Magnētiskā lauka sensori ir būtiski instrumenti ģeoloģiskajā izpētē, elektrotīkla uzraudzībā, kosmosa inženierijā un rūpnieciskajā automatizācijā. No dažādajām pieejamajām sensoru tehnoloģijām optiskās šķiedras{1}}magnētiskā lauka sensori izceļas ar noturību pret elektromagnētiskiem traucējumiem, izturību pret koroziju un piemērotību attālinātai uzraudzībai skarbos apstākļos.
Viena īpaši daudzsološa pieeja izmanto magnētisko šķidrumu (MHD) - nanomēroga magnētisko daļiņu koloidālu suspensiju - kā sensoru vidi. Integrējot aroptiskā šķiedra, MHD ļauj šķiedrai reaģēt uz ārējiem magnētiskajiem laukiem, mainot refrakcijas indeksu un gaismas caurlaidības raksturlielumus. Šī kombinācija ir piesaistījusi pieaugošu interesi par pētniecību, kā tas ir dokumentēts pārskatos, kas publicēti tādos žurnālos kāOptika ExpressunSensori un izpildmehānismi B.
Šajā rakstā ir izskaidrota divu{0}}kanālu konusveida šķiedras magnētiskā lauka uztveršanas sistēma, kuras pamatā ir laika dalīšanas multipleksēšanas (TDM) tehnoloģija. Tas aptver šīs sistēmas darbības principu, stabilitātes veiktspēju, jutīguma datus un praktiskās priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem viena-punkta MHD šķiedras sensoriem.
Kas ir TDM divu{0}}kanālu konusveida šķiedras magnētiskā lauka sensora sistēma?
TDM divkanālu{0}}konusveida šķiedras magnētiskā lauka sensora sistēma ir optiskās uztveršanas arhitektūra, kas izmanto divus atsevišķus šķiedru kanālus -, katrs satur konusveida šķiedras sekciju, kas pārklāta ar magnētisko šķidrumu -, lai mērītu magnētiskā lauka intensitāti vairākos punktos vienlaikus. Sistēma paļaujas uz fāzes-jutīgu optiskā laika domēna reflektometru (φ-OTDR), lai ģenerētu, saņemtu un apstrādātu impulsu gaismas signālus, kas pārvietojas pa katru kanālu.
Galvenais jauninājums ir konusveida šķiedru sensoru vienību apvienošana ar TDM tehnoloģiju. Tā vietā, lai mērītu tikai vienu vietu, TDM ļauj sistēmai atšķirt signālus no dažādiem uztveršanas punktiem visā šķiedras garumā, tos atdalot laikā. Tas nodrošina vairāku-punktu magnētiskā lauka uzraudzību, izmantojot vienu nopratināšanas ierīci -, kuras parasti trūkst parastajiem MHD šķiedru sensoriem.
Konusveida šķiedra attiecas uz sadaļuviena{0}}moda šķiedrakas ir uzkarsēts un izstiepts, lai samazinātu tā diametru. Šis sašaurinājums palielina mijiedarbību starp vadīto gaismu un apkārtējo MHD materiālu, padarot sensoru vairāk reaģējošu uz magnētiskā lauka izmaiņām.
Kāpēc tradicionālie MHD šķiedras magnētiskie sensori nedarbojas
Esošie MHD{0}}šķiedru magnētiskā lauka sensori parasti ir balstīti uz tādām struktūrām kā konusveida šķiedra, fotoniskā kristāla šķiedra, kas piepildīta ar MHD, viena-režīmu–bezkodolu–viena-režīmu šķiedra un ilga-perioda šķiedru režģi. Lai gan katrs no tiem ir parādījis dzīvotspējīgu magnētiskā lauka jutību laboratorijas apstākļos, tiem ir vairāki praktiski ierobežojumi.
Divas visizplatītākās demodulācijas metodes ir jaudas{0}}noteikšana un viļņa garuma-nobīdes noteikšana. Jaudas-sensori mēra pārraidītās optiskās jaudas izmaiņas, taču to rādījumus tieši ietekmē gaismas avota jaudas svārstības. Pat nelielas jaudas izmaiņas var radīt mērījumu kļūdas, kuras ir grūti atdalīt no faktiskā magnētiskā lauka signāla. Viļņa garuma{6}}nobīdes sensori novērš šo problēmu, izsekojot spektrālās izmaiņas, taču tie ir atkarīgi no optiskā spektra analizatora - instrumentiem, kas ir dārgi, apjomīgi un nepraktiski izvietošanai laukā.
Papildus demodulācijas izaicinājumam lielākā daļa esošo MHD šķiedru sensoru ir paredzēti tikai viena{0}}punkta mērījumiem. Lai uzraudzītu vairākas vietas, ir jādublē visa nopratināšanas sistēma katram punktam, kas palielina izmaksas un sarežģītību. Tādām lietojumprogrammām kāelektropārvades līnijauzraudzībai vai liela mēroga{0}}rūpnieciskai pārbaudei, viena-punkta iespēja ir būtisks šķērslis.
Kā darbojas divu{0}}kanālu TDM sensoru sistēma
Sistēmas arhitektūra sākas ar φ-OTDR vienību, kas ģenerē īsus optiskos impulsus un apstrādā atgrieztos signālus. Pie φ-OTDR izejas ir pievienota aizkaves šķiedra, lai samazinātu augstas sākotnējās impulsa enerģijas ietekmi uz signāla uztveršanu.
Pēc tam impulsa gaisma nonāk cirkulācijas sūknī - optiskā komponentā, kas virza gaismu noteiktā virzienā - un tiek novirzīta pirmajā optiskajā savienotājā (OC1). Pie OC1 gaisma sadalās divos ceļos ar apzināti asimetrisku attiecību: 1% iet uz sensora kanālu 1 (veido OC1 un OC2), bet 99% turpina uztveršanas kanālu 2 (veido OC3 un OC4).
Katrā sensora kanālā impulsa gaisma iet caur sensoru vienību (SU), kur tā mijiedarbojas ar MHD{0}}pārklāto konusveida šķiedru. Pēc izbraukšanas cauri SU gaisma sasniedz otro cilpas savienotāju. Šeit 99% gaismas recirkulē kanālā, un 1% tiek novirzīts atpakaļ uz φ-OTDR caur cirkulācijas sūkni. Šī recirkulācija ļauj impulsam vairākas reizes iziet cauri sensora blokam, uzkrājot izmērāmu vājināšanos ar katru reizi.
φ-OTDR ieraksta atgrieztos signālus no abiem kanāliem. Tā kā abiem kanāliem ir atšķirīgs optiskā ceļa garums, to atgriešanās signāli pienāk dažādos laikos -, tas ir TDM principa pamatā. Analizējot atgriezto impulsu vājinājuma slīpumu, sistēma aprēķina magnētiskā lauka intensitāti katrā sensora punktā, neizmantojot spektrometru vai viļņa garuma izsekošanas instrumentu.
Šī pieeja nosaka izmaiņas optiskās jaudas vājināšanās ātrumā, nevis absolūtos jaudas līmeņos. Rezultātā mērījumi pēc būtības ir mazāk jutīgi pret gaismas avota jaudas svārstībām -, kas ir nozīmīgs uzlabojums salīdzinājumā ar parastajiem jaudas{2}}MHD sensoriem.
Stabilitātes un jutības testa rezultāti
Stabilitāte zem nulles magnētiskā lauka
Lai novērtētu bāzes stabilitāti, sistēma tika pārbaudīta 30 reizes ne-magnētiskā-lauka vidē. Lāzera avota vidējā izejas optiskā jauda bija 1,21 mW ar standarta novirzi 0,0516 mW (apmēram 4,26% no vidējā). Neraugoties uz šīm avota{8}}līmeņa atšķirībām, abu kanālu mērītās vājināšanās pakāpes saglabājās ļoti konsekventas:
- 1. kanāls:vidējais vājināšanās slīpums –11,57 dB/km, standarta novirze 0,109 dB/km (0,942% no vidējā)
- 2. kanāls:vidējais vājināšanās slīpums –18,117 dB/km, standarta novirze 0,124 dB/km (0,684% no vidējā)
Fakts, ka vājinājuma slīpums saglabājās stabils pat tad, kad gaismas avota jauda svārstījās, apstiprina, ka sistēmas mērījumu pieeja -, kuras pamatā ir vājināšanās ātrums, nevis absolūtā jauda -, efektīvi atdala nolasījumu no avota-līmeņa trokšņa.
Stabilitāte pastāvīgā magnētiskajā laukā
Otrajā testu komplektā abi kanāli tika pakļauti pastāvīgam 5 mT magnētiskajam laukam. Atkārtoti mērījumi:
- 1. kanāls:vidējais vājinājuma slīpums –14,85 dB/km, standarta novirze 0,131 dB/km (0,882% no vidējā)
- 2. kanāls:vidējais vājinājuma slīpums –30,94 dB/km, standarta novirze 0,315 dB/km (1,02% no vidējā)
Abi kanāli uzrādīja zem 1, 1% atšķirības salīdzinājumā ar to līdzekļiem, norādot, ka sistēma rada atkārtojamus rezultātus aktīvā magnētiskā lauka apstākļos.
Magnētiskā lauka jutība
Jutības mērījumi sniedza šādus rezultātus:
- 1. kanāls:−1,09 dB/(km·mT) lauka intensitātes diapazonā no 3 līdz 14 mT
- 2. kanāls:−3,466 dB/(km·mT) lauka intensitātes diapazonā no 2 līdz 7 mT
2. kanāls rāda aptuveni trīs reizes lielāku jutību nekā 1. kanāls. Šī atšķirība izriet no asimetriskā savienotāja konstrukcijas - 2. kanāls saņem 99% no ieejas gaismas, kā rezultātā vienā piegājienā ir spēcīgāka mijiedarbība ar sensoru. Kompromiss-ir tas, ka 2. kanāls darbojas šaurākā mērījumu diapazonā (2–7 mT pret{10}}–14 mT), atspoguļojot tipisku jutīguma-pret{13}}diapazona līdzsvaruoptiskās šķiedras sensorssistēmas.
Priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem magnētiskā lauka sensoriem
Salīdzinot ar tradicionālajiem viena{0}}punkta MHD šķiedras magnētiskā lauka sensoriem, šī TDM divkanālu{1}}sistēma piedāvā vairākus konkrētus uzlabojumus:
- Vairāku{0}}punktu mērīšanas iespēja:TDM nodrošina vienlaicīgu uzraudzību vairākās vietās, izmantojot vienu φ-OTDR vienību, novēršot vajadzību pēc atsevišķām nopratināšanas sistēmām katrā mērījumu punktā.
- Samazināta jutība pret gaismas avota svārstībām:Mērot vājinājuma slīpumu, nevis absolūto optisko jaudu, sistēma samazina kļūdas, ko izraisa gaismas avota nestabilitāte - -labi zināms jaudas- MHD sensoru vājums.
- Spektrometrs nav nepieciešams:Atšķirībā no viļņa garuma{0}}nobīdes sensoriem šī sistēma nepaļaujas uz optiskajiem spektra analizatoriem, tādējādi samazinot gan aprīkojuma izmaksas, gan fizisko nospiedumu.
- Vienkārša izgatavošana:Konusveida šķiedru sensori tiek ražoti, izmantojot standarta karstuma{0}}un-vilkšanas procesu, tāpēc to izgatavošana ir salīdzinoši vienkārša, salīdzinot ar fotonisko kristālu šķiedru vai īpašām režģu konstrukcijām.
- Attālās uzraudzības saderība:Sistēma atbalsta tālsatiksmes{0}}signāla pārraidi, izmantojot standartaoptiskais kabelisinfrastruktūra, padarot to piemērotu attālai izvietošanai uz vietas.
Pielietojuma scenāriji attālai vairāku{0}}punktu magnētiskā lauka uzraudzībai
Vairāku{0}}punktu sensoru, elektromagnētisko traucējumu noturības un attālās uzraudzības iespēju kombinācija padara šo sistēmu piemērotu vairākiem praktiskiem lietojumiem:
Enerģijas pārvades infrastruktūra:Magnētiskā lauka sadalījuma pārraudzība pa augstsprieguma{0}}pārvades līnijām palīdz atklāt anomālijas, kas saistītas ar strāvas noplūdi, aprīkojuma degradāciju vai ārējiem traucējumiem. Sistēmas spēja darbotiesgaras šķiedras ietir īpaši vērtīgs šajā kontekstā.
Rūpniecisko mašīnu uzraudzība:Lieli motori, ģeneratori un transformatori rada magnētiskos laukus, kas korelē ar darbības stāvokli. Vairāku-punktu šķiedru sensors nodrošina nepārtrauktu uzraudzību, neievadot mērījumu vidē vadošus materiālus.
Zinātniskās pētniecības instrumenti:Laboratorijas vidēs, kur nepieciešama precīza, -bez traucējumiem magnētiskā lauka kartēšana, -, piemēram, daļiņu fizikas eksperimenti vai materiālu izpēte, - šķiedru-balstīta sensori ļauj izvairīties no elektromagnētiskā piesārņojuma, ko var radīt tradicionālie elektroniskie sensori.
Zemūdens un pazemes monitorings:Vidēs, kur tiešā piekļuve ir ierobežota, optisko šķiedru sensoru izturība pret koroziju un liela attāluma{0}}spēja nodrošina praktiskas priekšrocības salīdzinājumā ar elektroniskām alternatīvām. Tas tiek saskaņots ar šķiedru uztveršanas lietojumprogrammāmpazemes kabelismonitoringu un zemūdens infrastruktūras pārbaudi.
Pašreizējie ierobežojumi un nākotnes virzieni
Lai gan sistēma demonstrē daudzsološu veiktspēju, praktiskās izvietošanas apsvērumu dēļ jāņem vērā vairāki ierobežojumi:
Mērījumu diapazonu ierobežo magnētiskā šķidruma piesātinājuma raksturlielumi. 1. kanāls darbojas 3–14 mT, bet 2. kanāls — 2–7 mT -, kas ir piemērots mērenai-lauka videi, bet nav pietiekams rūpnieciskiem lietojumiem, kas lielā mērā- pārsniedz desmitiem militeslu.
Pieejamajos datos nav pilnībā raksturota magnētiskā šķidruma temperatūras jutība. Tā kā MHD refrakcijas indekss ir atkarīgs no temperatūras-atkarīgs, izvietošanai reālajā pasaulē būtu nepieciešama vai nu temperatūras kompensācija, vai kontrolēta termiskā vide.
Sistēma pašlaik demonstrē divu{0}}kanālu darbību. Lai mērogotu uz lielāku sensoru punktu skaitu, būs nepieciešama rūpīga signāla -pret-trokšņu attiecība, jo optiskās jaudas budžets ir sadalīts vairākos kanālos.
Turpmākā optimizācija var būt vērsta uz mērījumu diapazona paplašināšanu, izmantojot uzlabotus magnētisko šķidrumu formulējumus, palielinot kanālu skaitu, izmantojot uzlabotas TDM vai viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanas (WDM) hibrīda shēmas, un integrējot temperatūras kompensācijas mehānismus izmantošanai ārpus telpām.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāda ir TDM loma magnētiskā lauka noteikšanā?
Laika dalīšanas multipleksēšana (TDM) ļauj vienai pratināšanas vienībai atšķirt signālus no vairākiem sensora punktiem, atdalot to atgriešanās signālus laikā. Šajā sistēmā TDM nodrošina vienlaicīgu magnētiskā lauka mērījumus divās vai vairākās vietās, neprasot atsevišķu aprīkojumu katram punktam.
Kāpēc šajā sistēmā tiek izmantots φ-OTDR?
Fāzes-jutīgs optiskā laika domēna reflektometrs (φ-OTDR) ģenerē precīzi noteiktus optiskos impulsus un analizē atgrieztos signālus ar augstu laika izšķirtspēju. Tas padara to labi-piemērotu TDM-balstītai izkliedētai uztveršanai, kur katra atgrieztā signāla izcelsmes noteikšana ir atkarīga no precīza-lidojuma-mērīšanas laika. Lai uzzinātu vairāk par OTDR principiem, skatietOTDR testēšanas principa rokasgrāmata.
Kādi ir divu sensoru kanālu jutīguma diapazoni?
1. kanāls sasniedz –1,09 dB/(km·mT) jutību lauka diapazonā no 3 līdz 14 mT. 2. kanāls sasniedz –3,466 dB/(km·mT) 2–7 mT. Lielāka 2. kanāla jutība rodas, saņemot lielāku ieejas optiskās jaudas daļu (99% pret{12}}%), kas palielina signāla -pret-trokšņu attiecību, bet sašaurina izmantojamo mērījumu diapazonu.
Kā šī sistēma samazina gaismas avota svārstību ietekmi?
Tā vietā, lai izmērītu absolūto optisko jaudu (kas mainās, kad avots svārstās), sistēma mēra optiskā vājinājuma ātrumu pa sensora kanālu. Šis vājinājuma slīpums paliek stabils pat tad, ja avota jauda mainās, jo slīpums atspoguļo relatīvās izmaiņas garuma vienībā, nevis kopējo jaudas līmeni. Stabilitātes testi apstiprināja, ka vājināšanās slīpums ir mazāks par 1,1%, neskatoties uz avota jaudas izmaiņām par 4,26%.
Vai šo sistēmu var izmantot zemūdens magnētiskā lauka uzraudzībai?
Principā jā. Optiskās šķiedras sensori pēc savas būtības ir imūni pret elektromagnētiskiem traucējumiem un izturīgi pret koroziju, padarot tos piemērotus zemūdens vidēm. Tomēr magnētiskā šķidruma pārklājumam un šķiedru savienojumiem būtu nepieciešama atbilstoša vides aizsardzībazemūdens izvietošana.
Kas ir magnētiskais šķidrums (MHD) un kāpēc to izmanto ar optisko šķiedru?
Magnētiskais šķidrums (saukts arī par ferofluīdu vai MHD) ir nanomēroga magnētisko daļiņu koloidāla suspensija nesējšķidrumā. Kad tiek pielietots ārējs magnētiskais lauks, mainās šķidruma refrakcijas indekss. Pārklājot vai ieskaujot optisko šķiedru ar MHD, šķiedras gaismas caurlaidības īpašības kļūst jutīgas pret apkārtējo magnētisko lauku, ļaujot uztvert optisko magnētisko lauku bez elektroniskām sastāvdaļām mērīšanas punktā.