Αισθητήρες Οπτικής Ίνας
Πηγή: https://opsens-solutions.com/wp-content/uploads/sites/4/2015/02/OTG-F-image-New.png
Οι αισθητήρες θερμοκρασίας βασισμένοι στην τεχνολογία της οπτικής ίνας κερδίζουν έδαφος σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες και υλοποιήσεις αισθητήρων, καθώς μπορούν να λειτουργήσουν σε περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών και σε συνθήκες έλλειψης χώρου, λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών τους[1]. Οι αισθητήρες οπτικής ίνας δύνανται να πραγματοποιούν παρακολούθηση χωρίς την χρήση ηλεκτρονικών συσκευών, ενώ το μικρό τους μέγεθος σε συνδυασμό με την υψηλή ευαισθησία τους συνηγορεί στην προσαρμοστικότητα τους σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλοντικών συνθηκών και στην παρακολούθηση της θερμοκρασίας σε μεγάλες αποστάσεις.
Στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν καταγράφει διάφορα είδη αισθητήρων οπτικής ίνας για παρακολούθηση θερμοκρασίας βασισμένοι στην σκέδαση Μπριγιουί (Brillouin scattering)[2],[3].[4], στην σκέδαση Ράμαν (Raman scattering)[5],[6], στους ανακλαστήρες οπτικής ίνας (Fiber Bragg Gratings)[7], στο ιντερφερόμετρο Φάμπρυ-Περότ (Fabry-Perot cavity)[8], στις ιδιότητες απορρόφησης και εκπομπής φωτός του αρσενίδιου του γαλλίου (light absorption/transmission properties of gallium arsenide GaAs)[9],[10] και στον χρόνο διάσπασης φθορισμού (fluorescence decay time)[11].
Οι αισθητήρες βασισμένοι στην σκέδαση Μπριγιουί και στην σκέδαση Ράμαν δύναται να μετρούν διαρκώς την θερμοκρασία σε μεγάλη απόσταση και σε κάθε σημείο ενός καλωδίου. Αυτή τους η ιδιότητα τους καθιστά κατάλληλούς για μεγάλη κλίμακα παρατήρησης και γραμμικό σώμα παρακολούθησης, όπως είναι η ανίχνευση φωτιάς σε μία σήραγγα, η κατανομή θερμοκρασίας σε γεωτρήσεις πετρελαίου και η ανίχνευση διαρροών σε φράγματα. Ένα βασικό μειονέκτημα των συγκεκριμένων τεχνολογιών αισθητήρων είναι το μεγάλο τους κόστος.
Στα καλώδια οπτικής ίνας της τεχνολογίας των ανακλαστήρων οπτικής ίνας μπορούν να ενσωματωθούν εκατοντάδες αισθητήρες θερμοκρασίας. Γι’ αυτό το λόγο η συγκεκριμένη τεχνολογία έχει καθοριστεί ως οιωνεί-κατανεμημένο σύστημα παρακολούθησης θερμοκρασίας και έχει διάφορες πρακτικές εφαρμογές[12], αλλά το κόστος είναι και σε αυτή την περίπτωση μεγάλο.
Οι αισθητήρες βασισμένοι στο ιντερφερόμετρο Φάμπρυ-Περότ, στις ιδιότητες απορρόφησης και εκπομπής φωτός του αρσενιδίου του γαλλίου και στον χρόνο διάσπασης φθορισμού ανήκουν στην κατηγόρια σημειακών αισθητήρων θερμοκρασίας. Η τεχνολογία των αισθητήρων οπτικής ίνας με βάση το αρσενίδιο του γαλλίου είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε εμπορικές εφαρμογές. Η διάταξη του συγκεκριμένου αισθητήρα περιλαμβάνει τον αισθητήρα θερμοκρασίας οπτικής ίνας και τέλος του καλωδίου είναι εγκατεστημένος ένας κρύσταλλος αρσενιδίου του γαλλίου. Όσο η θερμοκρασία του κρυστάλλου αυξάνεται, το φάσμα εκπομπής (το φως το οποίο δεν απορροφάται) μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Σε κάθε θερμοκρασία, η εκπομπή ανεβαίνει από το 0% στο 100% σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Αυτή η άνοδος ονομάζεται μετατόπιση απορρόφησης (absorption shift). Η συσχέτιση μεταξύ θερμοκρασίας και μήκους κύματος, στην οποία συμβαίνει η μετατόπισης απορρόφησης είναι αρκετά προβλέψιμη.
Ένας αισθητήρας θερμοκρασίας οπτικής ίνας αρσενιδίου του γαλλίου πρέπει να βρίσκεται σε επαφή με το υλικό της μέτρησης. Όσο πιο στενή είναι η επαφή, τόσο ταχύτερα ο κρύσταλλος ανταποκρίνεται στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Ένας μικρός κρύσταλλος αρσενιδίου του γαλλίου με έναν διηλεκτρικό καθρέφτη είναι τοποθετημένοι στην μία άκρη της ανοιχτής οπτικής ίνας. Το Πολυτετραφθοροαιθυλένιο – Τεφλόν (PTFE) χρησιμοποιείται για την επικάλυψη της διάταξης, διασφαλίζοντας τα στοιχεία του αισθητήρα καθώς διακρίνεται για την υψηλή θερμοκρασιακή του αντοχή. Στην απέναντι άκρη του αισθητήρα είναι εγκατεστημένος ένας σύνδεσμος St-τύπου, μέσω του οποίου το λευκό φως εισάγεται μέσα στον αισθητήρα. Το φως ταξιδεύει μέσα στην οπτική ίνα και ένα μέρος του απορροφάται από τον κρύσταλλο. Ο διηλεκτρικός καθρέφτης ανακλά το μη απορροφούμενο φως, το οποίο επιστρέφει πίσω στον αισθητήρα και διοχετεύεται σε ένα φασματοσκόπιο. Η θέση της μετατόπισης απορρόφησης αναλύεται και συσχετίζεται με την θερμοκρασία.
1. Dong, Y., Jiao, G., Lu, Y., & Lv, J. (2013, December 20). Low cost multi-channels Gallium Arsenide absorption-based fiber optic temperature sensing system. SPIE Proceedings. https://doi.org/10.1117/12.2037165
2. Zhang, X., Lu, Y., Wang, F., Liang, H., & Zhang, Y. (2010, December 4). Development of fully-distributed fiber sensors based on Brillouin scattering. Photonic Sensors, 1(1), 54–61. https://doi.org/10.1007/s13320-010-0019-7
3. Bao, X., Webb, D. J., & Jackson, D. A. (1993, September 15). 32-km distributed temperature sensor based on Brillouin loss in an optical fiber. Optics Letters, 18(18), 1561. https://doi.org/10.1364/ol.18.001561
4. Yuming, Dong & Zhang, X. & Lu, Yuangang & Liu, Y. & Wang, S.. (2007). Cross sensitivity of Brillouin scattering distributed fiber sensor. Guangxue Xuebao/Acta Optica Sinica. 27. 197-201.
5. Huai Hoo Kee, Lees, G., & Newson, T. (1999). 1.65 [micro sign]m Raman-based distributed temperature sensor. Electronics Letters, 35(21), 1869. https://doi.org/10.1049/el:19991245
6. Ukil, A., Braendle, H., & Krippner, P. (2012, May). Distributed Temperature Sensing: Review of Technology and Applications. IEEE Sensors Journal, 12(5), 885–892. https://doi.org/10.1109/jsen.2011.2162060
7. Jung, J., Nam, H., Lee, B., Byun, J. O., & Kim, N. S. (1999, May 1). Fiber Bragg grating temperature sensor with controllable sensitivity. Applied Optics, 38(13), 2752. https://doi.org/10.1364/ao.38.002752
8. Lee, C., & Taylor, H. (1991). Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherence light source. Journal of Lightwave Technology, 9(1), 129–134. https://doi.org/10.1109/50.64932
9. Zhao, J., Guan, R., & Zhao, H. (2000, October 5). GaAs optical fiber temperature sensor. Instruments for Optics and Optoelectronic Inspection and Control. https://doi.org/10.1117/12.401762
10. Christensen, D. A., & Vaguine, V. A. (1988, March 23). A Fiberoptic Temperature Sensor Using Wavelength-Dependent Detection. SPIE Proceedings. https://doi.org/10.1117/12.942515
11. Bosselmann, T., Reule, A., & Schroder, J. (1984, November 21). Fiber-Optic Temperature Sensor Using Fluorescence Decay Time. SPIE Proceedings. https://doi.org/10.1117/12.945072
12. Kim, G. H., Park, S. M., Park, C. H., Jang, H., Kim, C. S., & Lee, H. D. (2019, March 8). Real-time quasi-distributed fiber optic sensor based on resonance frequency mapping. Scientific Reports, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-40472-2