在過去60年中,光纖感測(fiber optic sensing,FOS)經常被眾多的產業用來增強和測試建築、車輛、醫療設備等的完整性、效率、安全性和耐用性;而過去5年來光纖感測技術的發展,使得它能夠實現航空、能源甚至醫療等應用領域空前水準的資料和檢測密度。這將有助於工程師解決他們目前面臨的問題,並透過創新來改善他們的設計。今日的光纖技術有著大量的實用意義,其未來應用的可能性也非常廣泛。

本文將討論本質型(intrinsic;或譯為內埋式)光纖感測技術的最新進展,包括3D形狀檢測和光頻域反射儀(optical frequency domain reflectometry,OFDR);另外還將探討今日的工程師們能如何妥善利用這些技術,並展望其未來發展。

光感測技術發展簡史

第一款光纖感測器是在1960年代取得專利,以自由空間光學技術(free space optics,FSO)為基礎;大約10年後,研究人員開發出了首款本質型光纖感測器;這種新技術可以提供比自由空間感測器更顯著的工程效益,用來取得可靠的機械測量結果。光纖的使用允許訊號在可部署的介質中傳送,而自由空間光學技術仰賴視距傳輸,無法部署於運作中結構或車輛中。

於1980年代正式商用化的光纖陀螺儀是光纖感測器的最早應用之一,現在已經成為穩定系統和導航系統中的關鍵元件。1990年代初,土木建築產業開始在多種應用中實現各種類型的光纖感測器,用於測量溫度、張力、壓力等參數。

工程師們還展開了以光纖光柵(fiber bragg grating,FBG)為基礎的感測器試驗;與現有的光纖感測技術相較,FBG感測器憑藉其多工和準分散式(quasi-distributed)功能而具備獨特優勢;到2000年,土木建築產業就已經出現許多常見應用,包括監視歷史性建築中關鍵零件的變形、監視橋樑中關鍵點的張力,以及觀察混凝土固化時的狀態等;這些應用中大多數使用各種干涉感測器(interferometric sensor),其中大部分不能多工。

FBG感測器在很大程度上替代了土木建築、石油和天然氣以及航空應用中的這些技術。舉例來說,FBG感測器就經常在石油和天然氣領域中用來監視關鍵鑽井工具上的壓力和其它參數。同樣地,航空業也一直在將FBG感測器用於建築物結構健全性監測、負載測試和疲勞測試。

21世紀初,另外一種光纖感測技術—分散式感測(distributed sensing)出現了,並在石油和天然氣產業展現非常大的潛力;這些技術主要是沿著整條光纖取得溫度量測數據,以協助改善各種鑽井工程,包括洩漏檢測、注入過程監視以及流量圖繪製。雖然它們提供分散式量測,但這些技術的更新率很緩慢(每次數據擷取間隔至少數秒),空間解析度則在公尺等級。

光纖感測技術的最新進展

光纖感測器分成本質型和非本質型(extrinsic;或譯為外部)兩大類;非本質型感測器使用光纖將光線導入一個感測區域,光訊號在這個區域離開波導,並在另一種介質中被調變;而對本質型感測器來說,光一直保持在波導內,因此它量測的是光沿著光纖傳播時的光訊號效應。

本質型光纖感測器技術,也就是光纖本身就是感測器,在近年來取得大幅進展;本質型感測器有兩種不同的技術:散射(scattering)或FBG。散射技術可以沿著光纖提供完全分散式的資料點(data points),而FBG技術可以建置少量感測點,或是完全分散式的。

透過在整條光纖上配置FBG,工程師們可以分析光線反射方式的變化,並透過解讀這些資訊提供精確的量測結果;散射技術完全不使用FBG,而是利用光纖內自然發生的隨機不完美訊號獲得讀數。由於FBG通常都被製作成精良的感測器,因此它們具有比散射技術高得多的訊噪比(SNR)。

張力計、熱電耦和液位感測器只注意一些關鍵點,而分散式光纖感測器卻可以提供關鍵點之間的更多資訊,因此可以讓工程師取得對整個張力域、溫度分佈和其他參數的精確量測結果。散射和FBG使用不同的解調技術。

散射技術透過觀察自然產生的拉曼(Raman)、布里淵(Brillouin)或瑞利(Rayleigh)後向散射訊號取得有用的資料。FBG技術最常用的解調技術是波長分波多工(WDM);然而在一些特定情況下,光頻域反射儀具有比WDM更高的優勢。

WDM可以覆蓋很長的距離並快速取得資料,而且該技術支援在一條光纖上配置多個光柵;不過每增加一個光柵都會顯著降低資料更新率。WDM測量的典型參數包括張力和溫度,在某些情況下它也可以連接單個加速度計或壓力感測器;此外WDM只允許使用者監視關鍵點,而非整個資訊域。基於這個理由,要求非常高的擷取速度以及只有少量資料點的應用,例如在汽車碰撞測試中監測零組件,就非常適合使用WDM技術。

拉曼、布里淵或瑞利散射技術可以覆蓋數公里的距離,並提供分散式資訊;與WDM不同,散射技術是完全分散式的,這意味著它們可以取得整條光纖上的資料,而不只有幾個關鍵點。雖然瑞利散射可以取得張力資料,但市場上的許多系統只能測量溫度或聲學訊號,這些系統被稱為分散式溫度感測(DTS)或分散式聲學感測(DAS)系統。

對於那些必須覆蓋數公里範圍,但不要求高精確度與高更新率的應用,散射技術是理想之選;舉例來說,針對一條管道的防破壞監測只要求公尺等級的空間解析度,而且不要求很高的資料擷取速度。

OFDR是經常與FBG感測器一起使用的、一種不同的解調技術,光柵被放置在兩端,可實現完全分散式的感測光纖;OFDR的空間解析度比散射技術高得多,光柵數量也比WDM多得多。OFDR具有的一種獨特優勢,是即使增加感測器數量也能保持很高的資料更新率。

高空間解析度、快速更新率、很多的感測器數量以及完全分散式特性,使得OFDR已經成為目前市場上最精密的感測技術之一;不同於散射技術和WDM技術,OFDR的一些應用可以將多種技術整合成單一的強大平台。

除了感測張力和溫度外,OFDR技術還能判斷2D偏斜、3D形狀、液位、壓力、運作負荷和磁場。由於平台的多用途,工程師可以用一個系統解決多個問題,從而使得這個產業更具效率和效益。

OFDR的實際使用案例

航太應力和張力是判斷航空器壽命和操作安全的主要參數,航空公司和航太機構一直在努力尋找更安全的設備和製程;然而,現有技術使得監測並維持飛機和航空器結構安全的難度和成本都很高。另外,現有技術不能明確地指出一架飛機或航空器何時壽命終止。

藉由在一根細如髮絲的光纖中內含數以千計的感測器,光纖感測器解決方案可以提供詳細的航空器健全度資訊(圖1);例如透過在航太領域使用光纖感測器,工程師可以:

· 將航空器的故障時間、精確調校維修保養時程最小化。 · 透過本質安全的燃油量測量改善油耗。 · 監視機翼和其他易變形零件的形狀。 · 判斷航空器何時達到壽命終點。 · 理解複雜的機身對對飛行條件的反應。 · 在飛行過程中對控制系統提供回饋資料。

透過使用光纖感測器技術,工程師可以藉由連續監測張力、溫度、應力、負載、機體外部偏斜和3D形狀,來測試、監測和分析材料結構的完整性,並擷取航空器零件的位置回饋資料。工程師可以利用這些資料提升航空器的安全性、延長使用壽命、減少維修時間並強化飛行效率—這些都將帶來成本的下降。

航空
圖1 維護飛機和航空器的結構安全是光纖感測器的實際使用案例;在細如髮絲的光纖中包含數千個感測器。



醫療

光學形狀感測器的小直徑和化學惰性,使得其成為醫療應用的理想選擇;這些特性允許光纖感測器與現有的微創技術結合;利用光纖感測器技術,外科醫生可以取得有關整個儀器長度的位置資訊,不需使用X光或超音波。

3D資料可以即時列印出來,並顯示在監視器上用以展示儀器的位置;這種影像還可以與人體內已知的位置座標進行比較,幫助內科醫生將內視鏡尖端發送的參考視訊與儀器其餘部分如何放置、位於何處等資訊結合。這種經改善的位置感知有助於儀器即時導引,最大限度地減少注射到病人體內的異物,並遠離輻射。

在醫療產業內使用光纖感測器的優勢包括:

· 改善MRI系統中的成像技術。 · 輔助血管手術以及檢測,以判斷血管堵塞的嚴重性。 · 在微創手術和探測過程中判斷目標物形狀。 · 實現更高解析度的儀器追蹤,同時儘量降低與傳統成像方法相關的複雜性。 · 儘量減少將異物注入人體。

能源

光纖感測器也是海底立管(subsea riser)監視應用的理想選擇,因為它能提前收集即時的張力、扭矩和形狀資訊。海底立管設計可以承受工程師曾見過的某些最複雜負荷和惡劣環境;立管的動態特性、它的零組件及其環境,使得它容易受到結構性應力、疲勞應力、材料磨損、機械性能劣化、衝擊和環境引起的負荷。由於這些和其他因素,能測量立管對負荷的結構性反應的感測器和儀器之性能就顯得非常重要。

透過在各種能源應用中使用光纖感測器,可以:

· 最大限度地提高立管和鑽井平台的完整性。 · 根據偏移和旋轉資訊,向風力發電機葉片提供控制系統回饋。 · 監視風力發電機葉片的結構完整性。 · 感測核電場零組件結構性的健全度和校準資訊。

光纖感測器的未來

光纖感測器的價格及尺寸,是光纖感測技術普及化目前面臨的兩大障礙;一旦這些問題得到解決,我們就可望看到該技術在新的產業領域中的更多應用案例。

以時尚產業為例,未來人們可以將感測器插入服裝的某塊縫合處,提供有關個人體形、身高、體重分佈等各種資料,再用這些資料來為穿戴者設計專門的服裝;這將徹底顛覆時尚產業,從根本改變服裝設計生產的方法。想像一下在網路購物,但衣服送到你手中時已經能完美切合你的身材,簡直太酷了!

讓我們再看看汽車產業;透過在整個汽車結構中插入光纖感測器,我們可以接收到有關汽車如何回應週邊環境變化的即時回饋,或監測某個汽車零件何時需要更換。這些工作都可以即時完成,並在緊急情況可能發生之前提醒汽車乘客。

在建築領域,光纖可以放進建築物或道路中,用於監測和判斷建築材料在長時間使用過程中受環境影響的程度,並在問題發生之前及早檢測。

總結

本質性光纖感測技術在空間解析度、更新率和檢測長度方面的優勢,已經協助提升了許多產業的問題解決能力;光纖感測器收集的資料不僅有助於工程師解決當前的問題,還有助於未來的創新。隨著這類技術不斷演進,諸如航太、能源和醫療等領域的設計和應用也會越來越先進。

當工程師們透過創新不斷地發掘技術的潛力,感測系統還能夠解決尚未發生的問題;光纖感測器具有很大的靈活性,足以實現一種平台,能被整合到做為關鍵系統零組件的設計中,以實現必要的即時監測功能,或單獨作為先進的測試套件。