Tudás

A száloptikai érzékelés egy közönséges optikai szálat hosszú, folyamatos érzékelővé alakít. Ahelyett, hogy csak adatokat hordozna, a szál fényt hordoz, amelynek tulajdonságai megváltoznak, amikor hőmérséklet, feszültség, nyomás vagy vibráció hat a kábelre. Ha elolvassa ezeket a változtatásokat, az érzékelő rendszer képes jelenteni, hogy mi történik -, és általában pontosanaholnéhány métertől több tíz kilométerig terjedő távolságokban történik -. Ez az útmutató lépésről lépésre bemutatja a technológia működését, a három fő típust és azok különbségét, hova illeszkedik, és milyen korlátokat érdemes tervezni.

Mi az a száloptikai érzékelő technológia?

A száloptikai érzékelés egy olyan mérési módszer, amely magát az optikai szálat használja érzékelő elemként. A fényforrás fényt bocsát a szálba; ahogy a fény halad, a külső körülmények kissé megváltoztatják annak intenzitását, hullámhosszát, fázisát, polarizációját vagy azt, ahogyan az üvegben szóródik. A szál végén található műszer leolvassa ezeket a változásokat, és fizikai mérésekké alakítja át őket, például hőmérséklet, alakváltozás vagy rezgés.

Mivel az érzékelőpont üvegből készült, és nem hordoz elektromos áramot, a száloptikai érzékelő immunis az elektromágneses interferenciára, és biztonságosan alkalmazható robbanásveszélyes vagy kémiailag agresszív környezetben -, amelyek fontosak a csővezetékeken, energiarendszereken, alagutakban és hidakon, ahol az elektromos érzékelők küzdenek. Ugyanaz a szál szolgálhat érzékelőként és jelútként is, ami egyszerűvé teszi a terepi hardvert. A szál általában szabványosegymódusú{0}}optikai szálfeszültség-, akusztikus és Brillouin-rendszerekhez, míg a hőmérséklet{0}}csak Raman-rendszerek gyakran többmódusú szálon futnak.

Hogyan működik a száloptikai érzékelő technológia?

Minden száloptikai érzékelőrendszer ugyanazt a láncot követi: fényt küld be, hagyja, hogy a környezet módosítsa, leolvassa a visszatérő fényt, és a változást méréssé alakítsa át. Íme, mi történik az egyes szakaszokban.

1. A fény áthalad a szálon

A lézer- vagy szélessávú forrás fényt - általában rövid impulzusok sorozatát - bocsát ki a szálmagba, ahol a teljes belső visszaverődés vezetve tartja azt a kábel hosszában. Egy érzékelő rendszerben ez a fény a szonda: bármi, ami ráhat az úton, információvá válik.

2. A környezet megváltoztatja a fényt

Amikor a hőmérséklet, a feszültség, a nyomás vagy a rezgés hat a szál egy szakaszára, kissé megváltoztatja az üveg - hosszát, törésmutatóját vagy a belső szerkezetek közötti távolságot. Ezek a kis fizikai változások megváltoztatják a fény egy vagy több tulajdonságát: hullámhosszát, intenzitását, fázisát, polarizációját vagy a visszafelé szóródó rész spektrumát. Az eltolás nagysága arányos a külső hatás erősségével, ez teszi lehetővé a kalibrált mérést.

3. A fény visszaverődik vagy szétszóródik

A fény egy része visszatér a forrás felé. Egyes érzékelőkben a szálba írt szándékos struktúra, például egy szálas Bragg-rács tükrözi. Az elosztott rendszerekben maga az üveg halvány fénysugarat szór vissza a teljes szál mentén, hozzáadott összetevők nélkül. Akárhogy is, a visszatérő fény hordozza annak ujjlenyomatát, ami a szálon hatott.

4. A kérdező beolvassa és megkeresi a jelet

Egy lekérdezőnek (vagy demodulátornak) nevezett műszer méri a visszatérő fényt. Elosztott rendszerek esetén azt is megszorozza, hogy mennyi idő alatt tér vissza a fény - ugyanaz, mint az optikai idő-tartomány-reflektorométer (OTDR). Mivel a fénysebesség a szálban ismert, a kör-útvonal pontosan meghatározza a kábel mentén bekövetkező minden változás helyét. A lekérdező ezután az optikai változást a hőmérséklet, alakváltozás vagy rezgés kalibrált leolvasott értékévé alakítja, egy hozzárendelt pozícióval.

A fény bemegy, a környezet rányomja a bélyegét a fényre, a fény visszajön, és egy lekérdező a változást - és azt, hogy hol történt - méréssé változtatja.

A száloptikai érzékelőtechnológiák fő típusai

A száloptikai érzékelést általában három családba sorolják az alapján, hogy a szál mentén hány pont mérhető, és hogyan történik az érzékelés.

Pontszálas optikai érzékelés

Egy pontérzékelő egyetlen helyet mér. Egy dedikált érzékelőelem egy - hőmérséklet, nyomás vagy gyorsulás paraméterre reagál, például -, és a kialakítás egyszerű és viszonylag alacsony költségű.

A leggyakoribb példa arostos Bragg rács (FBG). A rács a szálmag törésmutatójának periodikus változása, amelyet úgy hoznak létre, hogy a magot intenzív ultraibolya interferencia mintának teszik ki. A rács egy meghatározott hullámhosszt - a Bragg hullámhosszát - tükröz, és a többit átengedi. Amikor a rács nyúlik, vagy a hő kitágul, a térköz megváltozik és a visszavert hullámhossz eltolódik; a lekérdező beolvassa ezt a shiftet, és értékké alakítja. Az 1550 nm-es hullámhossz közelében egy tipikus FBG visszavert hullámhossza nyúlásonként egy pikométer nagyságrendben mozog, és több pikométer per Celsius-fok. A kutatási és repülési programok részletesen jellemezték ezt a kettős érzékenységet, többek közöttNASA értékelések a beágyazott FBG nyúlásérzékelőkrőlemelt hőmérsékleten. További pontérzékelők közé tartoznak a lézergiroszkópok ésoptikai{0}}mágneses térérzékelőkspeciális mérésekhez.

Kvázi-Elosztott optikai érzékelő

Egy kvázi-elosztott rendszer több pontérzékelőt köt sorba egy szál mentén -, például egy FBG-sorozatot, amelyek mindegyike kissé eltérő hullámhosszt tükröz, így a lekérdező képes megkülönböztetni őket. Egy szál ezután egyszerre több különálló helyen is jelezheti a hőmérsékletet, a rezgést, a nyomást vagy a feszültséget. A kompromisszum a fizikába van beépítve: az egyetlen szálon lévő érzékelők számát korlátozza a forrás sávszélessége és az egyes rácsok által elfoglalható hullámhossz-ablak, és a szál semmit sem érzékel az elemek közötti résekben. Kapcsolódó szálrácsos-megközelítések, mint plhosszú{0}}periódusú rácsérzékelő rendszerek, hasonló elveket követnek eltérő spektrális viselkedéssel.

Elosztott optikai érzékelő

Az elosztott rendszer a csupasz szálat folyamatos érzékelőként használja, diszkrét érzékelőpontok nélkül. A fényre támaszkodik, amely természetesen szóródik az üveg belsejében, és leolvassa, hogyan változik a szórt fény a teljes hosszon. Háromfényszóró{0}}mechanizmusokhasználatosak, mindegyik más-más paraméterhez igazodik:

• Rayleigh szórásaegy rugalmas folyamat, amely nem változtatja meg a fény frekvenciáját. Ez a három közül a legerősebb, és az elosztott akusztikus és rezgésérzékelés (DAS/DVS) alapja, ahol a gyors, egyetlen felvételes mérések nyomon követik a dinamikus igénybevételt, például a hangot és a rezgést.
• Raman szórásaolyan fényt állít elő, amelynek intenzitása hőmérsékletfüggő, így ez az elosztott hőmérséklet-érzékelés (DTS) alapja.
• Brillouin-szórásfrekvencia eltolódik feszültséggel és hőmérséklettel egyaránt, így támogatja az elosztott feszültség- és hőmérsékletérzékelést nagy távolságokon.

Mivel a rendszer mintát vesz a teljes szálról, nem pedig a rögzített pontokról, egyetlen kábel több tíz kilométeren keresztül több ezer hatékonyan folyamatos mérési pozíciót képes biztosítani. Ez az oka annak, hogy az elosztott érzékelés gyorsan nőtt a hosszú, lineáris eszközök esetében, ahol a probléma bárhol megjelenhet.

Pont és kvázi{0}}Elosztott vs elosztott optikai érzékelő

A három család különböző kérdésekre válaszol. A pontérzékelés megkérdezi, hogy "mi történik ezen az egy helyen?"; kvázi-distributed megkérdezi, hogy "mi történik ezeken az ismert helyeken?"; terjesztett megkérdezi: "Mi történik bárhol ezen az útvonalon?" Az alábbi táblázat összefoglalja a gyakorlati különbségeket.

A száloptikai érzékelés gyakori alkalmazásai

• Csővezeték-felügyelet és szivárgásérzékelés.Egy olaj-, gáz- vagy vízvezeték mentén elhelyezett szál a szivárgást helyi hőmérsékleti anomáliának (DTS) jelölheti meg, és vibrációs aláírásként (DAS) észlelheti az ásást vagy a harmadik fél általi interferenciát -, ami pontosabb, mint az erre a használati esetre néha használt laza „olaj és gáz” kifejezés.
• Határ- és határvédelem.Az elosztott rezgésérzékelés észleli és osztályozza a lépteket, járműveket, mászást vagy ásást kerítésvonalon vagy eltemetett útvonalon, ami az alapjaoptikai szál{0}}behatolás észlelése.
• Tápkábel és hálózati felügyelet.A DTS nyomon követi a nagyfeszültségű{0}}kábelek hőmérsékletét a terhelés és a spot hot spotok kezelése érdekében; a háttérért lásd ezt az áttekintéstelosztott hőmérséklet-figyelés.
• Alagút- és épülettűzészlelés.A folyamatos hőmérséklet-profilozás riasztást ad pontosan azon a mérőnél, ahol a hő emelkedik, jóval azelőtt, hogy egy{0}}pontos érzékelő reagálna.
• Szerkezeti állapotfigyelés.Az FBG-k és az elosztott nyúlásérzékelő mérik a terhelést, az elhajlást és a repedéseket hidakban, gátakban, alagutakban és nagyméretű kompozit szerkezetekben élettartamuk során.

• 

A száloptikai érzékelés előnyei és korlátai

Mint minden mérési technológia, a száloptikai érzékelés bizonyos helyzetekben erősen illeszkedik, míg más esetekben rosszul. Ha mindkét oldalt kihúzza, akkor a kiválasztás könnyebbé válik.

Ahol kiemelkedő:

• Immunis az elektromágneses interferenciára, mivel az érzékelési pont passzív üveg, a térben nincs elektronika.
• Biztonságos robbanásveszélyes vagy korrozív környezetben, ahol az elektromos érzékelők kockázatosak.
• Egy kábel több száz diszkrét érzékelőt és azok bekötését helyettesítheti, valamint adatútként is szolgál.
• Az elosztott rendszerek folyamatos lefedettséget biztosítanak a helyadatokkal, nem csak az elszigetelt leolvasásokkal.

Ahol vannak határai:

• A lekérdező a drága alkatrész, így a rövid, egypontos{0}}feladatok gyakran olcsóbbak a hagyományos érzékelőkkel.
• A „nagy pontosság” feltételes. Az elosztott rendszerek esetében a térbeli felbontás, az érzékelési tartomány és a mintavételezési frekvencia kiegyezik egymással, és az "elosztott" nem jelent korlátlan pontosságot.
• A pozicionálás pontossága függ az érzékelési módszertől, a kábel elvezetésétől és a szerkezethez való csatlakoztatásától, a mintavételi gyakoriságtól, a lekérdező készüléktől és az elemzési algoritmustól.
• A tervezés, a telepítés és a tolmácsolás speciális szakértelmet igényel.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő száloptikai érzékelő módszert

Kezdje azzal a kérdéssel, amelyre valóban meg kell válaszolni, majd párosítsa egy módszerrel:

• Egy kritikus pont, pontosan mérve- pontérzékelő, például FBG.
• Néhány ismert hely egy szerkezeten- egy kvázi-elosztott FBG tömb.
• Hosszú út, ahol a baj bárhol megjelenhet- elosztott rendszer: DTS a hőmérsékletre és tűzre, DAS/DVS a vibrációra és a behatolásra, Brillouin a feszültségre.

Ha a módszer világos, vásárlás előtt hasonlítsa össze a konkrét paramétereket: a szükséges érzékelési tartományt, a térbeli felbontást, a mérési frekvenciát (mintavételi frekvenciát), a kábel útvonalát és az eszközhöz való rögzítés módját, valamint a lekérdező kompatibilitását a telepíteni kívánt szállal és érzékelőkkel.