Đóng gói hàng trăm bộ cảm biến trong một sợi quang đơn lẻ để sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt

Công nghệ này dự kiến ​​sẽ đưa đến các ứng dụng cảm biến công nghiệp trong các môi trường khắc nghiệt, từ các lõi khoan địa nhiệt sâu đến các khu vực bên trong các lò phản ứng hạt nhân đến môi trường chân không lạnh giá của các tàu không gian và cuối cùng có thể được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh thành công cảm biến lưu lượng/nhiệt độ đồng thời ở nhiệt độ 850 ^oC, cao hơn 200 ^oC so với một trình diễn cảm biến MEMS của các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge trước đó.

Khái niệm cơ bản của phương pháp tiếp cận mới liên quan đến việc tích hợp các phần tử đốt nóng quang học, cảm biến quang, một cáp phân phối năng lượng và một cáp tín hiệu trong một sợi quang đơn lẻ. Điện quang được tải bằng sợi quang này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho phần tử đốt nóng, trong khi cảm biến quang trong sợi quang đó đo nhiệt truyền từ phần tử đốt nóng và truyền nó trở lại.

“Chúng tôi gọi nó là một “bộ cảm biến sợi quang thông minh được cấp năng lượng bởi ánh sáng ngay trong sợi quang”, Phó Giáo sư Kevin P. Chen tại Khoa Kỹ thuật máy tính và điện, Đại học Pittsburg, cho biết.

Công trình của nhóm nghiên cứu mở rộng việc sử dụng các bộ cảm biến sợi quang vượt ra ngoài các ứng dụng truyền thống là các phép đo sức căng và nhiệt độ. “Khai thác năng lượng được vận chuyển bằng sợi quang cho phép các bộ cảm biến sợi quang có khả năng thực hiện các phép đo phức tạp và đa chức năng hơn mà trước đây chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng các bộ cảm biến điện tử”, Chen nói.

Trong tình trạng không trọng lực, ví dụ, rất khó để đo lường mức độ của nhiên liệu hydro lỏng trong bể chứa vì nó không nằm ở đáy bể chứa. Đó là một thách thức đòi hỏi việc sử dụng nhiều cảm biến điện tử.

“Đối với tình trạng không trọng lực, mỗi cảm biến cần các dây dẫn, hay còn gọi là 'dây dẫn chính', để cung cấp một tín hiệu cảm biến, cùng với một dây nối đất được dùng chung”, Chen giải thích. “Vì vậy, có nghĩa là nhiều dây dẫn chính - nhiều hơn 40 dây - là cần thiết để có được các số đo từ nhiều cảm biến. Tôi nghĩ phải có một cách nào đó tốt hơn để làm điều đó”.

Và đúng là có một phương pháp như vậy. Nhóm nghiên cứu quay sang cảm biến sợi quang, một trong những công nghệ cảm biến tốt nhất để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt nhờ khả năng ghép kênh phi thường của chúng và khả năng không bị nhiễu điện từ. Và nhóm nghiên cứu có thể đóng gói nhiều cảm biến này vào trong một sợi quang duy nhất để giảm hoặc loại bỏ những vấn đề liên quan đến có nhiều dây dẫn chính.

“Một thách thức lớn khác, chúng tôi giải quyết là làm thế nào đo hoạt động trong sợi quang”, Chen nói. “Nếu bạn nghiên cứu sợi quang, đó là một cáp để truyền tín hiệu nhưng cũng là một cáp có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng - các sợi quang tương tự có thể cung cấp cả tín hiệu và năng lượn quang để đo hoạt động. Nó cải thiện đáng kệ độ nhạy, chức năng và sự nhanh nhẹn của cảm biến sợi quang mà không ảnh hưởng những lợi thế nội tại của cảm biến sợi quang. Đó là bản chất của công trình của chúng tôi”.

Dựa trên một công nghệ tương tự, các cảm biến hóa học có độ nhạy cao cũng có thể được phát triển trong môi trường đông lạnh. “Năng lượng quang trong sợi quang có thể được khai thác để làm nóng cục bộ các cảm biến hóa học trong sợi quang để tăng độ nhạy cảm của nó”, Chen nói. “Năng lượng quang trong sợi quang cũng có thể được chuyển đổi thành năng lượng siêu âm, sóng cực ngắn hoặc các ứng dụng thú vị khác bởi vì hàng chục hoặc hàng trăm cảm biến thông minh có thể được tích hợp trong một sợi quang đơn lẻ. Nó chỉ đòi hỏi đặt một sợi quang trong dòng lưu lượng khí - thậm chí tại các điểm bị nhiều từ mạnh”.