знание

Отчитането на оптични влакна превръща обикновено оптично влакно в дълъг, непрекъснат сензор. Вместо да пренася само данни, влакното пренася светлина, чиито свойства се променят, когато температура, напрежение, натиск или вибрации действат върху кабела. Като разчита тези промени, сензорната система може да докладва какво се случва - и обикновено точнокъдетотова се случва - на разстояния от няколко метра до десетки километри. Това ръководство разглежда как технологията работи стъпка по стъпка, трите основни типа и как се различават, къде всеки от тях е подходящ и ограниченията, които си струва да планирате.

Какво представлява технологията за оптично наблюдение?

Сензорът с оптични влакна е метод за измерване, който използва самото оптично влакно като сензорен елемент. Източник на светлина изстрелва светлина във влакното; докато тази светлина пътува, външните условия леко променят нейния интензитет, дължина на вълната, фаза, поляризация или начина, по който тя се разсейва вътре в стъклото. Инструмент в края на влакното чете тези промени и ги преобразува във физически измервания като температура, напрежение или вибрации.

Тъй като сензорната точка е направена от стъкло и не пренася електрически ток, фиброоптичното разпознаване е имунизирано срещу електромагнитни смущения и безопасно за разгръщане при експлозивни или химически агресивни настройки - качества, които имат значение при тръбопроводи, енергийни системи, тунели и мостове, където електрическите сензори се борят. Едно и също влакно може да служи както като сензор, така и като сигнален път, което поддържа полевия хардуер прост. Влакното обикновено е стандартноедномодово-оптично влакноза деформационни, акустични и системи на Brillouin, докато Raman системите само за температура-често работят на многомодово влакно.

Как работи технологията за оптично наблюдение?

Всяка оптична сензорна система следва една и съща верига: изпраща светлина, оставя околната среда да я модифицира, чете светлината, която се връща, и превръща промяната в измерване. Ето какво се случва на всеки етап.

1. Светлината преминава през влакното

Лазерен или широколентов източник изстрелва светлина - обикновено поредица от кратки импулси - в сърцевината на влакното, където пълното вътрешно отражение го държи насочено по дължината на кабела. В една сензорна система тази светлина е сондата: всичко, което я засяга по пътя й, се превръща в информация.

2. Околната среда променя светлината

Когато температурата, напрежението, налягането или вибрациите въздействат върху част от влакното, това леко променя стъклото - неговата дължина, неговия индекс на пречупване или разстоянието между вътрешните структури. Тези малки физически промени изместват едно или повече свойства на светлината: нейната дължина на вълната, интензитет, фаза, поляризация или спектъра на частта, която се разпръсква назад. Големината на отместването е пропорционална на силата на външния ефект, което прави възможно калибрираното измерване.

3. Светлината се отразява или разпръсква обратно

Част от светлината се връща към източника. В някои сензори то се отразява от целенасочена структура, записана във влакното, като влакнеста решетка на Bragg. В разпределените системи самото стъкло разпръсква слаб поток от светлина обратно по цялото влакно без добавени компоненти. Така или иначе, връщащата се светлина носи отпечатъка на всичко, което е действало върху влакното.

4. Разпитващо устройство чете и локализира сигнала

Инструмент, наречен запитващ (или демодулатор), измерва връщащата се светлина. За разпределени системи това също умножава колко време е необходимо на светлината, за да се върне - същата идея като при оптичния времев{2}}рефлектометър (OTDR). Тъй като скоростта на светлината във влакното е известна, времето за-обиколка определя местоположението на всяка промяна по кабела. След това устройството за запитване преобразува оптичната промяна в калибрирано отчитане на температура, напрежение или вибрация с прикрепена позиция.

Светлината навлиза, околната среда оставя своя отпечатък върху тази светлина, светлината се връща и запитващо устройство превръща промяната - и мястото, където е настъпила -, в измерване.

Основни видове оптични сензорни технологии

Отчитането на оптични влакна обикновено се групира в три групи въз основа на това колко точки по протежение на влакното могат да бъдат измерени и как се случва отчитането.

Точков оптичен сензор

Точков сензор измерва едно място. Специален чувствителен елемент реагира на един параметър - температура, налягане или ускорение, например - и дизайнът е прост и сравнително евтин.

Най-често срещаният пример евлакнеста Bragg решетка (FBG). Решетката е периодична промяна в индекса на пречупване на сърцевината на влакното, създадена чрез излагане на сърцевината на интензивен ултравиолетов интерференчен модел. Решетката отразява една конкретна дължина на вълната - дължината на вълната на Браг - и пропуска останалите. Когато напрежението разтяга решетката или топлината я разширява, разстоянието се променя и отразената дължина на вълната се измества; запитващият чете тази промяна и я преобразува в стойност. Близо до дължината на вълната от 1550 nm, отразената дължина на вълната на типичен FBG се движи от порядъка на един пикометър на микронапрежение на разтягане и няколко пикометра на градус Целзий на нагряване. Изследователските и аерокосмическите програми характеризират тази двойна чувствителност в детайли, включителноОценки на НАСА на вградени сензори за деформация на FBGпри повишени температури. Други точкови сензори включват лазерни жироскопи ифибро{0}}оптични сензори за магнитно полеза специализирани измервания.

Квази{0}}разпределено оптично отчитане

Една квази-разпределена система свързва няколко точкови сензора последователно по протежение на едно влакно - например поредица от FBG, всяка от които отразява малко по-различна дължина на вълната, така че запитващият да може да ги различи. След това едно влакно може да докладва температура, вибрации, налягане или напрежение на много отделни места наведнъж. Компромисът-е вграден във физиката: броят на сензорите на едно влакно е ограничен от честотната лента на източника и прозореца на дължината на вълната, който всяка решетка може да заеме, и влакното не усеща нищо в пролуките между елементите. Свързани подходи за-решетка с влакна, като напрдълго{0}}периодични решетъчни сензорни системи, следват подобни принципи с различно спектрално поведение.

Разпределено оптично наблюдение

Разпределената система използва голото влакно като непрекъснат сензор, без никакви дискретни сензорни точки. Той разчита на светлина, която се разпръсква естествено вътре в стъклото и разчита как тази разпръсната светлина се променя по цялата дължина. тримеханизми-за разсейване на светлинатасе използват, като всеки е подходящ за различни параметри:

• Релеево разсейванее еластичен процес, който не измества честотата на светлината. Той е най-силният от трите и е в основата на разпределеното акустично и вибрационно отчитане (DAS/DVS), където бързи, еднократни-измервания проследяват динамично напрежение като звук и вибрации.
• Раманово разсейванепроизвежда светлина, чийто интензитет е зависим от температурата, което го прави основата на разпределеното температурно отчитане (DTS).
• Разсейване на Брилюенсе измества в честотата както с напрежение, така и с температура, така че е в основата на разпределеното отчитане на напрежение и температура на големи разстояния.

Тъй като системата взема проби от цялото влакно, а не от фиксирани точки, един кабел може да осигури хиляди ефективно непрекъснати измервателни позиции на десетки километри. Това покритие е причината разпределеното наблюдение да се разрасне бързо за дълги, линейни активи, където проблем може да се появи навсякъде.

Точково срещу квази-разпределено срещу разпределено оптично отчитане

Трите семейства отговарят на различни въпроси. Точковото усещане пита "какво се случва на това място?"; quasi-distributed пита „какво се случва на тези известни места?“; distributed пита "какво се случва навсякъде по този маршрут?" Таблицата по-долу обобщава практическите разлики.

Често срещани приложения на фиброоптични сензори

• Мониторинг на тръбопроводи и откриване на течове.Влакно, положено по протежение на тръбопровод за нефт, газ или вода, може да обозначи изтичане като локална температурна аномалия (DTS) и да открие копаене или-смущения от трета страна като вибрационен подпис (DAS) - по-точна рамка от свободната фраза „нефт и газ“, използвана понякога за този случай на употреба.
• Периметърна и гранична охрана.Разпределеното разпознаване на вибрации открива и класифицира стъпки, превозни средства, катерене или копаене по линия на ограда или заровен маршрут, което е в основата нафибро{0}}откриване на проникване в периметъра.
• Мониторинг на захранващ кабел и мрежа.DTS проследява температурата на кабелите с високо{0}}напрежение, за да управлява натоварването и точните точки; за предистория вижте този преглед наразпределено наблюдение на температурата.
• Откриване на пожар в тунели и сгради.Непрекъснатото профилиране на температурата предизвиква аларма при точния измервателен уред, където топлината се покачва, много преди един-точков детектор да реагира.
• Мониторинг на структурно здраве.FBG и разпределеното отчитане на деформация измерват натоварването, деформацията и пукнатините в мостове, язовири, тунели и големи композитни конструкции през целия им експлоатационен живот.

• 

Предимства и ограничения на фиброоптичното наблюдение

Като всяка технология за измерване, оптичното отчитане е подходящо в някои ситуации и лошо в други. Поставянето на двете страни ясно прави избора по-лесен.

Къде се отличава:

• Имунизиран срещу електромагнитни смущения, тъй като чувствителната точка е пасивно стъкло без електроника в полето.
• Безопасен в експлозивни или корозивни среди, където електрическите сензори са рискови.
• Един кабел може да замени стотици дискретни сензори и тяхното окабеляване и служи като път за данни.
• Разпределените системи осигуряват непрекъснато покритие с местоположение, а не само изолирани показания.

Къде има ограничения:

• Устройството за запитване е скъпата част, така че кратките задачи с една-точка често са по-евтини с конвенционалните сензори.
• „Висока точност“ е условно. За разпределените системи, пространствената разделителна способност, обхватът на засичане и честотата на дискретизация се компромисират помежду си и "разпределени" не означава неограничена прецизност.
• Точността на позициониране зависи от метода на отчитане, начина, по който кабелът е насочен и свързан към структурата, честотата на вземане на проби, запитващото устройство и алгоритъма за анализ.
• Проектирането, инсталирането и интерпретацията изискват специализирана експертиза.

Как да изберете правилния оптичен метод за наблюдение

Започнете от въпроса, на който действително се нуждаете от отговор, след което го съпоставете с метод:

• Една критична точка, измерена точно- точков сензор като FBG.
• Няколко известни местоположения на структура- квази-разпределен FBG масив.
• Дълъг маршрут, където проблемите могат да се появят навсякъде- разпределена система: DTS за температура и пожар, DAS/DVS за вибрации и проникване, Brillouin за напрежение.

След като методът е ясен, сравнете специфични параметри, преди да купите: необходим обхват на засичане, пространствена разделителна способност, честота на измерване (частота на дискретизация), трасето на кабела и как ще бъде фиксиран към актива, както и съвместимост на запитващото устройство с влакното и сензорите, които планирате да разположите.