Знання

Волоконно-оптичний датчик перетворює звичайне оптичне волокно на довгий безперервний датчик. Замість того, щоб лише передавати дані, волокно передає світло, властивості якого змінюються, коли на кабель діє температура, напруга, тиск або вібрація. Зчитуючи ці зміни, сенсорна система може повідомляти про те, що відбувається - і зазвичай точнодеце відбувається - на відстані від кількох метрів до десятків кілометрів. У цьому посібнику крок за кроком описано, як працює технологія, описано три основні типи та їх різницю, куди підходить кожен із них і обмеження, які варто планувати.

Що таке оптоволоконна технологія зондування?

Волоконно-оптичний датчик – це метод вимірювання, який використовує саме оптичне волокно як чутливий елемент. Джерело світла направляє світло у волокно; коли світло поширюється, зовнішні умови дещо змінюють його інтенсивність, довжину хвилі, фазу, поляризацію або спосіб його розсіювання всередині скла. Інструмент на кінці волокна зчитує ці зміни та перетворює їх у фізичні вимірювання, такі як температура, деформація або вібрація.

Оскільки чутлива точка зроблена зі скла й не пропускає електричний струм, волоконно-оптичний датчик захищений від електромагнітних перешкод і безпечний для розгортання у вибухонебезпечних або хімічно агресивних середовищах - якості, які мають значення на трубопроводах, системах живлення, тунелях і мостах, де електричні датчики мають проблеми. Одне і те ж волокно може служити і датчиком, і сигнальним шляхом, що робить польове обладнання простим. Волокно зазвичай є стандартнимодномодове-оптичне волокнодля деформаційних, акустичних систем і систем Бріллюена, тоді як системи-лише комбінаційного розсіювання температури часто працюють на багатомодовому волокні.

Як працює технологія оптоволоконного датчика?

Кожна волоконно-оптична сенсорна система працює за одним і тим же ланцюжком: надсилайте світло, дозволяйте оточенню змінити його, зчитуйте світло, яке повертається, і перетворюйте зміну на вимірювання. Ось що відбувається на кожному етапі.

1. Світло проходить по волокну

Лазерне або широкосмугове джерело запускає світло - зазвичай серію коротких імпульсів - у серцевину волокна, де повне внутрішнє відображення тримає його вздовж довжини кабелю. У сенсорній системі це світло є зондом: все, що впливає на нього на шляху, стає інформацією.

2. Навколишнє середовище змінює світло

Коли температура, напруга, тиск або вібрація діють на ділянку волокна, це дещо змінює скло - його довжину, його показник заломлення або відстань між внутрішніми структурами. Ці невеликі фізичні зміни зміщують одну або кілька властивостей світла: його довжину хвилі, інтенсивність, фазу, поляризацію або спектр частини, яка розсіюється, назад. Розмір зсуву пропорційний силі зовнішнього впливу, що робить можливим каліброване вимірювання.

3. Світло відбивається або розсіюється назад

Частина світла повертається до джерела. У деяких датчиках це відображається навмисною структурою, записаною на волокні, наприклад, волоконною бреггівською ґраткою. У розподілених системах саме скло розсіює слабкий потік світла назад уздовж усього волокна без додавання компонентів. У будь-якому випадку світло, що повертається, містить відбиток того, що впливало на волокно.

4. Допитувач зчитує та визначає місцезнаходження сигналу

Інструмент, який називається запитувачем (або демодулятором), вимірює світло, що повертається. Для розподілених систем це також помножує час, який потрібно світлу, щоб повернутися - та сама ідея, що й оптичний-рефлектометр у часовій області (OTDR). Оскільки швидкість світла у волокні відома, час-обігу вказує місце кожної зміни вздовж кабелю. Потім запитувач перетворює оптичну зміну в калібрований показник температури, деформації або вібрації з прикріпленим положенням.

Світло потрапляє, оточення залишає на цьому світлі свій відбиток, світло повертається, і запитувач перетворює зміну - і місце, де вона сталася -, на вимірювання.

Основні типи волоконно-оптичних технологій зондування

Волоконно-оптичне зондування зазвичай групують у три сімейства на основі того, скільки точок уздовж волокна можна виміряти та як це відбувається.

Точкове волоконно-оптичне зондування

Точковий датчик вимірює одне місце. Спеціальний чутливий елемент реагує на один параметр - температура, тиск або прискорення, наприклад -, а дизайн простий і відносно дешевий.

Найпоширенішим прикладом єволоконна решітка Брегга (FBG). Решітка — це періодична зміна показника заломлення серцевини волокна, яка створюється шляхом впливу на серцевину інтенсивної ультрафіолетової інтерференційної картини. Решітка відображає одну певну довжину хвилі - довжину хвилі Брегга - і пропускає решту. Коли напруга розтягує гратку або тепло розширює її, відстань змінюється, а відбита довжина хвилі зміщується; запитувач зчитує цей зсув і перетворює його на значення. Поблизу довжини хвилі 1550 нм відбита довжина хвилі типового FBG рухається приблизно на один пікометр на мікродеформацію розтягування та кілька пікометрів на градус Цельсія при нагріванні. Дослідницькі та аерокосмічні програми детально охарактеризували цю подвійну чутливість, в тому числіОцінки NASA вбудованих датчиків деформації FBGпри підвищених температурах. Інші точкові датчики включають лазерні гіроскопи таволоконно-оптичні датчики магнітного полядля спеціальних вимірювань.

Квазі-розподілене волоконно-оптичне вимірювання

Квазі-розподілена система з’єднує кілька точкових датчиків послідовно вздовж одного волокна -, наприклад, рядок FBG, кожна з яких відбиває дещо різну довжину хвилі, щоб запитувач міг їх розрізнити. Тоді одне волокно може повідомляти про температуру, вібрацію, тиск або деформацію в багатьох окремих місцях одночасно. Компроміс-вбудований у фізику: кількість датчиків на одному волокні обмежена смугою пропускання джерела та вікном довжини хвилі, яке може займати кожна решітка, і волокно нічого не відчуває в проміжках між елементами. Пов’язані підходи до волокон-грат, як-отдовго{0}}періодні гратчасті сенсорні системи, дотримуються схожих принципів з різною спектральною поведінкою.

Розподілений волоконно-оптичний датчик

Розподілена система використовує чисте волокно як безперервний датчик без дискретних точок вимірювання взагалі. Він покладається на світло, яке природним чином розсіюється всередині скла, і зчитує, як це розсіяне світло змінюється по всій довжині. тримеханізми-розсіювання світлавикористовуються, кожен з яких підходить до різних параметрів:

• Релеївське розсіюванняце пружний процес, який не зміщує частоту світла. Це найпотужніший з трьох і є основою розподіленого вимірювання звуку та вібрації (DAS/DVS), де швидкі однократні-виміри відстежують динамічні напруги, такі як звук і вібрація.
• Раманівське розсіюваннявиробляє світло, інтенсивність якого залежить від температури, що робить його основою розподіленого вимірювання температури (DTS).
• Бріллюенівське розсіюваннязмінюється частота як із деформацією, так і з температурою, тому це лежить в основі розподіленого вимірювання деформації та температури на великих відстанях.

Оскільки система відбирає зразки всього волокна, а не фіксованих точок, один кабель може забезпечувати тисячі безперервних вимірювань на десятках кілометрів. Це охоплення є причиною швидкого розвитку розподіленого зондування для довгих лінійних активів, де проблема може виникнути будь-де.

Точкове чи квазі-розподілене чи розподілене волоконно-оптичне зондування

Три родини відповідають на різні запитання. Розпізнавання точки запитує «що відбувається в цій одній точці?»; quasi-distributed запитує «що відбувається в цих відомих місцях?»; distributed запитує "що відбувається на цьому маршруті?" У таблиці нижче наведено практичні відмінності.

Загальні застосування оптоволоконного датчика

• Моніторинг трубопроводів і виявлення витоків.Волокно, прокладене вздовж нафто-, газо- чи водопроводу, може позначити витік як місцеву температурну аномалію (DTS) і виявити копання чи втручання третьої-сторини як вібраційний сигнал (DAS) -, що є більш точним, ніж вільне словосполучення «нафта і газ», яке іноді використовують для цього випадку використання.
• Охорона периметра та кордону.Розподілене визначення вібрації виявляє та класифікує кроки, транспортні засоби, лазіння або копання вздовж лінії огорожі чи засипаного маршруту, що є основоюоптичне-виявлення вторгнень по периметру.
• Моніторинг кабелю живлення та мережі.DTS відстежує температуру кабелів високої-напруги, щоб керувати навантаженням і спостерігати гарячі точки; для ознайомлення дивіться цей оглядрозподілений моніторинг температури.
• Виявлення пожежі в тунелях і будівлях.Безперервне профілювання температури подає сигнал тривоги саме на тому лічильнику, де підвищується тепло, задовго до того, як одно-точковий детектор зреагує.
• Структурний моніторинг здоров'я.FBG і розподілене визначення деформації вимірюють навантаження, прогин і розтріскування в мостах, дамбах, тунелях і великих композитних конструкціях протягом терміну їх служби.

• 

Переваги та обмеження оптоволоконного датчика

Як і будь-яка технологія вимірювання, волоконно-оптичний датчик добре підходить в одних ситуаціях і погано підходить в інших. Розташування обох сторін робить вибір легшим.

Де він кращий:

• Стійкість до електромагнітних перешкод, оскільки точка чутливості — пасивне скло без електроніки в полі.
• Безпечний у вибухонебезпечних або корозійних середовищах, де електричні датчики небезпечні.
• Один кабель може замінити сотні дискретних датчиків і їхню проводку, а також він служить для передачі даних.
• Розподілені системи забезпечують безперервне покриття з місцезнаходженням, а не лише окремі показання.

Там, де є обмеження:

• Запитувач є дорогою частиною, тому короткі одноточкові-роботи часто дешевші зі звичайними датчиками.
• «Висока точність» — умовно. Для розподілених систем просторова роздільна здатність, діапазон чутливості та частота дискретизації взаємодіють один з одним, і «розподілений» не означає необмеженої точності.
• Точність позиціонування залежить від методу вимірювання, способу прокладання кабелю та підключення до конструкції, частоти дискретизації, запитувача та алгоритму аналізу.
• Проектування, встановлення та інтерпретація потребують досвіду спеціаліста.

Як вибрати правильний оптоволоконний метод вимірювання

Почніть із запитання, на яке вам справді потрібна відповідь, а потім зіставте його з методом:

• Одна критична точка, виміряна точно- точковий датчик, наприклад FBG.
• Кілька відомих місць на структурі- квазі-розподілений масив FBG.
• Довгий шлях, де біда може виникнути будь-де- розподілена система: DTS для температури та пожежі, DAS/DVS для вібрації та проникнення, Бріллюен для напруги.

Коли метод стане зрозумілим, порівняйте конкретні параметри, перш ніж купувати: необхідний діапазон вимірювання, просторову роздільну здатність, частоту вимірювань (частоту дискретизації), маршрут кабелю та спосіб його кріплення до активу, а також сумісність запитувача з волокном і датчиками, які ви плануєте розгорнути.