光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

與目前許多工程研究領域一樣,試圖複製動物世界的屬性,以便更好地理解或設計機械世界,包括開發測量“神經系統”。

光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

從結構內部對訊號的監測為傳統的感測技術提供了許多實際的優勢。然而,一旦感測器密封或系統部署,這一過程的好處,只有當測量系統是足夠強大,以忍受多年的惡劣環境。曾經嚴格意義上是科幻小說的領域,如今光纖感測技術使得這成為可能。

基於光纖布拉格光柵(FBG)的應變/振動和溫度光纖感測器為傳統的電感測器技術提供了重要的優勢。它們堅固耐用、無腐蝕,不受電氣環境的影響,並且允許在長距離上傳輸感測器訊號。利用這些特性,光纖感測器非常適合從採礦到可再生能源,再到航空航天等安全關鍵地區,並已在最困難的環境條件下證明了自己。

光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

光纖光柵型光纖感測器將溫度、應變和振動轉換為紅外耦合光的光譜選擇性反射。由於它們的細長尺寸,它們可以很容易地嵌入到現代複合材料中。此外,它們能夠在一根共同的光纖上覆用多種不同的感測器,節省了相當大的空間,同時也降低了傳統複雜測量網路的成本。

光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

在製造價值鏈早期部署感測的機會可能使裝置製造商更好地瞭解和理解他們的系統或裝置,並在測試和測量平臺的選擇方面有更大的發言權。儘早提供資料將使某些行業有機會在固化(複合材料)、建築或委託過程中進行監測,這可能會提供對材料和工藝效能的深入瞭解。

這一技術與材料科學,尤其是複合材料研究領域有著密切的關係。嵌入式光纖光柵感測器技術能夠提供關於材料內部殘餘應變和部件在使用過程中結構完整性的非常有用的資訊。飛機制造商正在考慮將結構健康監測(SHM)技術納入新一代飛機,這已不是什麼秘密。同時也適用於風力機葉片、油氣管道、船殼等研究和評價。

光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

隨著將感測網路擴充套件到我們的設計中的機會變得越來越普遍,就像它們模仿的中樞神經系統一樣,它們最終將與機器緊密相連。這意味著他們在宿主中生存幾個月或幾年的能力變得至關重要,而且不出所料,重點已經轉移到了這樣一個系統的壽命上。

由於自愈特性目前超出了這項技術的範圍,如果在無法訪問或遠端部署的結構中一旦出現生命封閉的問題,對這一過程的任何投資都將造成損失。效能衡量標準可能是:從機器或結構內部傳輸可靠的資料,在未來數年內以其設計引數的極限執行。因此,抽塔技術意味著可以生產出比傳統光纖光柵更高質量的塗層拉絲塔光纖布拉格光柵(DTG)。這種光纖光柵是用高GeO 2摻雜(光敏)二氧化矽光纖在光纖拉伸過程中使用一次鐳射拍攝的。由於摻雜濃度高,所合成的DTG纖維的彎曲損耗極低,對橫向效應也不太敏感。這提供了一些獨特的屬性,使它們成為此類嵌入式應用程式的首選產品。

光纖光柵感測器在“神經系統”中的應用

傳統的光纖布喇格型光纖感測器的製作方法通常從一種完全拉伸和塗覆的光纖開始,而光纖的塗層必須首先去除。這是一個人工過程,不能排除對纖維的損壞,或者降低其機械穩定性。此後,在預定的測量點,光纖暴露在紫外線鐳射下。這種曝光會在光纖上產生干涉圖案,從而導致週期性的高折射率和低折射率區域,充當波長選擇鏡。在這個過程之後,纖維在暴露的地方被重新加工。

為了避免光纖損壞,但仍能從自動化過程中受益,拉絲塔被用來將光纖的繪圖與光柵的寫入結合起來。這個過程的輸入是一個玻璃預製件,從下面拉出來形成纖維。在生產過程中,光纖穿過寫入光柵的鐳射光軸。使用脈衝選擇器,同時監測拉速,光纖光柵可以準確地定位在光纖中。當所述光柵被寫入時,所述纖維被塗上塗層庫,然後是塗層的固化步驟。最後,自動標記光纖光柵的位置,並將光纖卷繞到捲筒上。

與傳統的光纖光柵相比,由此產生的拉絲塔光柵提供了許多非常重要的優勢,最顯著的是:

與傳統光柵相比,機械強度極高,是傳統光柵的5倍以上。

拉拔塔光柵技術允許用大量感測器元件製作無拼接光柵鏈。

ORMOCER塗層材料允許它們在-180°C至+200°C之間的廣泛溫度範圍內使用。

這種塗層與玻璃纖維具有優異的附著力,這意味著它們可以直接應用於結構中,而不需要去除塗層。

塗層沿完全纖維長度均勻,即使在光纖光柵位置也是如此。

由於它們是採用自動化生產工藝製造的,因此獲得了很高的重複性和質量。

這種同時拉伸光纖和寫入光柵的過程產生了高強度的光柵鏈。在光柵銘文後直接塗上纖維塗層。因此,通常使用的標準FBG剝離和重編碼過程是不必要的,在DTG製造過程中保持原始纖維的完整性。

在光柵銘文點,纖維已經有它的最終直徑;它也是乾淨的,並且有一個沒有機械誤差的表面。隨後的聚合物塗層在很大程度上保護纖維免受外部衝擊,並且在應變感測器等應用中,使用了硬質奧米塗層(有機改性陶瓷)。因此,在光纖拉伸過程中刻上光纖光柵是一種非常有效的製造機械穩定性最高的光纖光柵感測器的方法。為了區別於傳統生產的光纖光柵,這些感測器被命名為DTG(提取塔光柵),並被FBG註冊商標。

無論是用於確定一個簡單的機械軸上的應變,深埋在複合材料內部,還是附著在最終將用於深海或深空的部件上,DTG增加了長期完整性,因此增加了對該特定測量過程的信心。與基本的FBG器件不同,DTG鏈/陣列可以在一根共同的光纖中為許多不同的感測器元件設計。由於這些是寫入纖維在製造過程中,因此每一種材料的塗層都是均勻的,即使安裝在結構的表面上也保持原始狀態。

如果光纖感測器要繼續在高科技應用中為自己開闢一個利基市場,在那裡感測元件是終身密封的,並且要成為機器不可分割的一部分,那麼只有DTG才能賦予真正適應和遺忘所需的信心。

嵌入式系統的供電並不是一個問題,因為遠端供電的供應或能源收集技術已經很成熟了。光纖感測器本身根據應用情況使用各種詢問裝置進行監控,單通道或多通道測量在靜態或動態條件下都是可能的。在一些詢問器單元中,提供了嵌入式PC,使處理裝置上的訊號成為可能。透過所提供的軟體(Illumisense Pro/Wave),可以實現進一步的資料採集和分析。