Aplicacions i avanços de sensors de fibra òptica
Antecedents
Durant les últimes dècades, la tecnologia de fibra òptica ha revolucionat la indústria de les telecomunicacions, cosa que permet comunicacions de gran capacitat i de llarga distància i treball en xarxa a uns costos sorprenents. La fibra òptica també ha tingut un paper important en moltes altres aplicacions: s'han utilitzat per proporcionar llum per al marcatge i tall de precisió; com una font làser de gran coherència i capacitat pràctica; per a sistemes d'imatge; i com a mitjà per proporcionar il·luminació a llocs inaccessibles, per no parlar dels arbres de Nadal artificials de gust dubtós (que han aparegut en el nostre laboratori durant la temporada festiva).
Fins i tot abans que la fibra òptica fes gran en la indústria de les telecomunicacions, la tecnologia de fibra òptica estava prometent en els camps de la detecció industrial i ambiental. Les dècades d’investigació ara es tradueixen en instruments de mesura segurs i precisos basats en fibres, incloent giroscopis, sondes de temperatura, hidròfons i monitors químics. De fet, els sensors de fibra òptica troben aplicacions a tot arreu des de ferrocarrils, túnels i ponts fins a forns industrials i sistemes d'eliminació de residus.
La detecció de fibra, l'ús de fibra òptica per a aplicacions de detecció industrial i ambiental, és una altra zona de creixement emocionant per a aquesta tecnologia versàtil. És, per exemple, l'única disciplina dins del camp més ampli de la detecció que té la seva pròpia sèrie energètica de conferències. En aquestes reunions, els investigadors han descrit tècniques potencials per mesurar tot, des de nivells de sucre a la sang fins a ones gravitacionals. Algunes idees han fet el salt del laboratori al mercat altament competitiu de la tecnologia de sensors. L’ús de fibra òptica per a la detecció d’aplicacions és anterior a les seves aplicacions en xarxes de comunicacions. Va començar amb el desenvolupament, a mitjans dels anys seixanta, del sensor "Fotonic", un dispositiu basat en paquets que mesura la distància i el desplaçament, especialment en la indústria de la màquina-eina. Tot i que la Fotonic era una tecnologia imperfecta amb una carrera breu, la idea del sensor va capturar la imaginació de la comunitat investigadora.
Introducció de sensors de fibra òptica
Mecanisme
El mecanisme bàsic és senzill (es mostra a la figura següent): alimentar la llum en una fibra òptica; organitzar la modulació de la llum en funció de la seva interacció amb el paràmetre d'interès; i després transmetre la llum modulada a un punt de monitorització. Hi ha diverses maneres d’arribar a cada pas –en particular, l’enfocament que s’utilitza per modular la llum–, però aquesta és l’essència de la tecnologia.
Avantatges
Els sensors de fibra òptica ofereixen molts avantatges respecte a altres tècniques de detecció. Potser el més important, aquests sensors són immunes a la recollida electromagnètica i es pot accedir a través de les connexions de fibres durant llargues distàncies, de vegades fins a desenes de quilòmetres. Les fibres també són intrínsecament segures en entorns perillosos. A més, són químicament passius, tenen petites dimensions físiques i són mecànicament compatibles amb una gran quantitat d’ambients operatius.
Inconvenients
Inevitablement, aquests sensors també presenten inconvenients. La interpretació de dades és difícil amb determinades aplicacions, per exemple, i el desenvolupament de la confiança dels usuaris i l’acceptació normativa poden ser un procés llarg. A diferència de les comunicacions d'alt ample de banda, on la fibra òptica és la tecnologia capdavantera indiscutible, hi ha moltes altres opcions disponibles en el camp de la detecció; la fibra òptica poques vegades és l'elecció òbvia, encara que pot ser molt bona.
Funció i aplicacions
Els sensors de fibra òptica són particularment versàtils quan es basen en interferòmetres sensibles al medi ambient que utilitzen una arquitectura de fibra o quan controlen el comportament sensible a la longitud d'ona del color. La primera categoria inclou interferòmetres per mesurar camps de pressió dinàmica (hidròfons i geòfons, per exemple) i l'interferòmetre de Sagnac per a la rotació; aquest últim abasta gairebé tot allò espectroscòpic, incloent sensors basats en interaccions amb reactius intermedis (per exemple, un indicador àcid / àlcali), sovint denominats optrodes, i mesures espectroscòpiques directes en gasos, líquids i sòlids. Aquesta categoria també inclou filtres espectrals sensibles al medi ambient, dels quals la reixeta Fibre Bragg (FBG) és, amb diferència, la més coneguda.
Un mecanisme de modulació molt important, però molt menys obvi, incorpora interaccions inelàstiques entre la llum incident, el material de la fibra i l'entorn que envolta la fibra. Aquestes interaccions, de les quals la dispersió de Raman i Brillouin són les més significatives, produeixen canvis característics no lineals en els espectres de la llum que es propaguen al llarg de la fibra en direccions cap endavant i, crucialment, cap enrere. De fet, la capacitat de les fibres òptiques de produir retrodispersió previsible obre noves perspectives per a aplicacions de detecció. Els sistemes de sensors que poden mesurar el temps de retard entre el llançament i la devolució de la radiació retrospectiva es poden utilitzar per sondar el medi ambient al llarg de la fibra. Aquestes tècniques anomenades sensors distribuïts són exclusives de la tecnologia de fibra òptica.
Els sensors distribuïts faciliten les mesures de la tensió i la temperatura en longituds d'interacció molt llargues, fins a moltes desenes de quilòmetres. A més, depenent de la modulació de processament temporal de la llum llançada, el camp de tensió o temperatura es pot resoldre amb una precisió més que adequada sobre longituds de l'ordre de 1 metre o en alguns sistemes encara menys. De manera similar, els sensors de fibra òptica es poden configurar fàcilment en configuracions multiplexades de matrius de dispositius de mesura de punts. Cada dispositiu només necessita una font òptica per activar la xarxa. Aquesta capacitat de multiplexar típicament fins a alguns centenars de punts d'interrogació és una altra característica que defineix els sensors de fibra òptica.
Sensors de fibra òptica en pràctica
El camp de la detecció està ple de tecnologies idiosincràtiques que tracten aplicacions especialitzades i la detecció de fibra no és una excepció. Fins i tot quan es pugui utilitzar el mateix tipus de tecnologia per abordar un ventall de necessitats, els dispositius individuals poden variar en gran mesura depenent de l’aplicació específica i els seus requisits de precisió, estabilitat, resolució, volum de fabricació i altres paràmetres interdependents.
Detecció de temperatura distribuïda
Fa més de dècades, la sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) va sorgir com un sistema prototip basat en la detecció de fibra (el concepte DTS es mostra a la figura següent). Aquesta sonda és capaç de mesurar perfils de temperatura amb una precisió d’1 ℃ i la seva repetibilitat a longituds d’amplada d’un metre o més i longituds d’interrogació total de desenes de quilòmetres en temps de mesura de l’ordre d’un minut. El DTS és una potent eina per mesurar els canvis de temperatura en túnels i canonades. Actualment, hi ha molts sistemes instal·lats en ferrocarrils subterranis, túnels de carretera i grans forns industrials. S'han col·locat altres sistemes en grans maquinàries elèctriques, que poden ser propenses a un sobreescalfament en condicions de falla.
El principal avantatge del DTS és que aquesta tecnologia és equivalent a molts milers de termoparells, espaiats a intervals d’1 m al llarg d’una estructura de mesura estesa. Amb altres sistemes de detecció de temperatura, el cablejat elèctric, la creació de xarxes i la col·locació de xarxes no poden ser pràctiques, especialment en àrees on la seguretat intrínseca pot ser important. No obstant això, amb DTS, els usuaris poden simplement desplegar la fibra i fixar-la en un lloc segur. Les xarxes multiplexades també són potencialment molt importants, encara que encara no han establert el nínxol comercial del DTS. Les xarxes de FBG escrits en una sola longitud de fibra s'han avaluat àmpliament com a matrius de sensors de tensió i / o de temperatura per a la supervisió de la càrrega i de la condició, especialment en estructures compostes de fibra de carboni. Sovint anomenats "estructures intel·ligents", aquestes matrius de sensors faciliten la recopilació de dades operacionals d’estructures com ara aeronaus i ponts.
En principi, aquestes dades es poden utilitzar per determinar la integritat de l’estructura d’interès. Però, a la pràctica, això queda ple de dificultats. Certament, els investigadors i els enginyers poden recopilar dades extenses, però la manera d'interpretar aquestes dades és objecte de debat considerable. L’objectiu és indicar indicadors fiables d’integritat estructural. No obstant això, el desenvolupament de la confiança dels usuaris i l’acceptació de la normativa és un procés prolongat. La monitorització ambiental és una altra possible aplicació per als sistemes multiplexats. La generació de gas metà en un abocador és un indicador important tant de la seguretat del lloc com del progrés dels processos de descomposició anaeròbia que s'estan produint al seu interior. Un sistema de mesura que controla les concentracions de gasos de metà en un lloc amb unes dimensions de l'ordre de 10 km ofereix el benefici d'una avaluació contínua i, per tant, un funcionament millorat, especialment quan es pot utilitzar el metà, un gas d'efecte hivernacle extremadament actiu, per generar diversos megavats poder.
Els sistemes de fibra òptica que orienten aquesta aplicació mostren una promesa enorme; es basen en petites cel·les d'absorció interrogades mitjançant enllaços de fibra monomode. A mesura que les regulacions mediambientals es tornen més estrictes, aquests sistemes ofereixen una tecnologia potencialment definitiva per al seguiment de les operacions d'eliminació de residus. Mitjançant aquest enfocament, els sistemes multiplexats que aborden més de 200 sensors d’una única font làser són factibles. No obstant això, més aviat com les matrius de sensors de deformació FBG, la qüestió de què fer amb totes les dades que aquests sistemes adquireixen són desconcertants. A més, la incorporació d'aquest potencial del sistema a la legislació ambiental i als estàndards reguladors és un procés que requereix molt de temps.
Giroscopi de fibra òptica
Hi ha àrees en què els sensors de fibra òptica han començat a establir-se com a elecció natural. Són extremadament competitius com els hidròfons i els geòfons, de nou en matrius multiplexades. Com a element sensor individual, el giroscopi de fibra òptica és, sens dubte, el que té més èxit. (A la figura següent es mostra un giroscopi de fibra òptica)
Els giroscopis mesuren la rotació en un espai inercial; són instruments essencials en sistemes de navegació i de posicionament i en els equips d'estabilització que s'utilitzen àmpliament en aeronaus i vaixells. El giroscopi de fibra òptica es basa en una realització de fibra òptica de l'interferòmetre de Sagnac, que es va demostrar primer fa gairebé un segle. La idea d’interferòmetre de Sagnac és senzilla. La llum s’inicia des d’un divisor de feix en dues direccions al voltant d’un bucle i el bucle es gira. Mentre que la llum es troba al bucle de tornada cap al divisor de feix, la llum gira a la mateixa direcció que el divisor de feix que té una mica més de distància que la llum que gira contra la direcció del divisor de feix. En conseqüència, hi ha un petit retard de temps entre els feixos de llum que giren en les dues direccions en arribar al separador del feix. Aquest retard de temps es pot mesurar interferomètricament com a fase òptica.
La realització d'aquest concepte en forma de fibra òptica requereix una òptica elegant i una enginyeria acurada. Aproximadament una dècada d’esforç ha donat instruments de mesura de rotació d’alta precisió amb una fiabilitat molt alta. Aquesta fiabilitat rau en el fet que, a diferència dels giroscopis mecànics (o fins i tot del sistema làser de l'anell, que també es basa en l'efecte Sagnac), els giroscopis de fibra òptica no tenen parts mòbils mecàniques. A més, el factor d'escala del giroscopi de fibra òptica és independent de l'acceleració mecànica, a diferència de la tecnologia de roda mecànica més establerta. A més, el giroscopi de fibra òptica es pot configurar en diverses versions que tracten necessitats diverses en termes de precisió, vida útil i tolerància ambiental. Es fabriquen i venen diversos centenars de milers de giroscopis de fibra òptica a l'any.
Un altre sensor de fibra òptica amb èxit que ha trobat una àmplia aplicació en enginyeria civil és el sistema SOFO (acrònim francès de Monitoring Structures using Optical Fibers ). Aquest interferòmetre de fibra clara de llum blanca de Michelson actua com un extensòmetre de precisió sobre longituds de llargària fins a unes poques desenes de metres, amb estabilitat a llarg termini i lectura mecànica de precisió mesurada en microns.
La dispersió de Brillouin estimulada s'ha utilitzat per a la mesura de so distribuïda, sobretot en cables de comunicació de fibra òptica instal·lats a les zones propenses a un terratrèmol. En biomedicina, els sistemes in vivo encaminats a avaluar els sucs gàstrics en humans, per exemple, s'han consolidat com a útils eines de diagnòstic. Hi ha molts altres.
El futur dels sensors de fibra òptica
Els sensors de fibra òptica continuen fascinant. Com en altres àmbits de la fotònica, els investigadors estan entusiasmats amb la possibilitat de modelar noves tecnologies en el context de la detecció i la instrumentació. Els cristalls fotònics i les fibres de cristall fotònic semblen interessants, tot i que els investigadors amb prou feines han començat a entendre com interpretar aquestes perspectives a l'entorn del sistema de sensors una mica ortogonal. Els làsers d'alta potència basats en tecnologia de fibra òptica permeten una caracterització especialment innovadora de materials no lineals. Sens dubte, la cònica de fibra òptica tornarà a sorgir com a sonda per examinar les estructures a escala microscòpica, o fins i tot nanoscòpica.
Les innovacions en informàtica i la disponibilitat de capacitat de gestió de dades estesa també ajudaran a millorar la nostra capacitat d’interpretar dades de grans matrius de sensors similars i generar combinacions útils de sensors complementaris. També hi ha oportunitats amb sistemes de microelectromecànica òptica, tot i que encara no han deixat la seva marca com a tecnologies de sensor de fibra. L’explotació de la tecnologia de sensors de fibra òptica continuarà expandint-se lentament, però de manera constant. Paral·lelament, la comunitat investigadora continuarà investigant noves eines i buscant oportunitats per aplicar-les.
