Zināšanas

Optiskās šķiedras sensors parastu optisko šķiedru pārvērš par garu, nepārtrauktu sensoru. Tā vietā, lai pārsūtītu tikai datus, šķiedra nes gaismu, kuras īpašības mainās, kad uz kabeli iedarbojas temperatūra, deformācija, spiediens vai vibrācija. Izlasot šīs izmaiņas, uztveršanas sistēma var ziņot par notiekošo - un parasti precīzikurtas notiek - attālumos no dažiem metriem līdz desmitiem kilometru. Šajā rokasgrāmatā soli pa solim ir aprakstīts, kā tehnoloģija darbojas, trīs galvenie veidi un to atšķirības, kur katrs no tiem ir piemērots, un ierobežojumi, ko vērts plānot.

Kas ir optiskās šķiedras sensora tehnoloģija?

Optiskās šķiedras sensors ir mērīšanas metode, kas izmanto pašu optisko šķiedru kā sensoru. Gaismas avots palaiž gaismu šķiedrā; gaismai virzoties, ārējie apstākļi nedaudz maina tās intensitāti, viļņa garumu, fāzi, polarizāciju vai veidu, kā tā izkliedējas stikla iekšpusē. Instruments šķiedras galā nolasa šīs izmaiņas un pārvērš tos fiziskos mērījumos, piemēram, temperatūrā, deformācijā vai vibrācijā.

Tā kā sensora punkts ir izgatavots no stikla un nenes elektrisko strāvu, optiskās šķiedras sensors ir imūns pret elektromagnētiskiem traucējumiem un ir droši lietojams sprādzienbīstamos vai ķīmiski agresīvos apstākļos -, kas ir svarīgas cauruļvados, energosistēmās, tuneļos un tiltos, kur elektriskie sensori cīnās. Viena un tā pati šķiedra var kalpot gan kā sensors, gan signāla ceļš, kas padara lauka aparatūru vienkāršu. Šķiedra parasti ir standartaviena -moda optiskā šķiedradeformācijas, akustiskās un Brillouin sistēmām, savukārt tikai temperatūras{0}}Raman sistēmas bieži darbojas ar daudzmodu šķiedru.

Kā darbojas optiskās šķiedras sensoru tehnoloģija?

Katra optiskās šķiedras sensora sistēma seko vienai un tai pašai ķēdei: sūta gaismu, ļauj videi to pārveidot, nolasa gaismu, kas atgriežas, un pārvērš izmaiņas mērījumā. Lūk, kas notiek katrā posmā.

1. Gaisma ceļo pa šķiedru

Lāzers vai platjoslas avots iedarbina gaismu - parasti īsu impulsu sēriju - šķiedras kodolā, kur kopējais iekšējais atstarojums notur gaismu visā kabeļa garumā. Sensoru sistēmā šī gaisma ir zonde: viss, kas to ietekmē, kļūst par informāciju.

2. Vide maina gaismu

Kad temperatūra, deformācija, spiediens vai vibrācija iedarbojas uz šķiedras daļu, tas nedaudz maina stikla - garumu, laušanas koeficientu vai iekšējo struktūru atstatumu. Šīs mazās fiziskās izmaiņas maina vienu vai vairākas gaismas īpašības: tās viļņa garumu, intensitāti, fāzi, polarizāciju vai tās daļas spektru, kas izkliedē atpakaļ. Nobīdes lielums ir proporcionāls ārējā efekta stiprumam, kas padara iespējamu kalibrētu mērījumu.

3. Gaisma atspīd vai izkliedē atpakaļ

Daļa gaismas atgriežas avota virzienā. Dažos sensoros to atspoguļo apzināta struktūra, kas ierakstīta šķiedrā, piemēram, šķiedras Bragg režģis. Sadalītās sistēmās pats stikls izkliedē vāju gaismas straumi atpakaļ pa visu šķiedru bez pievienotām sastāvdaļām. Jebkurā gadījumā atgriezeniskā gaisma nes pirkstu nospiedumus no tā, kas iedarbojās uz šķiedras.

4. Pratītājs nolasa un atrod signālu

Instruments, ko sauc par jautātāju (vai demodulatoru), mēra atgriezušos gaismu. Sadalītām sistēmām tiek noteikts arī laiks, cik ilgs laiks nepieciešams, lai gaisma atgrieztos - tāda pati ideja kā optiskā laika{2}}domēna reflektometram (OTDR). Tā kā gaismas ātrums šķiedrā ir zināms, -atpakaļceļa laiks precīzi nosaka katras izmaiņas atrašanās vietu pa kabeli. Pēc tam jautātājs pārvērš optiskās izmaiņas kalibrētā temperatūras, deformācijas vai vibrācijas rādījumā, pievienojot pozīciju.

Gaisma ieplūst, vide atstāj savas pēdas uz šo gaismu, gaisma atgriežas, un jautātājs pārvērš izmaiņas - un vietu, kur tās notika - par mērījumu.

Galvenie optisko šķiedru sensoru tehnoloģiju veidi

Optisko šķiedru sensori parasti tiek grupēti trīs saimēs, pamatojoties uz to, cik punktu gar šķiedru var izmērīt un kā notiek uztveršana.

Punktu optiskās šķiedras sensors

Punkta sensors mēra vienu vietu. Īpašs sensora elements reaģē uz vienu parametru - temperatūru, spiedienu vai paātrinājumu, piemēram, -, un dizains ir vienkāršs un salīdzinoši zemas izmaksas.

Visizplatītākais piemērs irŠķiedru Bragg režģis (FBG). Režģis ir periodiskas šķiedras kodola refrakcijas indeksa izmaiņas, ko rada, pakļaujot serdi intensīvai ultravioleto staru traucējumu shēmai. Režģis atspoguļo vienu noteiktu viļņa garumu - Bragg viļņa garumu - un ļauj pārējam pāriet. Spriedzei izstiepjot režģi vai karstumam to paplašinot, mainās atstatums un mainās atstarotā viļņa garums; jautātājs nolasa šo maiņu un pārvērš to vērtībā. Tuvumā 1550 nm viļņa garumam tipiskā FBG atstarotais viļņa garums pārvietojas apmēram vienu pikometru uz vienu stiepes mikrocelmu un vairākus pikometrus uz sildīšanas grādu pēc Celsija. Pētniecības un kosmosa programmas ir sīki raksturojušas šo dubulto jutīgumu, tostarpNASA iegulto FBG deformācijas sensoru novērtējumipaaugstinātā temperatūrā. Citi punktu sensori ietver lāzera žiroskopus unoptiskās šķiedras{0}}magnētiskā lauka sensorispecializētiem mērījumiem.

Kvazi{0}}Izkliedētā optiskās šķiedras sensors

Kvazi{0}}sadalīta sistēma savieno vairākus punktu sensorus virknē pa vienu šķiedru -, piemēram, FBG virkni, katrs atspoguļo nedaudz atšķirīgu viļņa garumu, lai jautātājs varētu tos atšķirt. Pēc tam viena šķiedra var ziņot par temperatūru, vibrāciju, spiedienu vai deformāciju daudzās atsevišķās vietās vienlaikus. Kompromiss-ir iestrādāts fizikā: vienas šķiedras sensoru skaitu ierobežo avota joslas platums un viļņa garuma logs, ko var aizņemt katrs režģis, un šķiedra neko nejūt spraugās starp elementiem. Saistītās šķiedru-režģu pieejas, piemēram,gara-perioda režģu sensoru sistēmas, ievērojiet līdzīgus principus ar atšķirīgu spektrālo uzvedību.

Izkliedētā optiskās šķiedras sensors

Izkliedētā sistēma izmanto tukšo šķiedru kā nepārtrauktu sensoru bez diskrētiem sensora punktiem. Tas balstās uz gaismu, kas dabiski izkliedējas stikla iekšpusē, un nolasa, kā šī izkliedētā gaisma mainās visā garumā. Trīsgaismas{0}}izkliedes mehānismitiek izmantoti, katrs piemērots dažādiem parametriem:

• Reilija izkliedeir elastīgs process, kas nemaina gaismas frekvenci. Tas ir spēcīgākais no trim un sadalītās akustiskās un vibrācijas sensora (DAS/DVS) pamatā, kur ātri, viena kadra mērījumi izseko dinamisku deformāciju, piemēram, skaņu un vibrāciju.
• Ramana izkliederada gaismu, kuras intensitāte ir atkarīga no temperatūras, kas padara to par pamatu sadalītajai temperatūras noteikšanai (DTS).
• Brilluina izkliedemaina frekvenci gan ar deformāciju, gan temperatūru, tāpēc tas ir pamatā sadalītas deformācijas un temperatūras noteikšanai lielos attālumos.

Tā kā sistēma ņem paraugus no visas šķiedras, nevis fiksētiem punktiem, viens kabelis var nodrošināt tūkstošiem efektīvu nepārtrauktu mērījumu pozīciju desmitiem kilometru garumā. Šis pārklājums ir iemesls, kāpēc izkliedētā uztveršana ir strauji pieaugusi gariem, lineāriem līdzekļiem, kur problēma var parādīties jebkur.

Punktu un kvazi{0}}izkliedētās un sadalītās optiskās šķiedras sensori

Trīs ģimenes atbild uz dažādiem jautājumiem. Punktu noteikšana jautā: "Kas notiek šajā vienā vietā?"; kvazi-izplatīts jautā "kas notiek šajās zināmajās vietās?"; izplatīts jautā "kas notiek šajā maršrutā?" Tālāk esošajā tabulā ir apkopotas praktiskās atšķirības.

Optisko šķiedru sensoru izplatītākie pielietojumi

• Cauruļvadu uzraudzība un noplūdes noteikšana.Šķiedra, kas novietota gar naftas, gāzes vai ūdens cauruļvadu, var atzīmēt noplūdi kā lokālas temperatūras anomāliju (DTS) un noteikt rakšanu vai trešās puses iejaukšanos kā vibrācijas parakstu (DAS) - precīzāku kadrējumu nekā šim lietošanas gadījumam dažkārt lietotā brīvā frāze "nafta un gāze".
• Perimetra un robežu apsardze.Izkliedētā vibrācijas sensors nosaka un klasificē soļus, transportlīdzekļus, kāpšanu vai rakšanu pa žoga līniju vai apraktu maršrutu, kas ir pamatsoptiskās šķiedras{0}}perimetra ielaušanās noteikšana.
• Strāvas kabeļa un tīkla uzraudzība.DTS izseko augstsprieguma{0}} kabeļu temperatūru, lai pārvaldītu slodzi un noteiktu karstos punktus; fona informāciju skatiet šajā pārskatāsadalīta temperatūras kontrole.
• Tuneļu un ēku ugunsgrēku atklāšana.Nepārtraukta temperatūras profilēšana rada trauksmi tieši tajā skaitītājā, kurā paaugstinās karstums, krietni pirms viena{0}}punkta detektora reaģēšanas.
• Strukturālā veselības uzraudzība.FBG un sadalītās deformācijas sensors mēra slodzi, novirzi un plaisāšanu tiltos, dambjos, tuneļos un lielās kompozītmateriālu konstrukcijās visu to kalpošanas laiku.

• 

Optisko šķiedru sensoru priekšrocības un ierobežojumi

Tāpat kā jebkura mērīšanas tehnoloģija, optiskās šķiedras sensors dažās situācijās ir lieliski piemērots, bet citās - slikti. Abu pušu novietošana ārā padara izvēli vieglāku.

Kur tas izceļas:

• Imūns pret elektromagnētiskiem traucējumiem, jo ​​sensora punkts ir pasīvs stikls, kurā nav elektronikas.
• Drošs sprādzienbīstamā vai korozīvā vidē, kur elektriskie sensori ir riskanti.
• Viens kabelis var aizstāt simtiem atsevišķu sensoru un to vadu, un tas darbojas kā datu ceļš.
• Sadalītās sistēmas nodrošina nepārtrauktu atrašanās vietas pārklājumu, nevis tikai izolētus rādījumus.

Kur tam ir ierobežojumi:

• Prasītājs ir dārga daļa, tāpēc īsi{0}}punkta darbi bieži vien ir lētāki, izmantojot parastos sensorus.
• "Augsta precizitāte" ir nosacīta. Izkliedētām sistēmām telpiskā izšķirtspēja, sensora diapazons un iztveršanas ātrums ir pretrunā viens ar otru, un "izplatīts" nenozīmē neierobežotu precizitāti.
• Pozicionēšanas precizitāte ir atkarīga no uztveršanas metodes, no tā, kā kabelis ir novadīts un savienots ar struktūru, paraugu ņemšanas ātruma, pieprasītāja un analīzes algoritma.
• Projektēšanai, uzstādīšanai un interpretācijai ir nepieciešamas speciālistu zināšanas.

Kā izvēlēties pareizo optiskās šķiedras sensora metodi

Sāciet ar jautājumu, uz kuru jums patiešām ir jāatbild, pēc tam saskaņojiet to ar metodi:

• Viens kritisks punkts, precīzi izmērīts- punktu sensors, piemēram, FBG.
• Dažas zināmas atrašanās vietas uz struktūras- gandrīz-izplatīts FBG masīvs.
• Garš maršruts, kurā problēmas var parādīties jebkurā vietā- sadalīta sistēma: DTS temperatūrai un ugunsgrēkam, DAS/DVS vibrācijai un ielaušanās, Brillouin deformācijai.

Kad metode ir skaidra, pirms iegādes salīdziniet konkrētus parametrus: nepieciešamo sensora diapazonu, telpisko izšķirtspēju, mērījumu frekvenci (iztveršanas ātrumu), kabeļa maršrutu un veidu, kā tas tiks fiksēts ar līdzekli, kā arī pieprasītāja saderību ar šķiedru un sensoriem, ko plānojat izvietot.