फाइबर ऑप्टिक सेंसर के अनुप्रयोग और अग्रिम

फाइबर ऑप्टिक सेंसर के अनुप्रयोग और अग्रिम

पृष्ठभूमि
पिछले दशकों में, फाइबर ऑप्टिक प्रौद्योगिकी ने दूरसंचार उद्योग में क्रांति ला दी है, जिससे उच्च-क्षमता, लंबी दूरी की संचार और चौंका देने वाली कम लागत पर नेटवर्किंग हो रही है। फाइबर ऑप्टिक्स ने कई अन्य अनुप्रयोगों में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है: उनका उपयोग सटीक अंकन और काटने के लिए प्रकाश देने के लिए किया गया है; एक व्यावहारिक, उच्च शक्ति, उच्च सुसंगतता लेजर स्रोत के रूप में; इमेजिंग सिस्टम के लिए; और दुर्गम स्थानों में रोशनी प्रदान करने के लिए एक साधन के रूप में - संदिग्ध स्वाद के कृत्रिम क्रिसमस पेड़ों के लिए उल्लेख नहीं करना चाहिए (जो कि उत्सव के मौसम में हमारी प्रयोगशाला में प्रकट हुए हैं)।

दूरसंचार उद्योग में फाइबर ऑप्टिक्स को बड़ा बनाने से पहले ही, फाइबर ऑप्टिक तकनीक औद्योगिक और पर्यावरणीय संवेदन के क्षेत्र में वादा दिखा रही थी। अनुसंधान के दशकों को अब सुरक्षित, सटीक फाइबर-आधारित मापने वाले उपकरणों में अनुवाद किया जा रहा है, जिसमें जायरोस्कोप, तापमान जांच, हाइड्रोफोन और रासायनिक मॉनिटर शामिल हैं। वास्तव में, फाइबर ऑप्टिक सेंसर रेलवे, सुरंगों और पुलों से लेकर औद्योगिक ओवन और अपशिष्ट-निपटान प्रणाली तक हर जगह आवेदन पा रहे हैं।

फाइबर सेंसिंग - औद्योगिक और पर्यावरणीय संवेदन अनुप्रयोगों के लिए फाइबर ऑप्टिक्स का उपयोग - इस बहुमुखी प्रौद्योगिकी के लिए एक और रोमांचक विकास क्षेत्र है। उदाहरण के लिए, संवेदन के व्यापक क्षेत्र के भीतर एकमात्र अनुशासन, जिसमें सम्मेलनों की अपनी ऊर्जावान श्रृंखला है। इन बैठकों में, शोधकर्ताओं ने रक्त शर्करा के स्तर से गुरुत्वाकर्षण तरंगों तक सब कुछ मापने के लिए संभावित तकनीकों का वर्णन किया है। कुछ विचारों ने प्रयोगशाला से सेंसर प्रौद्योगिकी के अत्यधिक प्रतिस्पर्धी बाजार में छलांग लगाई है। संवेदन अनुप्रयोगों के लिए फाइबर ऑप्टिक्स का उपयोग वास्तव में संचार नेटवर्क में इसके अनुप्रयोगों से पहले होता है। यह 1960 के मध्य में, "फोटोनिक" सेंसर, बंडल-आधारित डिवाइस के साथ शुरू हुआ, जो दूरी और विस्थापन को मापता है, विशेष रूप से मशीन टूल उद्योग में। हालांकि फ़ोटोनिक एक संक्षिप्त कैरियर के साथ एक अपूर्ण तकनीक थी, सेंसर के पीछे के विचार ने अनुसंधान समुदाय की कल्पना को पकड़ लिया।

फाइबर ऑप्टिक सेंसर का परिचय

तंत्र
बुनियादी तंत्र सरल है (नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है): प्रकाश को एक ऑप्टिकल फाइबर में फ़ीड करें; ब्याज के पैरामीटर के साथ बातचीत के आधार पर प्रकाश को व्यवस्थित करने के लिए व्यवस्थित करें; और फिर एक निगरानी बिंदु पर संशोधित प्रकाश वापस संचारित करें। प्रत्येक चरण के बारे में जाने के विभिन्न तरीके हैं- विशेष रूप से, प्रकाश को संशोधित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला दृष्टिकोण - लेकिन यह तकनीक का सार है।

लाभ
फाइबर ऑप्टिक सेंसर अन्य सेंसिंग तकनीकों की तुलना में कई फायदे प्रदान करते हैं। शायद सबसे महत्वपूर्ण, ये सेंसर विद्युत चुम्बकीय पिकअप के लिए प्रतिरक्षा हैं और बहुत लंबी दूरी के लिए फाइबर लिंक के माध्यम से पहुँचा जा सकता है-कभी-कभी दसियों किलोमीटर तक फैला हुआ। तंतु खतरनाक वातावरण में भी आंतरिक रूप से सुरक्षित होते हैं। इसके अलावा, वे रासायनिक रूप से निष्क्रिय हैं, छोटे भौतिक आयाम हैं, और यांत्रिक रूप से परिचालन वातावरण के एक मेजबान के साथ संगत हैं।

कमियां
अनिवार्य रूप से, इन सेंसर में कमियां भी हैं। उदाहरण के लिए, कुछ अनुप्रयोगों के साथ डेटा व्याख्या मुश्किल है, और उपयोगकर्ता के विश्वास और नियामक स्वीकृति को विकसित करना एक लंबी प्रक्रिया हो सकती है। उच्च-बैंडविड्थ संचार के विपरीत, जहां फाइबर-ऑप्टिक्स निर्विवाद लीड तकनीक है, संवेदन के क्षेत्र में कई अन्य विकल्प उपलब्ध हैं; फाइबर-ऑप्टिक्स शायद ही कभी स्पष्ट विकल्प हैं - हालांकि यह बहुत अच्छा हो सकता है।

फ़ंक्शन और अनुप्रयोग
फाइबर ऑप्टिक सेंसर विशेष रूप से बहुमुखी हैं जब पर्यावरण के प्रति संवेदनशील इंटरफेरोमीटर पर आधारित होते हैं जो फाइबर आर्किटेक्चर का उपयोग करते हैं या जब कोलोर तरंगदैर्ध्य-संवेदनशील व्यवहार की निगरानी करते हैं। पूर्व श्रेणी में गतिशील दबाव क्षेत्रों (हाइड्रोफोन और जियोफोन, उदाहरण के लिए) को मापने के लिए इंटरफेरोमीटर और रोटेशन के लिए सग्नाक इंटरफेरोमीटर शामिल हैं; उत्तरार्द्ध लगभग सभी स्पेक्ट्रोस्कोपिक को शामिल करता है, जिसमें मध्यवर्ती अभिकर्मकों (उदाहरण के लिए, एक एसिड / क्षार सूचक) के साथ बातचीत पर आधारित सेंसर शामिल हैं-जिन्हें गैसों, तरल पदार्थ और ठोस पदार्थों में ऑप्ट्रोइड्स और प्रत्यक्ष स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप के रूप में संदर्भित किया जाता है। इस श्रेणी में पर्यावरण के प्रति संवेदनशील वर्णक्रमीय फिल्टर भी शामिल हैं, जिनमें से फाइबर ब्रैग ग्रैटिंग (FBG) अब तक सबसे प्रसिद्ध है।

एक बहुत ही महत्वपूर्ण - लेकिन अभी तक कम स्पष्ट-मॉड्यूलेशन तंत्र घटना प्रकाश, फाइबर की सामग्री और फाइबर के आस-पास के वातावरण के बीच अतीन्द्रिय बातचीत को शामिल करता है। ये बातचीत, जिनमें से रमन और ब्रिल्लिन बिखराव सबसे महत्वपूर्ण हैं, आगे और पीछे, दोनों दिशाओं में फाइबर के साथ प्रकाश प्रसार के स्पेक्ट्रा के लिए विशेषता nonlinear परिवर्तन पैदा करते हैं। वास्तव में, पूर्वानुमानित बैकस्कैटरिंग का उत्पादन करने के लिए ऑप्टिकल फाइबर की क्षमता संवेदन अनुप्रयोगों के लिए नई संभावनाओं को खोलती है। सेंसर सिस्टम जो बैकस्केटेड विकिरण के प्रक्षेपण और वापसी के बीच के समय की देरी को माप सकते हैं, का उपयोग फाइबर के साथ पर्यावरण की जांच के लिए किया जा सकता है। ये तथाकथित वितरित सेंसर तकनीक फाइबर ऑप्टिक तकनीक के लिए अद्वितीय हैं।

वितरित सेंसर बहुत लंबे इंटरैक्शन लंबाई पर तनाव और तापमान की माप की सुविधा प्रदान करते हैं - कई दसियों किलोमीटर तक। इसके अलावा, लॉन्च किए गए प्रकाश पर अस्थायी प्रसंस्करण मॉड्यूलेशन के आधार पर, तनाव या तापमान क्षेत्र को 1 मीटर के आदेश पर गेज की लंबाई पर पर्याप्त सटीकता से अधिक या कुछ प्रणालियों में भी हल किया जा सकता है। इसी तरह, फाइबर ऑप्टिक सेंसर आसानी से बिंदु माप उपकरणों के सरणियों के बहुसंकेतन विन्यास में कॉन्फ़िगर किए जा सकते हैं। प्रत्येक डिवाइस को नेटवर्क को सक्रिय करने के लिए केवल एक ऑप्टिकल स्रोत की आवश्यकता होती है। मल्टीप्लेक्स की यह क्षमता आमतौर पर कुछ सौ पूछताछ बिंदुओं तक होती है, यह फाइबर ऑप्टिक सेंसर की एक और खासियत है।

फाइबर ऑप्टिक सेंसर प्रैक्टिस में
संवेदन के क्षेत्र में अज्ञात तकनीक है जो विशेषज्ञ अनुप्रयोगों को संबोधित करती है, और फाइबर सेंसिंग अपवाद नहीं है। यहां तक कि जब एक ही प्रकार की तकनीक का उपयोग आवश्यकताओं की एक श्रृंखला को संबोधित करने के लिए किया जा सकता है, तो व्यक्तिगत डिवाइस विशिष्ट अनुप्रयोग और इसकी सटीकता, स्थिरता, संकल्प, निर्माण की मात्रा और अन्य अन्योन्याश्रित मापदंडों के एक मेजबान के आधार पर बहुत भिन्न हो सकते हैं।

वितरित तापमान सेंसिंग
अच्छी तरह से दशकों पहले, रमन डिस्ट्रीब्यूटेड टेम्परेचर सेंसिंग (DTS) जांच फाइबर सेंसिंग पर आधारित एक प्रोटोटाइप प्रणाली के रूप में उभरी (DTS कॉन्सेप्ट नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है)। यह जांच एक मिनट के आदेश पर माप समय में एक 1 ℃ सटीकता और दोहराव लंबाई 1 मीटर या तो और लंबाई की कुल पूछताछ लंबाई के साथ तापमान प्रोफाइल को मापने में सक्षम है। DTS सुरंगों और पाइप लाइनों में तापमान में परिवर्तन को मापने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। कई सिस्टम अब भूमिगत रेलवे, राजमार्ग सुरंगों और बड़े औद्योगिक ओवन में स्थापित हैं। अन्य प्रणालियों को बड़ी विद्युत मशीनरी में रखा गया है, जो कि दोषपूर्ण परिस्थितियों में ओवरहीटिंग का खतरा हो सकता है।

डीटीएस का मुख्य लाभ यह है कि यह तकनीक कई हजारों थर्मोक्यूल्स के बराबर है, जो एक विस्तारित माप संरचना के साथ 1-मीटर के अंतराल पर होती है। अन्य तापमान संवेदन प्रणालियों के साथ, विद्युत वायरिंग, नेटवर्किंग और पावरिंग अव्यावहारिक हो सकते हैं, खासकर उन क्षेत्रों में जहां आंतरिक सुरक्षा महत्वपूर्ण हो सकती है। हालांकि, DTS के साथ, उपयोगकर्ता केवल फाइबर को रोल आउट कर सकते हैं और इसे सुरक्षित स्थान पर संलग्न कर सकते हैं। मल्टीप्लेक्स नेटवर्क भी संभावित रूप से बहुत महत्वपूर्ण हैं, हालांकि अभी तक डीटीएस द्वारा आनंदित वाणिज्यिक आला स्थापित करना बाकी है। एक एकल फाइबर लंबाई में लिखे गए एफबीजी के नेटवर्क का मूल्यांकन बड़े पैमाने पर तनाव और / या तापमान सेंसर के भार और स्थिति की निगरानी के लिए किया जाता है, विशेष रूप से कार्बन फाइबर समग्र संरचनाओं में। अक्सर "स्मार्ट संरचनाओं" के रूप में करार दिया, सेंसर के इन सरणियों विमान और पुलों जैसे संरचनाओं से परिचालन डेटा एकत्र करने की सुविधा प्रदान करते हैं।

सिद्धांत रूप में, इन आंकड़ों का उपयोग ब्याज की संरचना की अखंडता को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। लेकिन व्यवहार में, यह कठिनाई से भरा रहता है। निश्चित रूप से शोधकर्ता और इंजीनियर व्यापक डेटा एकत्र कर सकते हैं, लेकिन इन आंकड़ों की व्याख्या कैसे करें यह काफी बहस का विषय है। उद्देश्य संरचनात्मक अखंडता के विश्वसनीय संकेतकों को निरूपित करना है। हालांकि, उपयोगकर्ता का विश्वास और नियामक स्वीकृति विकसित करना एक लंबी प्रक्रिया है। मल्टीप्लेक्स सिस्टम के लिए पर्यावरण निगरानी अभी तक एक और संभावित अनुप्रयोग है। एक लैंडफिल साइट में मीथेन गैस की उत्पत्ति साइट की सुरक्षा और इसके भीतर होने वाली अवायवीय अपघटन प्रक्रियाओं की प्रगति का एक महत्वपूर्ण संकेतक है। एक माप प्रणाली जो 10 किमी के क्रम पर आयामों के साथ एक साइट पर मीथेन गैस की सांद्रता की निगरानी करती है, निरंतर मूल्यांकन और इसके परिणामस्वरूप बेहतर संचालन का लाभ प्रदान करती है, खासकर जब मीथेन - एक अत्यंत सक्रिय ग्रीनहाउस गैस - का उपयोग कई मेगावाट विद्युत उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है शक्ति।

फाइबर ऑप्टिक्स सिस्टम जो इस एप्लिकेशन को लक्षित करते हैं, बहुत बड़ा वादा दिखाते हैं; वे एकल-मोड फाइबर लिंक का उपयोग करके पूछताछ की गई छोटी अवशोषण कोशिकाओं पर आधारित हैं। जैसे-जैसे पर्यावरणीय नियम सख्त हो जाते हैं, ऐसे सिस्टम कचरे के निपटान के संचालन की निगरानी के लिए एक संभावित निश्चित तकनीक प्रदान करते हैं। इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, एकल लेजर स्रोत से 200 से अधिक सेंसर को संबोधित करने वाले मल्टीप्लेक्स सिस्टम संभव हैं। हालांकि, एफबीजी स्ट्रेन सेंसर एरेज़ की तरह, इन सिस्टमों को प्राप्त करने वाले सभी डेटा के साथ क्या करना है, यह सवाल हैरान करने वाला है। इसके अलावा, पर्यावरणीय कानून और नियामक मानकों में इस प्रणाली की क्षमता को शामिल करना एक समय लेने वाली प्रक्रिया है।

फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप
ऐसे क्षेत्र हैं जिनमें फाइबर ऑप्टिक सेंसर ने खुद को प्राकृतिक विकल्प के रूप में स्थापित करना शुरू कर दिया है। वे हाइड्रोफोन और जियोफोन के रूप में बेहद प्रतिस्पर्धी हैं, फिर से बहुसंकेतन सरणियों में। एक व्यक्तिगत सेंसर तत्व के रूप में, फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप यकीनन सबसे सफल है। (एक फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।)

जाइरोस्कोप्स जड़ता अंतरिक्ष में रोटेशन को मापते हैं; वे नेविगेशन और पोजिशनिंग सिस्टम और स्थिरीकरण उपकरण में आवश्यक उपकरण हैं जो विमान और जहाजों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं। फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप सग्नैक इंटरफेरोमीटर के फाइबर ऑप्टिक अहसास पर आधारित है - जिसका प्रदर्शन लगभग एक सदी पहले किया गया था। Sagnac इंटरफेरोमीटर के पीछे का विचार सरल है। लूप के चारों ओर दो दिशाओं में एक बीम फाड़नेवाला से प्रकाश लॉन्च किया जाता है और लूप घुमाया जाता है। जबकि प्रकाश लूप एन मार्ग में बीम स्प्लिटर पर वापस जाता है, किरण बीम के दिशा के खिलाफ प्रकाश घूमने की तुलना में बीम फाड़नेवाला के समान प्रकाश एक ही दिशा में घूमता है। नतीजतन, बीम के स्प्लिटर पर वापस आने पर दो दिशाओं में घूमने वाले प्रकाश किरणों के बीच एक छोटा समय विलंब होता है। इस बार देरी को ऑप्टिकल चरण के रूप में इंटरफेरोमेट्रिक रूप से मापा जा सकता है।

फाइबर ऑप्टिक रूप में इस अवधारणा को साकार करने के लिए कुछ सुरुचिपूर्ण प्रकाशिकी और सावधान इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है। लगभग एक दशक के प्रयास से बहुत ही उच्च विश्वसनीयता के साथ अत्यधिक सटीक घूर्णी माप उपकरण प्राप्त हुए हैं। यह निर्भरता इस तथ्य में निहित है कि, मैकेनिकल गायरोस्कोप (या यहां तक कि रिंग लेजर सिस्टम, जो कि सग्नैक प्रभाव पर भी आधारित है) के विपरीत, फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप में कोई यांत्रिक चलती भागों नहीं है। इसके अलावा, फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप का स्केल फैक्टर मैकेनिकल एक्सेलेरेशन से स्वतंत्र है, जो कि अधिक स्थापित मैकेनिकल स्पीन व्हील ड्राइव के विपरीत है। इसके अलावा, फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप को सटीकता, जीवनकाल और पर्यावरणीय सहिष्णुता के संदर्भ में विभिन्न आवश्यकताओं को संबोधित करने वाले विभिन्न संस्करणों के होस्ट में कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। प्रति वर्ष कई सौ फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप निर्मित और बेचे जाते हैं।

एक अन्य सफल फाइबर ऑप्टिक सेंसर, जिसने सिविल इंजीनियरिंग में व्यापक अनुप्रयोग पाया है, SOFO ( ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करके मॉनिटरिंग स्ट्रक्चर्स के लिए एक फ्रांसीसी संक्षिप्तिकरण) है। यह सफेद-प्रकाश फाइबर माइकलसन इंटरफेरोमीटर गेज के ऊपर एक सटीक एक्सटेन्सोमीटर के रूप में कार्य करता है, जो कुछ दसियों मीटर की दूरी पर होता है, जिसमें दीर्घकालिक स्थिरता और माइक्रोन में एक सटीक यांत्रिक रीडआउट होता है।

स्टिम्युलेटेड ब्रिलॉइन स्कैटरिंग का उपयोग स्ट्रेन माप के वितरण के लिए किया गया है, विशेष रूप से भूकंप-संभावित क्षेत्रों में स्थापित फाइबर ऑप्टिक संचार केबलों पर। बायोमेडिसिन में, विवो सिस्टम में सफल - मनुष्यों में गैस्ट्रिक रस का मूल्यांकन करने के लिए, उपयोगी नैदानिक उपकरणों के रूप में स्थापित हो गए हैं। कई अन्य हैं।

फाइबर ऑप्टिक सेंसर का भविष्य
फाइबर ऑप्टिक सेंसर मोहित करते रहते हैं। फोटोनिक्स के अन्य क्षेत्रों की तरह, शोधकर्ता नई तकनीकों को संवेदन और इंस्ट्रूमेंटेशन के संदर्भ में ढालने की संभावना से उत्साहित हैं। फोटोनिक क्रिस्टल और फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर दिलचस्प दिखते हैं - हालांकि शोधकर्ताओं ने मुश्किल से यह पता लगाना शुरू कर दिया है कि इन संभावनाओं को कुछ हद तक ऑर्थोगोनल सेंसर-सिस्टम पर्यावरण में कैसे व्याख्या किया जाए। फाइबर ऑप्टिक तकनीक पर आधारित उच्च-शक्ति के लेजर विशेष रूप से सामग्रियों के अभिनव nonlinear लक्षण वर्णन को सक्षम करते हैं। फाइबर ऑप्टिक टेपर को सूक्ष्म, या नैनोस्कोपिक, स्केल पर संरचनाओं की जांच करने के लिए एक जांच के रूप में फिर से उभरने में कोई संदेह नहीं होगा।

कंप्यूटिंग में नवाचार और विस्तारित डेटा-हैंडलिंग क्षमता की उपलब्धता भी इसी तरह के सेंसर के बड़े सरणियों से डेटा की व्याख्या करने और पूरक सेंसर के उपयोगी संयोजनों की ओर ले जाने में हमारी क्षमता को बेहतर बनाने में मदद करेगी। ऑप्टिकल माइक्रो-इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम के साथ अवसर भी हैं, हालांकि ये अभी तक फाइबर-आधारित सेंसर प्रौद्योगिकियों के रूप में अपनी पहचान बनाने के लिए हैं। फाइबर ऑप्टिक सेंसर तकनीक का विस्तार धीरे-धीरे लेकिन तेजी से जारी रहेगा। समानांतर में, अनुसंधान समुदाय नए उपकरणों की जांच करता रहेगा और उन्हें लागू करने के अवसरों की तलाश करेगा।