Światłowodowe sensory FBG. Od projektu do prototypu

Naukowcy z Politechniki Lubelskiej oraz pracownicy zespołu badawczego firmy EMBIQ wykorzystują włókna światłowodowe, aby tworzyć z nich czujniki zdolne do mierzenia wielu różnorodnych parametrów. Tak powstają sensory przeznaczone m.in. do wykorzystania w infrastrukturze drogowej, przemyśle spożywczym i logistyce.

 

Technologie światłowodowe zrewolucjonizowały wiele aspektów naszego życia. Dzięki tym cienkim, szklanym włóknom możemy przesyłać bardzo duże ilości danych na znaczne odległości. Światłowody są przy tym odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i na wiele bodźców fizycznych. Dlatego są tak często wykorzystywane w telekomunikacji.

- Wyjątkowe właściwości światłowodów sprawiają, że możemy z nich tworzyć także specjalistyczne sensory. Wypalając na nich tzw. siatki Bragga, sprawiamy, że włókna te zaczynają odbijać światło o wybranej długości fali, a pozostałe przepuszczają. Na tym opiera się zasada działania sensorów FBG - wyjaśnia Tomasz Niedziałek, CEO firmy EMBIQ.

Wytrzymałe, niewielkie, praktyczne

Czujniki te mogą mierzyć m.in. załamanie światła, poziom cieczy, zasolenie, stężenie cukru i innych roztworów. Ich właściwości można też wykorzystywać do pomiaru oddziaływań fizycznych, np. naprężenia, a na tej podstawie również do określania oddziałującej siły i masy.

Co także ważne, siatka Bragga zajmuje ok. 1 cm długości światłowodu. Czujniki oparte na wykorzystaniu takich włókien mogą być zatem niewielkie. - Sensory FBG są też odporne na niskie temperatury i mechaniczne uszkodzenia. Mogą działać w środowisku wodnym, z agresywnymi zanieczyszczeniami oraz w wielu innych, także nieprzyjaznych miejscach. Dzięki nim jesteśmy więc w stanie monitorować warunki panujące w każdym zakładzie produkcyjnym oraz w czasie transportu gotowych produktów lub surowców. Czujniki, nad którymi pracujemy, będą też działały bezprzewodowo. Sprawdzą się więc nawet w transporcie morskim - mówi Tomasz Niedziałek.

Rozwiązanie to wyeliminuje ryzyko związane np. z psuciem się produktów spożywczych eksportowanych na odległe rynki. W tej chwili problem ten dotyczy wielu producentów zdanych na usługi firm logistycznych. - Potencjał rozwiązań opartych o wykorzystanie sensorów FBG nie wynika zatem tylko z ich technologicznych właściwości, ale z konkretnego zapotrzebowania rynku. Prowadzimy wstępne rozmowy o wdrożeniu takich rozwiązań z firmami działającymi w różnych obszarach i cały czas nasłuchujemy sygnałów od kolejnych inwestorów - dodaje Tomasz Niedziałek.

Od projektu do gotowego czujnika

Wytwarzanie sensorów z światłowodową siatką Bragga nie jest jednak łatwe. Wymaga specjalistycznej wiedzy, umiejętności i wysokiej klasy sprzętu. Urządzenia zdolne do wypalania na światłowodach tak mikroskopijnych wzorów nie są łatwo dostępne. Posiada je jednak Politechnika Lubelska i to właśnie w jej laboratoriach powstają prototypowe sensory firmy EMBIQ.

- Cały proces zaczynamy od modelowania struktur światłowodowych. Gdy już znamy ich właściwości, wytwarzamy je w laserowni. Następnie wykonujemy pomiary gotowych struktur, aby upewnić się, czy ich parametry są zgodnie z założeniami - tłumaczy prof. Piotr Kisała z Politechniki Lubelskiej, jeden z naukowców zaangażowanych w projekt firmy EMBIQ.

Uwagę przyciąga zwłaszcza etap wykonywany w laserowni - specjalnie zabezpieczonym pomieszczeniu znajdującym się w Laboratorium Optoelektroniki i Techniki Laserowej Politechniki Lubelskiej. Znajdują się tutaj wysokiej klasy lasery służące właśnie do wypalania siatek Bragga. Proces ten odbywa się z niemalże niewyobrażalna precyzją - odstępy pomiędzy liniami siatki mierzone są bowiem w nanometrach. Uzyskanie właściwego wzoru umożliwiają tzw. maski fazowe, które odpowiednio rozpraszają wiązkę lasera padającą na światłowód.

- Stoły, na których ustawione są lasery wypalające siatkę na światłowodzie, to również najwyższej klasy wyposażenie. Ważą setki kilogramów, ale unoszą się na poduszce powietrznej, która niweluje najmniejsze nawet drgania, wytwarzane np. przez przechodzące obok osoby. Dzięki temu wypalane siatki mogą być tak precyzyjne - wyjaśnia prof. Piotr Kisała.

Internet Rzeczy w przemyśle

Sensory FBG to tylko jeden z rodzajów czujników, jakie firma EMBIQ będzie stosować w swoim projekcie. Platforma sensoryczna, którą buduje, to rozwiązanie z obszaru zwanego Internetem Rzeczy. Będzie ona bazą do tworzenia inteligentnych systemów kontroli warunków - w przemyśle spożywczym, logistyce, rolnictwie.