XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Аннотация

В статье рассматриваются волоконно-оптические датчики температуры. Авторами поясняется принцип действия волоконно-оптических датчиков. Рассматриваются преимущества, которыми обладают датчики температуры. Статья посвящена применению датчиков в различных сферах, а также обзору основных параметров оптоволоконных датчиков температур разных производителей.

Ключевые слова

волоконно-оптические датчики; лазерная хирургия; лазерная гипертермия; эндоскопический

Введение

Оптические волокна используются для оценки явлений внешней среды двумя различными способами. Иногда исполЬ3уются внешние чувствительные элементы, а иногда само оптоволокно выступает в качестве чувствительного элемента. Принципы этих способов показаны на рис. 2.1. В первом случае оптоволокна используются исключительно в качестве носителей информации, входящей в черный ящик и выходящей из него в виде луча света, который затем передается на удаленный приемник по-другому, а в некоторых случаях по тому же самому, что и входящий сигнал, оптоволокну. Черный ящик может содержать зеркала, жидкостные или газовые ячейки, консольные механизмы, а также множество других устройств, способных генерировать, модулировать или преобразовывать световой поток. Во втором типе волоконно-оптических датчиков воздействия внешней среды осуществляют модуляцию проходящего через оптоволокно светового потока и используют непосредственно свойства самого оптоволокна. Этот второй класс может быть далее разделен на подклассы в зависимости от способа модуляции светового потока по интенсивности, фазе или поляризации.

Оптическое волокно

представляет собой гибкое, прозрачное волокно, изготовленное с помощью чертежа стекла (диоксид кремния) или пластика с диаметром немного толще, чем у человеческого волоса. Оптические волокна чаще всего используются в качестве средства для передачи света между двумя концами волокна и находят широкое применение в волоконно-оптической связи, где они допускают передачу на большие расстояния, и при более высоких полосах частот (скорости передачи данных), чем электрические кабели. Волокна используются вместо металлических проводов, так как сигналы проходят вдоль них с меньшим количеством потерь; кроме того, волокно, обладает иммунитетом к электромагнитным помехам, проблема, из которых металлических провода страдают чрезмерно. Волокна также используются для освещения и визуализации, и часто завернутые в пучках, таким образом они могут быть использованы для осуществления света в, или изображениях из ограниченного пространства, как и в случае фиброскопа. Специально разработанные волокна также используются для различных других применений, некоторые из них являются волоконной - оптических датчиков и волоконных лазеров.

Оптические волокна, как правило, включают в себя сердцевину, окруженную прозрачной оболочки материала с более низким коэффициентом преломления. Свет хранится в ядре явления полного внутреннего отражения, которое вызывает волокна, чтобы действовать в качестве волновода. Волокна, которые поддерживают множество путей распространения или поперечные моды называются многорежимными волокна, в то время как те, которые поддерживают один режим называется одноподовыми волокнами (SMF). Мульти режимные волокна, как правило, имеют более широкий диаметр сердцевины и используются для связи на короткие расстояния связи и для применений, где должна быть передана высокой мощность. Одноподовые волокна используются для большинства линий связи длиной более 1000 метров (3300 футов).

Будучи в состоянии присоединиться оптических волокон с низкими потерями играет важную роль в волоконной - оптической связи. Это является более сложным, чем присоединения электрического провода или кабеля, и включает в себя тщательное расщепление волокон, точное выравнивание сердцевин волокон, и связывание этих выровненных ядер. Для приложений, которые требуют постоянного подключения к слитому сплайсинг является общим. В этой технике, электрическая дуга используется для расплава концов волокон вместе. Другой распространенный метод является механическим спайсом, где концы волокон удерживаются в контакте с помощью механической силы. Временные или полупостоянные соединения выполнены с помощью специализированных разъемов волоконной - оптических.

Область прикладной науки и техники связанно с проектированием и применением оптических волокон, известна как волоконная оптика. Этот термин был придуман индийский физик Нариндер Сингх Капани, который широко признан как отец волоконной оптики.

Стюарт Уиллс

Эластомер, используемый в качестве основы для волоконно-оптического датчика температуры команды Цинхуа, достаточно гибок, чтобы его можно было связать в узлы. [Изображение: предоставлено Дж. Го]

Исследователи из китайского университета Цинхуа продемонстрировали гибкое, растягиваемое оптическое волокно, которое использует световые сигналы от встроенных нано частиц с повышением частоты для работы в качестве биосовместимого датчика температуры Команда считает, что волокно может предложить интересную платформу для разработки носимых датчиков температуры в режиме реального времени для личной гигиены, а также для применения в робототехнике.

Необходимость согнуть

Чтобы быть практичными, носимые датчики должны быть достаточно гибкими, чтобы изгибаться и растягиваться при поворотах своих людей. Разработка таких гибких материалов для носимых датчиков температуры уже достигла значительных успехов в электронной области: исследовательские группы изучают различные механически гибкие нано материалы, такие как углеродные нано трубки и полимерные композиты.

Но исследователи из Университета Цинхуа отмечают, что такие материалы, как правило, содержат металлические компоненты, которые снижают их биосовместимость, и чья эффективность в реальном мире может быть нарушена электромагнитными помехами. Оптическое волокно предлагает возможную альтернативу, которая может преодолеть некоторые из этих проблем. Все же обычные волокна, сделанные из кварца или стекла, не соответствуют требованию гибкости.

Эластомерное волокно

Команда Цинхуа, возглавляемая научным сотрудником Цзин Го и членом OSA Линджи Конго, хотела посмотреть, сможет ли она разработать чувствительное к температуре волокно, способное удовлетворить механические требования носимых технологий. Для этого они основаны на недавно опубликованной работе Го и его коллег в лаборатории члена OSA и соавтора Чонси Ян.

В этой работе группа использовала сильно растяжимый полидиметилсилоксан силиконового эластомера (PDMS) для изготовления оптического волокна, которое могло бы противостоять деформациям порядка 100%. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что это гибкое волокно может служить датчиком деформации или движения, благодаря показаниям изменения в спектре ослабления белого света, проходящего через волокно.

Термометры UCNP

Чтобы превратить это волокно в датчик температуры, команда отправилась в химическую лабораторию. Они начали с синтеза нано частиц с конверсией ядра и оболочки (UCNP), которые могли бы служить крошечными термометрами, встроенными в сердцевину из эластомерного волокна.

UCNP - это нано частицы, которые в процессе антистоксовой эмиссии поглощают два или более фотона с низкой энергией и пере излучают один фотон с более высокой энергией (более короткая длина волны). Оказывается, что для UCNP, состоящих из ядра NaYF 4: Yb, Er, излучение очень чувствительно к температурным сдвигам (возможно, из-за тепловой связи нескольких ключевых энергетических состояний эрбия).

Команда подготовила партию этих нано частиц NaYF 4: Yb, Er, покрытых тонкой оболочкой из NaYF 4, чтобы защитить ядро ​​частицы от без излучательного распада и максимизировать выходное преобразование с повышением частоты. Затем они использовали UCNP для легирования предшественника полимера PDMS с высоким показателем преломления, отлили легированную PDMS в сердцевину из волокна и покрыли ядро ​​оболочкой из PDMS с низким показателем преломления для удержания света в ядре.

Чувствителен к сдвигам 0,3 ° C

В одном из испытаний команды исследователи прикрепили легированное волокном UCNP к руке добровольца и измерили изменения температуры во время трехминутного упражнения с гантелями. [Изображение: предоставлено Дж. Го]

Исследователи проверили волокно, подсоединив ближний инфракрасный (NIR) лазер с длиной волны 980 нм к одному концу волокна, чтобы возбудить встроенные UCNP, и используя спектрометр на другом конце для измерения спектральных изменений при различных температурах. Они обнаружили, что датчики могут точно определять изменения температуры, начиная с 0,3 ° C, в диапазоне температур 25–70 ° C. Особое отношение к носимым предметам, команда отметила, что показания температуры оставались устойчивыми при нагрузках до 80%. Исследователи даже продемонстрировали работу волоконного датчика при измерении температуры кожи, рта и носа.

Исследователи признают несколько возможных препятствий на пути к реальной носимой системе. В частности, текущая установка требует использования портативного спектрометра для считывания результатов, который, как пишет команда, «может быть довольно громоздким для практического применения». Исследователи предполагают, что этот недостаток можно преодолеть с помощью систем, объединяющих узкополосные оптические фильтры и более миниатюрные фотодиоды для обнаружения.

Команда приходит к выводу, что его волокна, легированные UCNP, предлагают «многообещающую оптическую стратегию для проектирования устройств мониторинга следующего поколения» с потенциальным использованием в персонализированном здравоохранении, человеко-машинных интерфейсах и робототехнике.

Обсуждение

За последнее десятилетие пройден значительный путь в направлении осмысления и осуществления практических реализаций волоконно-оптических датчиков. Многочисленные свойства волоконных световодов были изучены, описаны и использованы для создания реальных датчиков, которые в качестве чувствительных элементов используют оптические волокна. Чтобы усилить и оптимизировать свойства волоконных световодов, связанные с применением их в качестве чувствительных элементов, были разработаны новые типы волокон. При современных перспективах разнообразия применений волокон в приборах можно ожидать, что развитие технологий повлечет за собой организацию поточного производства и волокна, разработанные специально для использования в датчиках, станут абсолютно доступными

Список литературы

Волоконнооптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников https://www.elec.ru/files/2019/10/11/Udd_E_-_Volokonno-opticheskie_datchiki_Seria_Mir.PDF(дата обращения: 24.07.2020).

https://cyberleninka.ru/article/n/volokonno-opticheskie-datchiki-temperatury-i-davleniya-v-biomeditsine

https://ru.qwe.wiki/wiki/Optical_fiber

Статья https://www.osa-opn.org/home/news/

Код для цитирования: Скопировать