Знания

Волоконно-оптическое зондирование превращает обычное оптическое волокно в длинный непрерывный датчик. Вместо передачи только данных по волокну передается свет, свойства которого изменяются под воздействием температуры, напряжения, давления или вибрации на кабель. Считывая эти изменения, сенсорная система может сообщить о том, что происходит - и обычно точногдеэто происходит - на расстояниях от нескольких метров до десятков километров. В этом руководстве шаг за шагом объясняется, как работает эта технология, три основных типа и чем они отличаются, где подходит каждый из них, а также ограничения, которые стоит учитывать.

Что такое технология оптоволоконных датчиков?

Оптоволоконное зондирование — это метод измерения, в котором в качестве чувствительного элемента используется само оптическое волокно. Источник света излучает свет в волокно; По мере распространения света внешние условия слегка изменяют его интенсивность, длину волны, фазу, поляризацию или способ его рассеяния внутри стекла. Прибор на конце волокна считывает эти изменения и преобразует их в физические измерения, такие как температура, деформация или вибрация.

Поскольку точка считывания сделана из стекла и не пропускает электрический ток, оптоволоконные датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам и безопасны для использования во взрывоопасных или химически агрессивных средах. - качества важны для трубопроводов, энергосистем, туннелей и мостов, где электрические датчики плохо работают. Одно и то же волокно может служить и датчиком, и каналом прохождения сигнала, что упрощает полевое оборудование. Волокно обычно стандартное.одномодовое-оптическое волокнодля деформационных, акустических и бриллюэновских систем, тогда как рамановские системы,-только температурные, часто работают по многомодовому оптоволокну.

Как работает технология оптоволоконного зондирования?

Каждая волоконно-оптическая сенсорная система следует одной и той же цепочке: посылайте свет, позволяйте окружающей среде модифицировать его, считывайте возвращающийся свет и преобразуйте изменения в измерения. Вот что происходит на каждом этапе.

1. Свет распространяется по волокну

Лазерный или широкополосный источник излучает свет -, обычно серию коротких импульсов - в сердцевину волокна, где полное внутреннее отражение направляет его по длине кабеля. В сенсорной системе этот свет является зондом: все, что воздействует на него на пути, становится информацией.

2. Окружающая среда меняет свет

Когда температура, деформация, давление или вибрация воздействуют на участок волокна, они слегка изменяют стекло - его длину, показатель преломления или расстояние между внутренними структурами. Эти небольшие физические изменения изменяют одно или несколько свойств света: его длину волны, интенсивность, фазу, поляризацию или спектр той части света, которая рассеивается назад. Размер сдвига пропорционален силе внешнего воздействия, что делает возможным калиброванное измерение.

3. Свет отражается или рассеивается обратно.

Часть света возвращается к источнику. В некоторых датчиках оно отражается специальной структурой, записанной в волокне, например волоконной брэгговской решеткой. В распределенных системах стекло само рассеивает слабый поток света обратно по всему волокну без каких-либо дополнительных компонентов. В любом случае, возвращающийся свет несет в себе отпечаток того, что воздействовало на волокно.

4. Следователь считывает и находит сигнал.

Прибор, называемый запросчиком (или демодулятором), измеряет возвращающийся свет. Для распределенных систем также учитывается время, необходимое свету, чтобы вернуться обратно - по той же идее, что и в оптическом-рефлектометре во временной области (OTDR). Поскольку скорость света в волокне известна, время прохождения туда и обратно- точно определяет место каждого изменения вдоль кабеля. Затем опросчик преобразует оптическое изменение в калиброванные показания температуры, деформации или вибрации с указанием местоположения.

Свет проникает, окружающая среда оставляет на этом свете свой след, свет возвращается, и исследователь превращает изменение - и место его возникновения - в измерение.

Основные типы волоконно-оптических сенсорных технологий

Волоконно-оптические датчики обычно группируются в три семейства в зависимости от того, сколько точек вдоль волокна можно измерить и как происходит обнаружение.

Точечное оптоволоконное зондирование

Точечный датчик измеряет одно местоположение. Специальный чувствительный элемент реагирует на один параметр -, температуру, давление или ускорение, например -, а его конструкция проста и относительно недорога.

Наиболее распространенным примером являетсяволоконная решетка Брэгга (ВБР). Решетка — это периодическое изменение показателя преломления сердцевины волокна, создаваемое путем воздействия на сердцевину интенсивного ультрафиолетового интерференционного излучения. Решетка отражает одну определенную длину волны - длину волны Брэгга - и пропускает остальные. Когда деформация растягивает решетку или тепло расширяет ее, расстояние меняется и отраженная длина волны смещается; запросчик считывает этот сдвиг и преобразует его в значение. Вблизи длины волны 1550 нм отраженная длина волны типичной ВБР перемещается примерно на один пикометр на микродеформацию растяжения и на несколько пикометров на градус Цельсия при нагревании. Исследовательские и аэрокосмические программы подробно охарактеризовали эту двойную чувствительность, в том числеОценки НАСА встроенных датчиков деформации ВБРпри повышенных температурах. Другие точечные датчики включают лазерные гироскопы иволоконно-оптические-датчики магнитного полядля специализированных измерений.

Квази-распределенное оптоволоконное зондирование

Квази-распределенная система соединяет несколько точечных датчиков последовательно по одному волокну -, например, цепочку ВБР, каждая из которых отражает слегка отличающуюся длину волны, чтобы исследователь мог отличить их друг от друга. Затем одно волокно может сообщать о температуре, вибрации, давлении или деформации во многих отдельных местах одновременно. Компромисс-заложен в физике: количество датчиков в одном волокне ограничено полосой пропускания источника и окном длин волн, которое может занимать каждая решетка, а волокно ничего не воспринимает в промежутках между элементами. Сопутствующие подходы к использованию волоконных-решеток, напримеррешетчатые чувствительные системы с длинным-периодом, следуют аналогичным принципам с различным спектральным поведением.

Распределенное оптоволоконное зондирование

Распределенная система использует голое волокно в качестве непрерывного датчика без каких-либо дискретных точек измерения. Он опирается на свет, который естественным образом рассеивается внутри стекла, и считывает, как этот рассеянный свет изменяется по всей длине. Тримеханизмы-рассеяния светаиспользуются каждый из них подходит для разных параметров:

• Рэлеевское рассеяниепредставляет собой упругий процесс, который не меняет частоту света. Это самый мощный из трех методов, лежащий в основе распределенного измерения акустики и вибрации (DAS/DVS), при котором быстрые однократные-измерения отслеживают динамические нагрузки, такие как звук и вибрация.
• Комбинационное рассеяниеизлучает свет, интенсивность которого зависит от температуры, что делает его основой распределенного измерения температуры (DTS).
• Бриллюэновское рассеяниечастота сдвигов зависит как от деформации, так и от температуры, поэтому она лежит в основе распределенного измерения деформации и температуры на больших расстояниях.

Поскольку система осуществляет выборку всего волокна, а не фиксированных точек, один кабель может обеспечить тысячи эффективных непрерывных измерений на расстоянии десятков километров. Этот охват является причиной быстрого распространения распределенного зондирования для длинных линейных активов, где проблема может возникнуть где угодно.

Точечное или квази-распределенное и распределенное оптоволоконное зондирование

Три семьи отвечают на разные вопросы. Точечное зондирование спрашивает: «Что происходит в этом месте?»; квази-распределенный спрашивает: «Что происходит в этих известных точках?»; распределенный спрашивает: «Что происходит где-нибудь на этом маршруте?» В таблице ниже суммированы практические различия.

Общие применения оптоволоконных датчиков

• Мониторинг трубопроводов и обнаружение утечек.Волокно, проложенное вдоль нефте-, газо- или водопровода, может сигнализировать об утечке как о локальной температурной аномалии (DTS) и обнаруживать землеройные работы или помехи третьих лиц с помощью вибрационной сигнатуры (DAS) -, что является более точным определением, чем расплывчатая фраза «нефть и газ», иногда используемая в этом случае.
• Охрана периметра и границ.Распределенное распознавание вибрации обнаруживает и классифицирует шаги, транспортные средства, подъем или копание вдоль линии забора или подземного маршрута, что является основойобнаружение вторжений по оптоволоконному-оптическому периметру.
• Мониторинг силового кабеля и сети.DTS отслеживает температуру высоковольтных-кабелей, чтобы управлять нагрузкой и определять точки перегрева; для справки см. этот обзорраспределенный контроль температуры.
• Обнаружение пожара в туннелях и зданиях.Непрерывное профилирование температуры подает сигнал тревоги именно на том счетчике, где повышается температура, задолго до того, как сработает один-точечный детектор.
• Структурный мониторинг здоровья.ВБР и распределенное измерение деформации измеряют нагрузку, прогибы и трещины в мостах, плотинах, туннелях и крупных композитных конструкциях на протяжении всего срока их службы.

• 

Преимущества и ограничения оптоволоконного зондирования

Как и любая технология измерения, оптоволоконные датчики хорошо подходят в одних ситуациях и плохо подходят в других. Четкое расположение обеих сторон облегчает выбор.

В чем он превосходен:

• Невосприимчивость к электромагнитным помехам, поскольку точка чувствительности представляет собой пассивное стекло без какой-либо электроники в поле.
• Безопасно во взрывоопасных или агрессивных средах, где электрические датчики представляют опасность.
• Один кабель может заменить сотни отдельных датчиков и их проводку, а также служит каналом передачи данных.
• Распределенные системы обеспечивают непрерывное определение местоположения, а не только отдельные показания.

Где есть ограничения:

• Опросчик – самая дорогая деталь, поэтому короткие-работы по одной точке часто обходятся дешевле с использованием обычных датчиков.
• «Высокая точность» — условно. Для распределенных систем пространственное разрешение, дальность действия и частота дискретизации взаимозависимы, и «распределенный» не означает неограниченную точность.
• Точность позиционирования зависит от метода измерения, способа прокладки кабеля и его соединения с конструкцией, частоты дискретизации, опросника и алгоритма анализа.
• Проектирование, установка и интерпретация требуют специальных знаний.

Как выбрать правильный метод оптоволоконного датчика

Начните с вопроса, на который вам действительно нужен ответ, а затем сопоставьте его с методом:

• Одна критическая точка, точно измеренная- точечный датчик, например ВБР.
• Несколько известных мест на строении- квази-распределенный массив ВБР.
• Длинный путь, где неприятности могут появиться где угодно- распределенная система: DTS для температуры и пожара, DAS/DVS для вибрации и проникновения, Бриллюэна для деформации.

Как только метод будет понятен, сравните конкретные параметры перед покупкой: требуемый диапазон измерения, пространственное разрешение, частоту измерения (частоту выборки), трассу кабеля и способ его крепления к объекту, а также совместимость опросчика с волокном и датчиками, которые вы планируете развернуть.