vedomosti

Snímanie optickými vláknami premení obyčajné optické vlákno na dlhý súvislý senzor. Namiesto toho, aby vlákno prenášalo iba dáta, prenáša svetlo, ktorého vlastnosti sa menia, keď na kábel pôsobí teplota, napätie, tlak alebo vibrácie. Čítaním týchto zmien môže snímací systém hlásiť, čo sa deje - a zvyčajne presnekdedeje sa to - na vzdialenosti od niekoľkých metrov do desiatok kilometrov. Tento sprievodca vám krok za krokom ukáže, ako technológia funguje, tri hlavné typy a ako sa líšia, kam sa každá hodí a limity, ktoré sa oplatí plánovať.

Čo je technológia snímania optických vlákien?

Snímanie optickými vláknami je metóda merania, pri ktorej sa ako snímací prvok používa samotné optické vlákno. Svetelný zdroj vysiela svetlo do vlákna; ako sa toto svetlo pohybuje, vonkajšie podmienky mierne menia jeho intenzitu, vlnovú dĺžku, fázu, polarizáciu alebo spôsob, akým sa rozptyluje vo vnútri skla. Prístroj na konci vlákna prečíta tieto zmeny a prevedie ich na fyzikálne merania, ako je teplota, napätie alebo vibrácie.

Keďže snímací bod je vyrobený zo skla a neprenáša žiadny elektrický prúd, snímanie pomocou optických vlákien je odolné voči elektromagnetickému rušeniu a bezpečné nasadenie vo výbušných alebo chemicky agresívnych prostrediach -, na ktorých záleží na potrubiach, energetických systémoch, tuneloch a mostoch, kde elektrické senzory zápasia. Rovnaké vlákno môže slúžiť ako snímač aj ako signálová cesta, vďaka čomu je hardvér v teréne jednoduchý. Vlákno je zvyčajne štandardjednorežimové optické vlákno-pre napäťové, akustické a Brillouinove systémy, zatiaľ čo iba Ramanove systémy{0}}zahŕňajúce teplotu často bežia na multimódovom vlákne.

Ako funguje technológia snímania optických vlákien?

Každý systém snímania optických vlákien sleduje rovnaký reťazec: posielajte svetlo dovnútra, nechajte ho upravovať prostredie, čítajte svetlo, ktoré sa vracia, a premieňajte zmenu na meranie. Tu je to, čo sa deje v každej fáze.

1. Svetlo prechádza vláknom

Laserový alebo širokopásmový zdroj vyžaruje svetlo - zvyčajne sériu krátkych impulzov - do jadra vlákna, kde ho celkový vnútorný odraz udržiava navádzaný po celej dĺžke kábla. V systéme snímania je toto svetlo sondou: čokoľvek, čo ho na ceste ovplyvní, sa stáva informáciou.

2. Prostredie mení svetlo

Keď na časť vlákna pôsobí teplota, napätie, tlak alebo vibrácie, mierne zmení sklo - jeho dĺžku, index lomu alebo rozmiestnenie vnútorných štruktúr. Tieto malé fyzikálne zmeny posúvajú jednu alebo viac vlastností svetla: jeho vlnovú dĺžku, intenzitu, fázu, polarizáciu alebo spektrum časti, ktorá sa rozptýli dozadu. Veľkosť posunu je úmerná sile vonkajšieho efektu, čo umožňuje kalibrované meranie.

3. Svetlo odráža alebo rozptyluje späť

Časť svetla sa vracia smerom k zdroju. V niektorých snímačoch sa odráža v zámernej štruktúre zapísanej do vlákna, ako je Braggova mriežka. V distribuovaných systémoch samotné sklo rozptyľuje slabý prúd svetla späť pozdĺž celého vlákna bez pridaných komponentov. Tak či onak, vracajúce sa svetlo nesie odtlačok prsta toho, čo na vlákno pôsobilo.

4. Snímač číta a lokalizuje signál

Prístroj nazývaný dotazovač (alebo demodulátor) meria vracajúce sa svetlo. V prípade distribuovaných systémov je to aj čas, za ktorý sa svetlo vráti - rovnako ako optický čas-reflektometer domény (OTDR). Pretože rýchlosť svetla vo vlákne je známa, spiatočný-čas presne určuje polohu každej zmeny pozdĺž kábla. Snímač potom prevedie optickú zmenu na kalibrovaný údaj teploty, napätia alebo vibrácií s pripojenou polohou.

Vstúpi svetlo, prostredie na ňom zanechá svoju stopu, svetlo sa vráti a vyšetrovateľ zmení zmenu - a miesto, kde k nej došlo -, na meranie.

Hlavné typy technológií snímania optických vlákien

Snímanie optických vlákien je zvyčajne zoskupené do troch skupín na základe toho, koľko bodov pozdĺž vlákna možno merať a ako sa snímanie uskutočňuje.

Bodové optické snímanie

Bodový snímač meria jedno miesto. Vyhradený snímací prvok reaguje na jeden parameter - teplota, tlak alebo zrýchlenie, napríklad -, a jeho konštrukcia je jednoduchá a má relatívne nízku cenu.

Najbežnejším príkladom jevláknitá Braggova mriežka (FBG). Mriežka je periodická zmena indexu lomu jadra vlákna, ktorá vzniká vystavením jadra intenzívnemu ultrafialovému interferenčnému vzoru. Mriežka odráža jednu špecifickú vlnovú dĺžku - Braggovu vlnovú dĺžku - a zvyšok necháva prejsť. Keď napätie natiahne mriežku alebo ju teplo roztiahne, vzdialenosť sa zmení a odrazená vlnová dĺžka sa posunie; dopytovač prečíta tento posun a prevedie ho na hodnotu. V blízkosti vlnovej dĺžky 1550 nm sa odrazená vlnová dĺžka typického FBG pohybuje rádovo jeden pikometer na mikropretiahnutie a niekoľko pikometrov na stupeň Celzia zahrievania. Výskumné a letecké programy podrobne charakterizovali túto dvojitú citlivosť, vrátaneHodnotenie NASA vstavaných snímačov napätia FBGpri zvýšených teplotách. Medzi ďalšie bodové senzory patria laserové gyroskopy aoptické-senzory magnetického poľapre špecializované merania.

Kvázi-distribuované snímanie optických vlákien

Kvázi-distribuovaný systém spája niekoľko bodových senzorov v sérii pozdĺž jedného vlákna -, napríklad reťazec FBG, z ktorých každý odráža mierne odlišnú vlnovú dĺžku, takže vyšetrovateľ ich môže od seba odlíšiť. Jedno vlákno potom môže hlásiť teplotu, vibrácie, tlak alebo napätie na mnohých diskrétnych miestach naraz. Kompromis-je zabudovaný do fyziky: počet senzorov na jednom vlákne je obmedzený zdrojovou šírkou pásma a oknom vlnovej dĺžky, ktoré môže zaberať každá mriežka, a vlákno nič nesníma v medzerách medzi prvkami. Súvisiace prístupy k vláknovej-mriežke, ako naprsystémy snímania mriežky s dlhou periódou{0}, dodržiavať podobné princípy s odlišným spektrálnym správaním.

Distribuované snímanie optických vlákien

Distribuovaný systém využíva holé vlákno ako kontinuálny senzor bez akýchkoľvek diskrétnych snímacích bodov. Spolieha sa na svetlo, ktoré sa prirodzene rozptyľuje vo vnútri skla a číta, ako sa toto rozptýlené svetlo mení po celej dĺžke. Trimechanizmov-rozptyľovania svetlasa používajú, pričom každý vyhovuje iným parametrom:

• Rayleighov rozptylje elastický proces, ktorý nemení frekvenciu svetla. Je to najsilnejší zo všetkých troch a je základom distribuovaného akustického a vibračného snímania (DAS/DVS), kde rýchle, jednorazové-merania sledujú dynamické napätie, ako je zvuk a vibrácie.
• Ramanov rozptylprodukuje svetlo, ktorého intenzita je závislá od teploty, čo z neho robí základ distribuovaného snímania teploty (DTS).
• Brillouinov rozptylposuny frekvencie s namáhaním aj teplotou, takže podporuje snímanie rozloženého napätia a teploty na veľké vzdialenosti.

Pretože systém vzorkuje celé vlákno a nie pevné body, jediný kábel môže poskytnúť tisíce efektívnych kontinuálnych meracích pozícií na desiatky kilometrov. Toto pokrytie je dôvodom, prečo sa distribuované snímanie rýchlo rozrástlo pri dlhých lineárnych aktívach, kde sa problém môže objaviť kdekoľvek.

Bodové a kvázi{0}}distribuované a distribuované snímanie optických vlákien

Tri rodiny odpovedajú na rôzne otázky. Bodové snímanie sa pýta "čo sa deje na tomto jednom mieste?"; kvázi-distribuované otázky „čo sa deje na týchto známych miestach?“; distribuovaný sa pýta "čo sa deje kdekoľvek na tejto trase?" V tabuľke nižšie sú zhrnuté praktické rozdiely.

Bežné aplikácie snímania optických vlákien

• Monitorovanie potrubia a detekcia úniku.Vlákno položené pozdĺž ropovodu, plynového alebo vodného potrubia môže označiť únik ako miestnu teplotnú anomáliu (DTS) a odhaliť kopanie alebo rušenie tretej strany{0}}ako vibračný podpis (DAS) -, čo je presnejšie usporiadanie než voľná fráza „ropa a plyn“, ktorá sa niekedy používa v tomto prípade.
• Bezpečnosť perimetra a hraníc.Distribuované snímanie vibrácií detekuje a klasifikuje kroky, vozidlá, lezenie alebo kopanie pozdĺž plota alebo zasypanej cesty, čo je základdetekcia narušenia obvodu-optických vlákien.
• Monitorovanie napájacieho kábla a siete.DTS sleduje teplotu vysokonapäťových{0}}káblov na riadenie záťaže a nájdenie horúcich miest; pozadie nájdete v tomto prehľadedistribuované monitorovanie teploty.
• Detekcia požiaru tunelov a budov.Nepretržité teplotné profilovanie spustí alarm presne na merači, kde teplo stúpa, oveľa skôr, ako by zareagoval-bodový detektor.
• Monitorovanie štrukturálneho zdravia.FBG a distribuované snímanie napätia merajú zaťaženie, priehyb a praskanie v mostoch, priehradách, tuneloch a veľkých kompozitných konštrukciách počas ich životnosti.

• 

Výhody a obmedzenia optického snímania

Ako každá meracia technológia, optické snímanie je v niektorých situáciách vhodné a v iných zlé. Jasné nastavenie oboch strán uľahčuje výber.

Kde vyniká:

• Odolné voči elektromagnetickému rušeniu, pretože snímacím bodom je pasívne sklo bez elektroniky v poli.
• Bezpečné vo výbušnom alebo korozívnom prostredí, kde sú elektrické senzory rizikové.
• Jeden kábel môže nahradiť stovky diskrétnych senzorov a ich kabeláže a zároveň slúži ako dátová cesta.
• Distribuované systémy poskytujú nepretržité pokrytie s polohou, nielen izolované hodnoty.

Kde má limity:

• Snímač je drahá časť, takže krátke jednobodové-úlohy sú často lacnejšie s konvenčnými snímačmi.
• "Vysoká presnosť" je podmienená. Pre distribuované systémy sa priestorové rozlíšenie, rozsah snímania a vzorkovacia frekvencia navzájom vymieňajú a „distribuované“ neznamenajú neobmedzenú presnosť.
• Presnosť polohovania závisí na metóde snímania, ako je kábel vedený a pripojený ku konštrukcii, vzorkovacej frekvencii, vyšetrovači a analytickom algoritme.
• Dizajn, inštalácia a interpretácia vyžadujú odborné znalosti.

Ako si vybrať správnu metódu snímania optických vlákien

Začnite od otázky, na ktorú skutočne potrebujete odpoveď, a potom ju priraďte k metóde:

• Jeden kritický bod, presne meraný- bodový snímač, napríklad FBG.
• Niekoľko známych miest na štruktúre- kvázi-distribuované pole FBG.
• Dlhá trasa, kde sa problémy môžu objaviť kdekoľvek- distribuovaný systém: DTS pre teplotu a oheň, DAS/DVS pre vibrácie a vniknutie, Brillouin pre napätie.

Keď je metóda jasná, pred nákupom porovnajte konkrétne parametre: požadovaný rozsah snímania, priestorové rozlíšenie, frekvenciu merania (vzorkovaciu frekvenciu), trasu kábla a spôsob, akým bude pripevnená k majetku, a kompatibilitu snímača s vláknom a senzormi, ktoré plánujete nasadiť.