Aplicações e avanços de sensores de fibra ótica
fundo
Nas últimas décadas, a tecnologia de fibra ótica revolucionou o setor de telecomunicações, permitindo comunicações e redes de alta capacidade e longa distância a custos incrivelmente baixos. As fibras ópticas também desempenharam papéis importantes em várias outras aplicações: elas foram usadas para fornecer luz para marcação e corte precisos; como fonte de laser prática, de alta potência e alta coerência; para sistemas de imagem; e como meio de fornecer iluminação em lugares inacessíveis - para não falar de árvores de Natal artificiais de sabor questionável (que, reconhecidamente, apareceram em nosso laboratório durante a época festiva).
Mesmo antes de as fibras ópticas se tornarem grandes na indústria das telecomunicações, a tecnologia de fibra óptica mostrou-se promissora nos campos da detecção industrial e ambiental. Décadas de pesquisa estão sendo traduzidas em instrumentos de medição seguros e precisos, incluindo giroscópios, sondas de temperatura, hidrofones e monitores químicos. De fato, os sensores de fibra ótica estão encontrando aplicações em todos os lugares, desde ferrovias, túneis e pontes até fornos industriais e sistemas de eliminação de resíduos.
O sensoriamento de fibra - o uso de fibra ótica para aplicações de sensoriamento industrial e ambiental - é outra área de crescimento interessante para essa tecnologia versátil. É, por exemplo, a única disciplina dentro do campo mais amplo de percepção que tem sua própria série energética de conferências. Nessas reuniões, os pesquisadores descreveram técnicas potenciais para medir tudo, de níveis de açúcar no sangue a ondas gravitacionais. Algumas ideias deram o salto do laboratório para o mercado altamente competitivo da tecnologia de sensores. O uso de fibra ótica para detecção de aplicativos na verdade antecede suas aplicações em redes de comunicação. Tudo começou com o desenvolvimento, em meados da década de 1960, do sensor “Fotonic”, um dispositivo baseado em pacotes que mede a distância e o deslocamento, particularmente na indústria de máquinas-ferramenta. Embora o Fotonic fosse uma tecnologia imperfeita com uma breve carreira, a ideia por trás do sensor capturou a imaginação da comunidade de pesquisa.
Introdução de sensores de fibra ótica
Mecanismo
O mecanismo básico é simples (mostrado na figura abaixo): Alimente a luz em uma fibra óptica; providenciar para que a luz seja modulada com base em sua interação com o parâmetro de interesse; e depois transmitir a luz modulada de volta a um ponto de monitoramento. Existem várias maneiras de abordar cada etapa - em particular, a abordagem usada para modular a luz -, mas essa é a essência da tecnologia.
Vantagens
Os sensores de fibra óptica oferecem muitas vantagens sobre outras técnicas de detecção. Talvez o mais importante, esses sensores são imunes à captação eletromagnética e podem ser acessados através dos elos de fibra por longas distâncias - às vezes estendendo-se a dezenas de quilômetros. As fibras também são intrinsecamente seguras em ambientes perigosos. Além disso, são quimicamente passivos, têm pequenas dimensões físicas e são mecanicamente compatíveis com uma série de ambientes operacionais.
Desvantagens
Inevitavelmente, esses sensores também têm desvantagens. A interpretação de dados é difícil com certas aplicações, por exemplo, e o desenvolvimento da confiança do usuário e a aceitação regulatória podem ser um processo demorado. Ao contrário das comunicações de alta largura de banda, onde a fibra ótica é a tecnologia de ponta indiscutível, existem inúmeras outras opções disponíveis no campo da detecção; A fibra óptica raramente é a escolha óbvia - embora possa ser muito boa.
Função e Aplicações
Os sensores de fibra óptica são particularmente versáteis quando baseados em interferômetros ambientalmente sensíveis que usam uma arquitetura de fibra ou quando monitoram o comportamento sensível à cor ou ao comprimento de onda. A primeira categoria inclui interferômetros para medir campos de pressão dinâmica (hidrofones e geofones, por exemplo) e o interferômetro Sagnac para rotação; o segundo abrange quase tudo o que é espectroscópico, incluindo sensores baseados em interações com reagentes intermediários (por exemplo, um indicador ácido / alcalino) - muitas vezes chamados de optrodes - e medições espectroscópicas diretas em gases, líquidos e sólidos. Esta categoria também inclui filtros espectrais ambientalmente sensíveis, dos quais o Fiber Bragg Grating (FBG) é de longe o mais conhecido.
Um mecanismo de modulação muito importante - mas muito menos óbvio - incorpora interações inelásticas entre a luz incidente, o material da própria fibra e o ambiente ao redor da fibra. Essas interações, das quais Raman e Brillouin são as mais significativas, produzem mudanças não-lineares características nos espectros da luz que se propagam ao longo da fibra, tanto para frente quanto para trás. De fato, a capacidade das fibras ópticas de produzir retroespalhamento previsível abre novas perspectivas para aplicações de sensoriamento. Sistemas de sensores que podem medir o tempo de atraso entre o lançamento e o retorno da radiação de retroespalhamento podem ser usados para sondar o ambiente ao longo da fibra. Essas chamadas técnicas de sensores distribuídos são exclusivas da tecnologia de fibra óptica.
Sensores distribuídos facilitam medições de tensão e temperatura ao longo de comprimentos de interação muito longos - para muitas dezenas de quilômetros. Além disso, dependendo da modulação de processamento temporal na luz lançada, o campo de deformação ou temperatura pode ser resolvido com precisão mais que adequada em comprimentos de bitola da ordem de 1 metro, ou em alguns sistemas até menos. Da mesma forma, os sensores de fibra óptica podem ser prontamente configurados em configurações multiplexadas de matrizes de dispositivos de medição pontuais. Cada dispositivo requer apenas uma fonte óptica para energizar a rede. Essa capacidade de multiplexar tipicamente até algumas centenas de pontos de interrogação é outra característica definidora dos sensores de fibra óptica.
Sensores de Fibra Óptica na Prática
O campo do sensoriamento é repleto de tecnologias idiossincráticas que abordam aplicativos especializados e o sensoriamento de fibra não é exceção. Mesmo quando o mesmo tipo de tecnologia pode ser usado para atender a uma variedade de necessidades, os dispositivos individuais podem variar muito dependendo da aplicação específica e seus requisitos de precisão, estabilidade, resolução, volume de fabricação e uma série de outros parâmetros interdependentes.
Detecção de Temperatura Distribuída
Bem mais de décadas atrás, a sonda Raman Distributed Temperature Sensing (DTS) emergiu como um protótipo de sistema baseado em sensoriamento de fibra (o conceito DTS é mostrado na figura abaixo). Esta sonda é capaz de medir perfis de temperatura com uma precisão de 1 and e repetibilidade sobre comprimentos de bitola de 1 metro ou mais e total de comprimentos de interrogação de dezenas de quilômetros em tempos de medição na ordem de um minuto. O DTS é uma ferramenta poderosa para medir mudanças de temperatura em túneis e tubulações. Muitos sistemas estão agora instalados em ferrovias subterrâneas, túneis rodoviários e grandes fornos industriais. Outros sistemas foram colocados em grandes máquinas elétricas, que podem estar sujeitas a superaquecimento sob condições de falha.
O principal benefício do DTS é que esta tecnologia é equivalente a muitos milhares de termopares, espaçados em intervalos de 1 m ao longo de uma estrutura de medição estendida. Com outros sistemas sensores de temperatura, a fiação elétrica, a rede e a alimentação podem ser impraticáveis, especialmente em áreas onde a segurança intrínseca pode ser importante. No entanto, com o DTS, os usuários podem simplesmente estender a fibra e anexá-la em um local seguro. As redes multiplexadas também são potencialmente muito importantes, embora ainda não tenham estabelecido o nicho comercial do DTS. Redes de FBGs escritas em um único comprimento de fibra foram extensivamente avaliadas como matrizes de sensores de tensão e / ou temperatura para monitoramento de carga e condição, particularmente em estruturas compostas de fibra de carbono. Frequentemente apelidados de “estruturas inteligentes”, essas matrizes de sensores facilitam a coleta de dados operacionais de estruturas como aeronaves e pontes.
Em princípio, esses dados podem ser usados para determinar a integridade da estrutura de interesse. Mas na prática, isso permanece repleto de dificuldades. Certamente, pesquisadores e engenheiros podem coletar dados extensos, mas como interpretar esses dados é assunto de considerável debate. O objetivo é denotar indicadores confiáveis de integridade estrutural. No entanto, o desenvolvimento da confiança do usuário e a aceitação da regulamentação são processos demorados. O monitoramento ambiental é mais uma aplicação potencial para sistemas multiplexados. A geração de gás metano em um aterro é um indicador importante tanto da segurança do local quanto do progresso dos processos de decomposição anaeróbica que estão ocorrendo dentro dele. Um sistema de medição que monitora as concentrações de gás metano em um local com dimensões da ordem de 10 km oferece o benefício da avaliação contínua e consequentemente melhora da operação, especialmente quando o metano - um gás de efeito estufa extremamente ativo - pode ser usado para gerar vários megawatts de eletricidade poder.
Os sistemas de fibra ótica que visam esse aplicativo são enormes promessas; eles são baseados em pequenas células de absorção interrogadas usando links de fibra monomodo. À medida que as regulamentações ambientais se tornam mais rigorosas, esses sistemas oferecem uma tecnologia potencialmente definitiva para monitorar as operações de descarte de resíduos. Usando essa abordagem, sistemas multiplexados que abordam mais de 200 sensores de uma única fonte de laser são viáveis. No entanto, um pouco como os arrays de sensores de deformação FBG, a questão sobre o que fazer com todos os dados que esses sistemas adquirem é desconcertante. Além disso, incorporar esse potencial de sistema à legislação ambiental e aos padrões normativos é um processo demorado.
Giroscópio de fibra óptica
Existem áreas nas quais os sensores de fibra óptica começaram a se estabelecer como a escolha natural. Eles são extremamente competitivos como hidrofones e geofones, novamente em matrizes multiplexadas. Como um elemento sensor individual, o giroscópio de fibra óptica é sem dúvida o mais bem sucedido. (Um giroscópio de fibra óptica é mostrado na figura abaixo.)
Os giroscópios medem a rotação no espaço inercial; eles são instrumentos essenciais em sistemas de navegação e posicionamento e no equipamento de estabilização que é usado extensivamente em aeronaves e navios. O giroscópio de fibra ótica é baseado na realização de fibra óptica do interferômetro Sagnac - que foi demonstrado pela primeira vez há quase um século. A ideia por trás do interferômetro Sagnac é simples. A luz é lançada de um divisor de feixe em duas direções em torno de um loop e o loop é girado. Enquanto a luz está no circuito em rota de volta ao divisor de feixe, a luz girando na mesma direção que o divisor de feixe tem um pouco mais longe do que a luz girando contra a direção do divisor de feixe. Consequentemente, há um pequeno atraso de tempo entre os feixes de luz que giram nas duas direções na sua chegada de volta ao divisor de feixe. Este atraso de tempo pode ser medido interferometricamente como uma fase ótica.
A realização deste conceito em forma de fibra ótica requer algumas óticas elegantes e engenharia cuidadosa. Cerca de uma década de esforço produziu instrumentos de medição rotacional altamente precisos com alta confiabilidade. Essa confiabilidade está no fato de que, diferentemente dos giroscópios mecânicos (ou mesmo do sistema de laser a anel, que também é baseado no efeito Sagnac), os giroscópios de fibra óptica não têm partes móveis mecânicas. Além disso, o fator de escala do giroscópio de fibra óptica é independente da aceleração mecânica, em contraste com a tecnologia de roda de fiar mecânica mais estabelecida. Além disso, o giroscópio de fibra óptica pode ser configurado em uma série de diferentes versões, atendendo a diversas necessidades em termos de precisão, vida útil e tolerância ambiental. Várias centenas de milhares de giroscópios de fibra óptica são fabricados e vendidos por ano.
Outro sensor de fibra óptica bem-sucedido que encontrou ampla aplicação em engenharia civil é o sistema SOFO (sigla em francês para Monitoramento de Estruturas Utilizando Fibras Ópticas ). Este interferômetro Michelson de fibra de luz branca atua como um extensômetro de precisão sobre comprimentos de bitola até algumas dezenas de metros, com estabilidade a longo prazo e uma leitura mecânica de precisão medida em microns.
O espalhamento de Brillouin estimulado tem sido usado para medição de deformação distribuída, principalmente em cabos de comunicação de fibra ótica instalados em áreas propensas a terremotos. Na biomedicina, sistemas in vivo bem sucedidos - para avaliar os sucos gástricos em humanos, por exemplo - se estabeleceram como ferramentas úteis de diagnóstico. Existem muitos outros.
O futuro dos sensores de fibra óptica
Sensores de fibra óptica continuam a fascinar. Como em outras áreas da fotônica, os pesquisadores estão empolgados com a perspectiva de moldar novas tecnologias no contexto de sensoriamento e instrumentação. Os cristais fotônicos e as fibras de cristal fotônico parecem interessantes - embora os pesquisadores mal tenham começado a descobrir como interpretar essas perspectivas no ambiente de sistema sensorial um tanto ortogonal. Lasers de alta potência baseados na tecnologia de fibra ótica permitem uma caracterização não linear de materiais especialmente inovadora. O cone de fibra óptica sem dúvida ressurgirá como uma sonda para examinar estruturas na escala microscópica, ou até mesmo nanoscópica.
Inovações em computação e a disponibilidade de recursos estendidos de manipulação de dados também ajudarão a melhorar nossa capacidade de interpretar dados de grandes conjuntos de sensores semelhantes e levar a combinações úteis de sensores complementares. Há também oportunidades com sistemas micro-eletromecânicos ópticos, embora estes ainda tenham que deixar sua marca como tecnologias de sensores baseados em fibra. A exploração da tecnologia de sensores de fibra óptica continuará a se expandir lenta, mas firmemente. Em paralelo, a comunidade de pesquisa continuará investigando novas ferramentas e buscando oportunidades para aplicá-las.
