصدر عملي ليزر عالي الطاقة وعالي الاتساق ؛ لأنظمة التصوير. وكوسيلة لتوفير الإضاءة في الأماكن التي يتعذر الوصول إليها - ناهيك عن أشجار عيد الميلاد الاصطناعية ذات الذوق المشكوك فيه (والتي ظهرت بشكل واضح في مختبرنا خلال موسم الأعياد).
حتى قبل أن تجعل الألياف الضوئية كبيرة في صناعة الاتصالات ، كانت تقنية الألياف الضوئية تبشر بالخير في مجالات الاستشعار الصناعي والبيئي. تُترجم الآن عقود من الأبحاث إلى أدوات قياس آمنة ودقيقة قائمة على الألياف ، بما في ذلك الجيروسكوبات ودرجات الحرارة ودرجات الحرارة والكاشفات الكيميائية. في الواقع ، تجد أجهزة استشعار الألياف البصرية تطبيقات في كل مكان من السكك الحديدية والأنفاق والجسور إلى الأفران الصناعية وأنظمة التخلص من النفايات.
يعد استشعار الألياف - استخدام الألياف البصرية في تطبيقات الاستشعار الصناعية والبيئية - مجال نمو مثير آخر لهذه التقنية متعددة الاستخدامات. إنه ، على سبيل المثال ، الانضباط الوحيد في مجال الاستشعار الأوسع الذي يحتوي على سلسلة من المؤتمرات النشطة الخاصة به. في هذه الاجتماعات ، وصف الباحثون التقنيات المحتملة لقياس كل شيء من مستويات السكر في الدم إلى موجات الجاذبية. جعلت بعض الأفكار قفزة من المختبر إلى سوق تنافسية للغاية لتكنولوجيا الاستشعار. إن استخدام الألياف البصرية لاستشعار التطبيقات يسبق بالفعل تطبيقاته في شبكات الاتصالات. لقد بدأت بتطوير ، في منتصف الستينيات ، مستشعر "Fotonic" ، وهو جهاز قائم على الحزمة يقوم بقياس المسافة والتشريد ، لا سيما في صناعة الأدوات الآلية. على الرغم من أن Fotonic كانت تقنية غير كاملة ذات مهنة قصيرة ، إلا أن الفكرة وراء المستشعر استحوذت على خيال مجتمع البحث.
مقدمة من أجهزة استشعار الألياف البصرية
آلية
الآلية الأساسية بسيطة (كما هو موضح في الشكل أدناه): تغذية الضوء إلى الألياف الضوئية ؛ اتخاذ الترتيبات اللازمة لتعديل الضوء على أساس تفاعله مع المعلمة ذات الاهتمام ؛ ثم قم بنقل الضوء المعدل مرة أخرى إلى نقطة مراقبة. هناك عدة طرق للقيام بكل خطوة - على وجه الخصوص ، النهج المستخدم لتعديل الضوء - ولكن هذا هو جوهر التكنولوجيا.
مزايا
توفر مستشعرات الألياف البصرية مزايا عديدة مقارنة بتقنيات الاستشعار الأخرى. ولعل الأمر الأكثر أهمية هو أن هذه المستشعرات محصنة من الالتقاط الكهرومغناطيسي ويمكن الوصول إليها من خلال روابط الألياف لمسافات طويلة للغاية - تمتد في بعض الأحيان إلى عشرات الكيلومترات. الألياف هي أيضا آمنة جوهريا في البيئات الخطرة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي سلبية كيميائيا ، ولها أبعاد فيزيائية صغيرة ، ومتوافقة ميكانيكيا مع مجموعة من البيئات التشغيلية.
عيوب
حتما ، هذه المجسات لها عيوب كذلك. يعد تفسير البيانات أمرًا صعبًا في بعض التطبيقات ، على سبيل المثال ، وقد يكون تطوير ثقة المستخدم والقبول التنظيمي عملية طويلة. على عكس الاتصالات ذات النطاق الترددي العالي ، حيث الألياف البصرية هي التكنولوجيا الرائدة بلا منازع ، هناك العديد من الخيارات الأخرى المتاحة في مجال الاستشعار ؛ نادراً ما يكون خيار الألياف البصرية هو الخيار الواضح - رغم أنه قد يكون خيارًا جيدًا للغاية.
وظيفة والتطبيقات
تكون مستشعرات الألياف الضوئية متعددة الاستخدامات بشكل خاص عندما تعتمد على مقاييس التداخل الحساسة بيئياً التي تستخدم بنية ليفية أو عند مراقبة السلوك الملون لطول الموجة. تشتمل الفئة السابقة على مقاييس التداخل لقياس حقول الضغط الديناميكية (مثل الهيدروفونات والجيوفونات ، على سبيل المثال) ومقياس التداخل Sagnac للدوران ؛ يشمل الأخير كل شيء تقريبًا طيفيًا ، بما في ذلك أجهزة استشعار تستند إلى تفاعلات مع الكواشف الوسيطة (على سبيل المثال ، مؤشر حمض / قلوي) - يُشار إليه باسم optrodes - والقياسات الطيفية المباشرة في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. تشتمل هذه الفئة أيضًا على المرشحات الطيفية الحساسة للبيئة ، والتي تعد شبكة الألياف الضوئية (FBG) من أشهرها.
تشتمل آلية التعديل المهمة للغاية - ولكن الأقل وضوحًا - على التفاعلات غير المرنة بين ضوء الحادث ، مادة الألياف نفسها والبيئة المحيطة بالألياف. هذه التفاعلات ، والتي يعد تشتت رامان وبرويلين أهمها ، تنتج تغييرات غير خطية مميزة لأطياف الضوء التي تنتشر على طول الألياف في الاتجاهين الأمامي والخلفي. في الواقع ، فإن قدرة الألياف الضوئية على إنتاج ارتداد خلفي يمكن التنبؤ به يفتح آفاقًا جديدة لتطبيقات الاستشعار. يمكن استخدام أنظمة الاستشعار التي يمكنها قياس التأخير الزمني بين الإطلاق وعودة الإشعاع المرتدة لاستكشاف البيئة على طول الألياف. تقنيات الاستشعار الموزعة هذه فريدة من نوعها لتكنولوجيا الألياف البصرية.
تعمل المستشعرات الموزعة على تسهيل قياسات الإجهاد ودرجة الحرارة على طول أطوال التفاعل الطويلة جدًا - لعدة عشرات الكيلومترات. علاوة على ذلك ، اعتمادًا على تعديل المعالجة الزمنية للضوء الذي تم إطلاقه ، يمكن حل مجال الإجهاد أو درجة الحرارة بأكثر من الدقة الكافية على أطوال المقياس التي تبلغ 1 متر ، أو في بعض الأنظمة أقل من ذلك. وبالمثل ، يمكن تكوين مستشعرات الألياف البصرية بسهولة في تكوينات متعددة لصفائف أجهزة قياس النقاط. يتطلب كل جهاز مصدرًا ضوئيًا واحدًا فقط لتنشيط الشبكة. تعد هذه القدرة على تعدد إرسال ما يصل إلى بضع مئات من نقاط الاستجواب ميزة أخرى من سمات أجهزة استشعار الألياف البصرية.
الألياف البصرية مجسات في الممارسة
يشتهر مجال الاستشعار بالتكنولوجيات الخاصة التي تتناول التطبيقات المتخصصة ، واستشعار الألياف ليس استثناءً. حتى عندما يمكن استخدام نفس النوع من التكنولوجيا لتلبية مجموعة من الاحتياجات ، يمكن للأجهزة الفردية أن تختلف اختلافًا كبيرًا تبعًا للتطبيق المحدد ومتطلبات الدقة والاستقرار ودقة التصنيع وحجم التصنيع ومجموعة كبيرة من المعلمات المترابطة الأخرى.
استشعار درجة الحرارة الموزعة
منذ أكثر من عقود ، ظهر مجس رامان للاستشعار الحراري الموزع (DTS) كنظام أولي يعتمد على استشعار الألياف (يظهر مفهوم DTS في الشكل أدناه). هذا المسبار قادر على قياس ملامح درجة الحرارة بدقة 1 and وتكرار على أطوال المقياس التي تبلغ 1 متر أو نحو ذلك وأطوال الاستجواب الكلية لعشرات الكيلومترات في أوقات القياس بترتيب دقيقة. يعد DTS أداة قوية لقياس التغيرات في درجات الحرارة في الأنفاق وخطوط الأنابيب. يتم الآن تثبيت العديد من الأنظمة في السكك الحديدية تحت الأرض وأنفاق الطرق السريعة والأفران الصناعية الكبيرة. تم وضع أنظمة أخرى في الآلات الكهربائية الكبيرة ، والتي قد تكون عرضة لارتفاع درجة الحرارة في ظل ظروف خطأ.
الفائدة الأساسية من DTS هي أن هذه التقنية تعادل عدة آلاف من المزدوجات الحرارية ، متباعدة على فترات 1 متر على طول بنية القياس الموسعة. مع أنظمة استشعار درجة الحرارة الأخرى ، قد تكون الأسلاك الكهربائية والشبكات والتشغيل غير عملية ، خاصة في المناطق التي قد تكون فيها السلامة الداخلية مهمة. ومع ذلك ، مع DTS ، يمكن للمستخدمين ببساطة طرح الألياف وإرفاقها في مكان آمن. من المحتمل أيضًا أن تكون الشبكات متعددة الإرسال مهمة للغاية ، على الرغم من أنها لم تنشئ بعد مكان التجارة الذي تتمتع به DTS. تم تقييم شبكات FBGs المكتوبة بطول ليف واحد على نطاق واسع على أنها صفائف من أجهزة استشعار الضغط و / أو درجة الحرارة لمراقبة الحمل والظروف ، وخاصة في هياكل ألياف الكربون المركبة. غالبًا ما تُصف صفائف المستشعرات هذه بأنها "هياكل ذكية" ، مما يسهل عملية جمع البيانات التشغيلية من هياكل مثل الطائرات والجسور.
من حيث المبدأ ، يمكن استخدام هذه البيانات لتحديد سلامة هيكل الفائدة. ولكن في الممارسة العملية ، لا يزال هذا محفوفًا بالصعوبة. بالتأكيد يمكن للباحثين والمهندسين جمع بيانات مستفيضة ، ولكن كيفية تفسير هذه البيانات هو موضوع نقاش كبير. الهدف هو الإشارة إلى مؤشرات موثوقة للنزاهة الهيكلية. ومع ذلك ، فإن تطوير ثقة المستخدم والقبول التنظيمي هو عملية طويلة. الرصد البيئي هو تطبيق محتمل آخر للأنظمة متعددة الإرسال. يعد توليد غاز الميثان في موقع مكب النفايات مؤشرا هاما على كل من سلامة الموقع وتقدم عمليات التحلل اللاهوائي التي تحدث داخلها. يوفر نظام القياس الذي يراقب تركيزات غاز الميثان في موقع ذي أبعاد تتراوح بين 10 كيلومترات ميزة التقييم المستمر وبالتالي تحسين العملية ، خاصةً عندما يمكن استخدام الميثان - وهو أحد غازات الدفيئة النشطة للغاية - لتوليد عدة ميغاواط من الكهرباء قوة.
أنظمة الألياف البصرية التي تستهدف هذا التطبيق تظهر وعدًا كبيرًا ؛ وهي تستند إلى خلايا امتصاص صغيرة يتم استجوابها باستخدام روابط ألياف أحادية الوضع. نظرًا لأن الأنظمة البيئية أصبحت أكثر تشددًا ، فإن هذه الأنظمة تقدم تقنية نهائية محتملة لمراقبة عمليات التخلص من النفايات. باستخدام هذا النهج ، فإن الأنظمة متعددة الإرسال التي تتناول أكثر من 200 مستشعر من مصدر ليزر واحد ممكنة. ومع ذلك ، مثل صفيفات استشعار سلالة FBG ، فإن السؤال حول ما يجب القيام به مع جميع البيانات التي تحصل عليها هذه الأنظمة هو أمر محير. بالإضافة إلى ذلك ، يعد دمج هذا النظام المحتمل في التشريعات البيئية والمعايير التنظيمية عملية تستغرق وقتًا طويلاً.
الألياف البصرية الجيروسكوب
هناك مناطق بدأت فيها أجهزة استشعار الألياف البصرية في ترسيخ نفسها كخيار طبيعي. فهي منافسة للغاية مثل hydrophones و geophones ، ومرة أخرى في المصفوفات متعددة الإرسال. كعنصر استشعار فردي ، يمكن القول أن جيروسكوب الألياف الضوئية هو الأكثر نجاحًا. (يتم عرض جيروسكوب الألياف البصرية في الشكل أدناه).
الجيروسكوبات تقيس الدوران في الفضاء بالقصور الذاتي. إنها أدوات أساسية في أنظمة الملاحة وتحديد المواقع وفي معدات التثبيت المستخدمة على نطاق واسع في الطائرات والسفن. يعتمد جيروسكوب الألياف الضوئية على إدراك الألياف الضوئية لمقياس تداخل Sagnac — الذي تم عرضه لأول مرة منذ قرن تقريبًا. الفكرة وراء تداخل Sagnac بسيطة. يتم إطلاق الضوء من شق الحزمة في اتجاهين حول حلقة ويتم تدوير الحلقة. أثناء وجود الضوء في الحلقة في طريق العودة إلى الفاصل بالأشعة ، فإن الضوء الذي يدور في نفس اتجاه الفاصل بالأشعة لديه مسافة أبعد قليلاً من الضوء الذي يدور مقابل اتجاه الفاصل بالأشعة. وبالتالي ، هناك تأخير زمني بسيط بين أشعة الضوء التي تدور في الاتجاهين عند وصولهم إلى حاجز الحزمة. يمكن قياس هذا التأخير الزمني بشكل متداخل كمرحلة بصرية.
يتطلب تحقيق هذا المفهوم في شكل الألياف البصرية بعض البصريات الأنيقة والهندسة الدقيقة. لقد أنتج ما يقرب من عقد من الجهد أدوات قياس الدوران بدقة عالية مع موثوقية عالية للغاية. تكمن هذه الاعتمادية في حقيقة أنه ، على عكس الجيروسكوبات الميكانيكية (أو حتى نظام الليزر الدائري ، والذي يعتمد أيضًا على تأثير سانياك) ، فإن جيروسكوب الألياف الضوئية لا تحتوي على أجزاء ميكانيكية متحركة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عامل النطاق لجيروسكوب الألياف الضوئية مستقل عن التسارع الميكانيكي ، على عكس تكنولوجيا عجلة الغزل الميكانيكية الأكثر رسوخًا. علاوة على ذلك ، يمكن تكوين جيروسكوب الألياف الضوئية في مجموعة من الإصدارات المختلفة التي تلبي الاحتياجات المختلفة من حيث الدقة والعمر والتسامح البيئي. يتم تصنيع مئات الآلاف من جيروسكوب الألياف البصرية وبيعها سنويًا.
جهاز استشعار بصري ناجح آخر وجد تطبيقًا واسعًا في الهندسة المدنية هو نظام SOFO (وهو اختصار فرنسي لهياكل المراقبة باستخدام الألياف البصرية ). يعمل مقياس تداخل Michelson ذو الألياف البيضاء هذا على أنه مقياس تمدد دقيق على أطوال المقياس يصل إلى بضع عشرات من الأمتار ، مع ثبات طويل الأجل وقراءة ميكانيكية دقيقة تقاس بالميكرونات.
تم استخدام نثر Brillouin المحفز لقياس الإجهاد الموزع ، وعلى الأخص على كابلات اتصالات الألياف البصرية المثبتة في المناطق المعرضة للزلازل. في الطب الحيوي ، أصبحت ناجحة في أنظمة الجسم الحي - لتقييم عصائر المعدة في البشر ، على سبيل المثال - أدوات تشخيص مفيدة. هناك الكثير غيرها.
مستقبل مجسات الألياف البصرية
أجهزة استشعار الألياف البصرية تواصل فتن. كما هو الحال في مجالات الضوئيات الأخرى ، فإن الباحثين متحمسون لإمكانية صب التقنيات الحديثة في سياق الاستشعار عن بُعد والأجهزة. تبدو البلورات الضوئية والألياف البلورية الضوئية مثيرة للاهتمام - على الرغم من أن الباحثين بالكاد بدأوا في معرفة كيفية ترجمة هذه الاحتمالات إلى بيئة نظام استشعار متعامد إلى حد ما. تعمل الليزر عالية الطاقة المعتمدة على تقنية الألياف البصرية على تمكين التوصيف المبتكر للمواد اللاخطية بشكل خاص. سوف بلا شك تفتق الألياف البصرية الظهور مرة أخرى بمثابة مسبار لفحص الهياكل على نطاق مجهرية ، أو حتى نانوية.
ستساعد أيضًا الابتكارات في مجال الحوسبة وتوافر إمكانية معالجة البيانات الموسعة على تحسين قدرتنا على ترجمة البيانات من صفائف كبيرة من أجهزة استشعار مماثلة وتؤدي إلى مجموعات مفيدة من أجهزة الاستشعار التكميلية. هناك أيضًا فرص مع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الضوئية ، على الرغم من أنه لم يتم بعد تحديد بصماتها كتكنولوجيات استشعار تستند إلى الألياف. سيستمر استغلال تقنية مستشعر الألياف البصرية في التوسع ببطء ولكن بثبات. في موازاة ذلك ، سيواصل مجتمع البحث بحث الأدوات الجديدة والبحث عن فرص لتطبيقها.
