Ως επαγγελματίας μηχανικός, θα ήθελα να μοιραστώ μερικές πρακτικές πληροφορίες σχετικά με το FBG Fiber Bragg Grating-πώς λειτουργεί, σε τι είναι καλό και πού ταιριάζει μεταξύ της οπτικής ίνας επικοινωνίας και της ίνας ανίχνευσης. Ξεκινώντας από τα απλά βασικά και τελειώνοντας με μια πραγματική περίπτωση παρακολούθησης της δύναμης προεντεταμένου καλωδίου σε γυάλινους τοίχους, αυτό το άρθρο θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε γρήγορα πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν εξωτερικά τοποθετημένοι αισθητήρες FBG Fiber Bragg Grating για την παρακολούθηση της ασφάλειας της πρόσοψης με ακριβή,-μακροπρόθεσμο και μη{3}}τρόπο.
Τι είναι το Fiber Bragg Grating;
Το FBG Fiber Bragg Grating είναι ένα σύντομο τμήμα του πυρήνα οπτικών ινών όπου αναγράφονται περιοδικά κρόσσια δείκτη διάθλασης, έτσι αυτό το κομμάτι ίνας αντανακλά έντονα μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος και αφήνει όλα τα άλλα μήκη κύματος να περάσουν. Εξακολουθεί να μοιάζει με μια συνηθισμένη ίνα μονής-λειτουργίας, αλλά λειτουργεί ως ένας μικροσκοπικός επιλεκτικός καθρέφτης-μήκους κύματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οπτικό φιλτράρισμα στην επικοινωνία και για μετατροπή τάσης/θερμοκρασίας σε μετατοπίσεις μήκους κύματος στην ανίχνευση.
Βασική ιδέα του FBG Fiber Bragg Grating
Το Fiber Bragg Grating είναι ουσιαστικά μια περιοδική διαμόρφωση δείκτη διάθλασης γραμμένη κατά μήκος του πυρήνα της ίνας, συνήθως χρησιμοποιώντας λέιζερ UV και μάσκα φάσης. Όταν το ευρυζωνικό φως διέρχεται, μόνο τα μήκη κύματος που πληρούν τη συνθήκη πλέγματος ανακλώνται έντονα, επομένως το ανακλώμενο κεντρικό μήκος κύματος μπορεί να αντιμετωπιστεί ως αναγνώσιμη "ετικέτα" για επικοινωνία ή ανίχνευση.
Αρχή λειτουργίας (συνθήκη Bragg και μήκος κύματος ανάκλασης)
Η συμπεριφορά του πλέγματος bragg οπτικών ινών ακολουθεί τη συνθήκη Bragg λ_B=2 n_eff Λ, όπου λ_B είναι το ανακλώμενο μήκος κύματος, n_eff ο ενεργός δείκτης διάθλασης και Λ η περίοδος πλέγματος. Η εξωτερική καταπόνηση και η θερμοκρασία αλλάζουν ελαφρώς τα n_eff και Λ, προκαλώντας μικροσκοπικές αλλά μετρήσιμες μετατοπίσεις στο λ_B, που είναι η φυσική βάση της αίσθησης πλέγματος οπτικών ινών bragg.
Σχέση και διαφορές με τη συνηθισμένη οπτική ίνα
Το πλέγμα bragg οπτικών ινών δεν είναι ένα νέο υλικό, αλλά μια τοπική δομική τροποποίηση σε τυπικές ίνες: ίδια γυαλί και διάμετρος, με μόνο μερικά χιλιοστά έως εκατοστά του πυρήνα να διαμορφώνονται περιοδικά. Η συνηθισμένη ίνα παρέχει κυρίως μετάδοση χαμηλών-απωλειών, ενώ το τμήμα Fiber Bragg Grating γίνεται μια στενής ζώνης ανακλαστική οπτική συσκευή-το αληθινό αισθητήριο στοιχείο-που συνδέεται με την υπόλοιπη ίνα ως διαδρομή μετάδοσης.
Κοινοί τύποι πλέγματος ινών Bragg FBG
Οι συνήθεις τύποι σχάρων Bragg Fiber FBG περιλαμβάνουν ομοιόμορφες σχάρες (σταθερή περίοδος, μονή στενή κορυφή ανάκλασης), πλέγματα με κελαηδήματα (μεταβλητή περίοδος, ανάκλαση ευρείας ζώνης για διασπορά ή ευρεία-απόκριση εύρους) και συστοιχίες τριψίματος (πολλαπλές σχάρες με διαφορετικά κεντρικά μήκη κύματος σε μία ίνα) για πολλαπλό μήκος κύματος{1}}{2}.
Βασικές παράμετροι απόδοσης του FBG Fiber Bragg Grating
Οι βασικές παράμετροι του πλέγματος bragg οπτικών ινών είναι το μήκος κύματος ανάκλασης, το εύρος ζώνης, η ανακλαστικότητα και η ευαισθησία. Στην ανίχνευση, μας ενδιαφέρει κυρίως η ακρίβεια του μήκους κύματος (στενό εύρος ζώνης, καλή ανακλαστικότητα) και πόσο ισχυρά ανταποκρίνεται στην καταπόνηση και τη θερμοκρασία, μαζί με τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και την αντοχή στην κόπωση, που καθορίζουν εάν η συσκευή είναι κατάλληλη για πραγματική μηχανική χρήση.
Σε τι χρησιμοποιείται το FBG Fiber Bragg Grating; – Τυπικές εφαρμογές από τις επικοινωνίες έως την ανίχνευση
Το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό του πλέγματος bragg οπτικών ινών είναι ότι είναι και έναοπτικό φίλτροκαι ααισθητήριο στοιχείο. Εφόσον χρησιμοποιούμε τις δύο βασικές του ιδιότητες-αντανακλά μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος και αυτό το μήκος κύματος μετατοπίζεται όταν αλλάζει το περιβάλλον-μπορούμε να σχεδιάσουμε πολλά είδη εφαρμογών. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών για φιλτράρισμα, διαίρεση μήκους κύματος και αντιστάθμιση διασποράς. Αργότερα, οι μηχανικοί συνειδητοποίησαν πόσο ευαίσθητο είναι στην καταπόνηση και τη θερμοκρασία και έχει γίνει μια βασική τεχνολογία ανίχνευσης σε βιομηχανίες παρακολούθησης της υγείας των κατασκευών, ηλεκτρικής ενέργειας, καλωδίων και σωληνώσεων.
FBG Fiber Bragg Grating στις επικοινωνίες: φιλτράρισμα, WDM και αντιστάθμιση διασποράς
Στα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, μια μεμονωμένη ίνα συχνά μεταφέρει πολλά κανάλια μήκους κύματος ταυτόχρονα, επομένως πρέπει να «επιλέξουμε» με ακρίβεια ένα ή περισσότερα μήκη κύματος ή να αντιμετωπίσουμε διαφορετικά ορισμένα μήκη κύματος. Ως ανακλαστήρας στενής ζώνης, το Fiber Bragg Grating είναι ιδανικό ως οπτικό φίλτρο: το φως ευρείας ζώνης εισέρχεται, μόνο μια μικρή ζώνη γύρω από το μήκος κύματος Bragg ανακλάται και το υπόλοιπο περνά μέσα από αυτό. Διαθέτοντας πολλαπλές συσκευές πλέγματος οπτικών ινών bragg με διαφορετικά κεντρικά μήκη κύματος, μπορούμε να συνειδητοποιήσουμεWDM/DEMUXκαι διαχωρίστε τα κανάλια ανά μήκος κύματος. Οι συσκευές πλέγματος bragg οπτικών ινών που κελαηδούν παρέχουν ευρυζωνική αντανάκλαση και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αντιστάθμιση διασποράς σε μακριές συνδέσεις. Στις επικοινωνίες, το Fiber Bragg Grating συμπεριφέρεται σαν ένα παθητικό οπτικό στοιχείο, παρόμοιο με τα φίλτρα, τις σχάρες και τις μονάδες WDM.
FBG Fiber Bragg Σχάρα ανίχνευσης: καταπόνηση, θερμοκρασία, πίεση και δόνηση
Όταν μετατοπίζουμε την εστίασή μας από το "φιλτράρισμα" στη "μετακίνηση μήκους κύματος", το πλέγμα ινών Bragg FBG γίνεται αισθητήρας υψηλής-ακρίβειας. Η εξωτερική τάση (τάση/συμπίεση) αλλάζει το μήκος της ίνας και τον δείκτη διάθλασης και η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης το μήκος κύματος Bragg μέσω θερμικής διαστολής και θερμο{2}}οπτικής επίδρασης, επομένως παρακολουθώντας το ανακλώμενο μήκος κύματος σε πραγματικό χρόνο μπορούμε να συμπεράνουμε την τάση και τη θερμοκρασία. Με κατάλληλο μηχανικό σχεδιασμό και συσκευασία, το πλέγμα bragg οπτικών ινών μπορεί επίσης να μετρήσει έμμεσα την πίεση, το φορτίο, την επιτάχυνση και τους κραδασμούς-για παράδειγμα, κολλώντας το σε δοκούς, πλάκες, ράβδους ή ρουλεμάν ή ενσωματώνοντάς το σε ελαστικά στοιχεία, έτσι ώστε οι μικροσκοπικές παραμορφώσεις να γίνονται μετατοπίσεις μήκους κύματος. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς αισθητήρες, η ανίχνευση Fiber Bragg Grating επιτρέπει την εγγραφή πολλών σχάρων σε σειρά σε μία ίνα, επιτρέποντας τη μέτρηση πολλαπλών-σημείων ή σχεδόν-κατανεμημένων κατά μήκος μιας γραμμής.
FBG Fiber Bragg Grating in structural health monitoring (SHM): γέφυρες, σήραγγες, ανεμογεννήτριες, κτίρια
Στην παρακολούθηση της δομικής υγείας, το FBG Fiber Bragg Grating έχει γίνει μια πολύ ώριμη τεχνική διαδρομή. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν παρακολούθηση δύναμης καλωδίου καλωδίων στήριξης γεφυρών και κρεμάστρες (τοποθέτηση πλέγματος οπτικών ινών bragg στο καλώδιο, αγκύρωσης ή αποκλειστικής κυψέλης φόρτωσης για παρακολούθηση της τάσης του καλωδίου με την πάροδο του χρόνου), παρακολούθηση παραμόρφωσης επένδυσης και σύγκλισης σε σήραγγες και δομές μετρό (τοποθέτηση οπτικών ινών bragg bragg σε σχάρα και strain). παρακολούθηση σε πτερύγια και πύργους ανεμογεννητριών για εκτίμηση κόπωσης και προειδοποίηση σφαλμάτων και μακροπρόθεσμη διαδικτυακή παρακολούθηση δυνάμεων και μετατοπίσεων σε βασικά μέλη, αρθρώσεις και καλώδια πολυώροφων-κτηρίων, διαστημικών δοκών και γυάλινων κουρτινών. Εδώ, το Fiber Bragg Grating ξεχωρίζει χάρη στην αντοχή του στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, στη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις, στην πολυπλεξία πολλαπλών-σημείων και στην καταλληλότητά του για μακροπρόθεσμη ενσωματωμένη ή κρυφή εγκατάσταση.
Σχάρα FBG Fiber Bragg σε ενεργειακές και βιομηχανικές εφαρμογές: ρεύμα, καλώδια, σωληνώσεις
Στον ενεργειακό και βιομηχανικό τομέα, το FBG Fiber Bragg Grating παίζει επίσης σημαντικό ρόλο. Στα συστήματα ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παρακολούθηση θερμοκρασίας περιέλιξης μετασχηματιστή, παρακολούθηση θερμοκρασίας ζυγού και παρακολούθηση κατάστασης εξοπλισμού GIS, ξεπερνώντας την πολυπλοκότητα της καλωδίωσης και την κακή-απόδοση των θερμοστοιχείων και των RTD κατά των παρεμβολών σε περιβάλλοντα υψηλής-τάσης. Σε εφαρμογές καλωδίων, το πλέγμα bragg οπτικών ινών μπορεί να ενσωματωθεί ή να προσαρτηθεί σε καλώδια τροφοδοσίας υψηλής τάσης, υβριδικά καλώδια τροφοδοσίας-και υποβρύχια καλώδια για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας λειτουργίας και της καταπόνησης κάμψης, ακόμη και για τον εντοπισμό σημείων πρόσβασης κατά μήκος της διαδρομής. Στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου και στη χημική βιομηχανία, οι αισθητήρες πλέγματος οπτικών ινών μπορούν να συνδεθούν ή να ενσωματωθούν σε αγωγούς μεγάλων αποστάσεων, δοχεία πίεσης και δεξαμενές αποθήκευσης για την παρακολούθηση ανωμαλιών που σχετίζονται με την πίεση, την καταπόνηση και τη διαρροή-. Επειδή η ίνα δεν είναι{10}}αγώγιμη, ανθεκτική στη διάβρωση και είναι ικανή για μετάδοση σε μακριές
FBG Fiber Bragg Ανίχνευση πλέγματος έναντι παραδοσιακής ηλεκτρικής ανίχνευσης
Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρικούς αισθητήρες, όπως μετρητές καταπόνησης αντίστασης, θερμοστοιχεία και μετατροπείς τύπου-τάσης/ρεύματος, η ανίχνευση πλέγματος ινών Bragg FBG έχει μια βασική διαφορά: χρησιμοποιεί μήκος κύματος αντί για τάση ή αντίσταση ως σήμα. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι:
- Ισχυρές αντι-παρεμβολές – το σήμα μεταφέρεται από το φως σε μια οπτική ίνα και είναι απρόσβλητο σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, ιδανικό για περιβάλλοντα υψηλής-τάσης και ισχυρής-ΗΜ.
- Πολυπλεξία μεγάλων αποστάσεων, πολλών-σημείων – πολλοί διαφορετικοί-αισθητήρες πλέγματος οπτικών ινών bragg μήκους κύματος μπορούν να ενταχθούν σε μία ίνα και να μοιράζονται ένα ενιαίο ερωτητήριο, βολικό για παρακολούθηση πολλών- σημείων μεγάλων αποστάσεων.
- Ασφάλεια και μόνωση – η ίδια η ίνα είναι μη-αγώγιμη και χωρίς σπινθήρες-, κατάλληλη για εκρηκτικές ατμόσφαιρες.
- Μακροπρόθεσμη-σταθερότητα και περιβαλλοντική αντοχή – με κατάλληλη συσκευασία, το Fiber Bragg Grating μπορεί να λειτουργήσει για χρόνια σε υγρά, διαβρωτικά ή ακτινοβολίας περιβάλλοντα.
Φυσικά, το Fiber Bragg Grating δεν είναι "τέλειο από κάθε άποψη": οι μεμονωμένοι αισθητήρες είναι συνήθως πιο ακριβοί από τους απλούς ηλεκτρικούς μετρητές, το σύστημα απαιτεί έναν ειδικό οπτικό ερωτηματογράφο και η κακή εγκατάσταση ή συσκευασία μπορεί να βλάψει τη μεταφορά καταπόνησης και την ακρίβεια. Σε πολλά έργα, η πιο λογική προσέγγιση είναι να αντιμετωπίζεται το πλέγμα bragg οπτικών ινών ως λύση για παρακολούθηση μεσαίας- έως μεγάλης{2}}απόστασης, πολλαπλών-σημείων, υψηλής-αξιοπιστίας, που χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την παραδοσιακή ηλεκτρική αίσθηση αντί να προσπαθεί να αντικαταστήσει τα πάντα.
Από τα καλώδια επικοινωνίας στα καλώδια ανίχνευσης: πώς σχετίζεται το FBG Fiber Bragg Grating με τα οπτικά καλώδια
Στην ουσία, το πλέγμα bragg οπτικών ινών είναι μόνο μερικά εκατοστά τροποποιημένης ίνας-αλλά για να λειτουργήσει σε πραγματικά έργα, πρέπει να συνδεθεί με δεκάδες ή εκατοντάδες μέτρα οπτικού καλωδίου και ένα οπτικό δίκτυο. Εν ολίγοις: Το Fiber Bragg Grating είναι γραμμένο στην ίνα, μεταφέρεται στο καλώδιο και τρέχει στο οπτικό δίκτυο.
Σε ποια ίνα είναι γραμμένο το FBG Fiber Bragg Grating;
Οι περισσότερες συσκευές πλέγματος οπτικών ινών bragg είναι γραμμένες σε τυπική ίνα μονής-λειτουργίας (π.χ. G.652D, G.657 bend-insensitive) λόγω χαμηλής απώλειας, λογικού κόστους και καλής συμβατότητας με συστήματα επικοινωνίας. Για πιο σφιχτές στροφές ή πυκνή δρομολόγηση εσωτερικών τοιχωμάτων/υφασμάτων, προτιμάται η λυγισμένη-αναίσθητη ίνα. σε σκληρά περιβάλλοντα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ειδικές ίνες, αλλά η λογική είναι πάντα: επιλέξτε τη σωστή ίνα για το περιβάλλον και μετά γράψτε το πλέγμα bragg οπτικών ινών όπου χρειάζεται.
Καλώδιο ανίχνευσης έναντι καλωδίου επικοινωνίας
Τόσο τα καλώδια ανίχνευσης όσο και τα καλώδια επικοινωνίας έχουν ίνες, στοιχεία αντοχής και τζάκετ, αλλά εστιάζουν σε διαφορετικά πράγματα. Τα καλώδια επικοινωνίας στοχεύουν σε χαμηλή απώλεια και στιβαρότητα, προσπαθώντας να απομονώσουν την ίνα από εξωτερικές μηχανικές επιδράσεις. Τα καλώδια ανίχνευσης όχι μόνο πρέπει να επιβιώσουν, αλλά και να αφήσουν τη δομική παραμόρφωση να περάσει αποτελεσματικά στο πλέγμα bragg οπτικών ινών, έτσι τα σχέδια μπορεί να τροποποιήσουν τη χαλαρή{2}}δομή του σωλήνα, να προσθέσουν μεταλλικούς/FRP φορείς ή στρώματα συγκόλλησης και μερικές φορές να αναμειγνύουν "ίνες ανίχνευσης" με "καθαρές ίνες μετάδοσης" σε ένα καλώδιο.
Τι περιλαμβάνει μια πλήρης αλυσίδα αισθητήρων FBG Fiber Bragg Grating;
Μια τυπική αλυσίδα περιλαμβάνει: (1) μπροστινούς-αισθητήρες με συσκευασμένο πλέγμα bragg οπτικών ινών (καταπόνηση, θερμοκρασία, δύναμη καλωδίου κ.λπ.). (2) καλώδια μετάδοσης από την κατασκευή στο αδύναμο-θάλαμο ρεύματος ή εξοπλισμού. (3) έναν ανακριτή συν λογισμικό για αποδιαμόρφωση, αποθήκευση και συναγερμούς. Σε μεγαλύτερα συστήματα, ενδιάμεσα προστίθενται οπτικοί διαχωριστές, πίνακες ενημέρωσης κώδικα και κλεισίματα συναρμολόγησης-τυποποιημένο υλικό τηλεπικοινωνιών-.
Γιατί η ποιότητα των ινών και των καλωδίων έχει σημασία για-μακροπρόθεσμη σταθερότητα
Παρόλο που το "έξυπνο μέρος" ενός συστήματος FBG Fiber Bragg Grating είναι η συσκευή αναζήτησης και το λογισμικό, η μακροπρόθεσμη σταθερότητα εξαρτάται κυρίως από τη βασική ποιότητα ινών και καλωδίων. Εάν η αντοχή της ίνας, η απόδοση μικρο{2}}κάμψης ή η γήρανση της επίστρωσης είναι κακές ή εάν το καλώδιο έχει ασθενή αντοχή σε εφελκυσμό/κάμψη/θερμοκρασία, τα προβλήματα θα εμφανιστούν αργότερα ως υψηλότερη απώλεια και μετατόπιση της μέτρησης. Η επιλογή αξιόπιστων ινών και καλωδίων και η αντιστοίχιση τους με το πραγματικό περιβάλλον δρομολόγησης (εσωτερικός/εξωτερικός χώρος, επίγεια/υαλοπετάσματος/καλώδιο κ.λπ.), είναι επομένως το κλειδί για την επίτευξη σταθερής-μακροπρόθεσμης παρακολούθησης.
Τι είναι η παρακολούθηση δύναμης καλωδίου FBG Fiber Bragg Grating και ποιο πρόβλημα λύνει;
Η παρακολούθηση της δύναμης του καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg σημαίνει εγκατάσταση αισθητήρων Fiber Bragg Grating σε καλώδια, μέτρηση της καταπόνησης του καλωδίου σε πραγματικό χρόνο και μετατροπή του σε τάνυση καλωδίου. Το βασικό μηχανολογικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει είναι: η δύναμη του καλωδίου στα βασικά μέλη δεν μπορεί να ελεγχθεί μόνο μία φορά κατά τη διάρκεια της πίεσης – πρέπει να είναι ορατή και ακριβής σε όλη τη διάρκεια ζωής, ειδικά για γυάλινους τοίχους κουρτινών που είναι πολύ ευαίσθητοι σε παραμόρφωση και μετατόπιση.
Τοίχοι από γυάλινες κουρτίνες με υποστήριξη καλωδίων-και προεντεταμένα καλώδια
Σε τοίχους από γυάλινη κουρτίνα-που υποστηρίζονται από καλώδιο και-διαλέγονται, πολλά προεντεταμένα χαλύβδινα καλώδια "κρεμούν" τα γυάλινα πάνελ από την κύρια κατασκευή. Αυτά τα καλώδια φέρουν φορτίο και ελέγχουν τη συνολική σταθερότητα και παραμόρφωση. Για να διατηρείται η γραμμή της πρόσοψης και η μετατόπιση εντός ορίων υπό το βάρος-αυτού, τον άνεμο και τη θερμοκρασία, εφαρμόζεται μια καθορισμένη αρχική δύναμη καλωδίου κατά την εγκατάσταση και αν αυτή η δύναμη παραμένει σε εύλογο εύρος λειτουργίας είναι κρίσιμο για την ασφάλεια και την άνεση.
Γιατί η δύναμη του καλωδίου τοίχου κουρτινών χρειάζεται-μακροπρόθεσμη παρακολούθηση
Η δύναμη του καλωδίου δεν είναι σταθερή. Με την πάροδο του χρόνου, η χαλάρωση υλικού, η ολίσθηση της άγκυρας, οι αλλαγές θερμοκρασίας και η δευτερεύουσα δομική παραμόρφωση θα το κάνουν να απομακρυνθεί από την αξία σχεδιασμού. Ο ακραίος άνεμος, τα κατασκευαστικά φορτία ή οι τοπικές ζημιές μπορεί να οδηγήσουν σε μη φυσιολογική δύναμη σε ορισμένα καλώδια. Εάν μετρήσετε μόνο μία φορά κατά την ολοκλήρωση ή την αποδοχή, είναι δύσκολο να ανιχνευθεί η απώλεια δύναμης ή η ανισορροπία μεσοπρόθεσμης- έως-που μπορεί τελικά να εμφανιστεί ως ράγισμα γυαλιού, ζημιά στην άρθρωση ή υπερβολική-παραμόρφωση του επιπέδου της πρόσοψης.
Παραδοσιακές μέθοδοι δοκιμής δύναμης καλωδίου και οι περιορισμοί τους
Οι παραδοσιακές μέθοδοι περιλαμβάνουν τη μέθοδο δόνησης, κάμψη τριών σημείων (μετρητής δύναμης τόξου) και υδραυλικό μετρητή. Η μέθοδος δόνησης συμπεραίνει τη δύναμη του καλωδίου από τη φυσική συχνότητα, αλλά είναι ευαίσθητη σε οριακές συνθήκες, θερμοκρασία και παρεμβολές. Η κάμψη τριών σημείων βασίζεται σε γεωμετρική ακαμψία και παραμόρφωση, με υψηλές απαιτήσεις χώρου και ασαφείς υποθέσεις αξονικής ακαμψίας/ορίων. Οι υδραυλικοί μετρητές είναι βολικοί κατά την καταπόνηση, αλλά είναι ουσιαστικά εργαλεία κατασκευής και δεν μπορούν να παραμείνουν στη δομή για-μακροπρόθεσμη διαδικτυακή παρακολούθηση. Συνολικά, αυτές οι μέθοδοι είτε δεν είναι κατάλληλες για μόνιμη ανάπτυξη είτε δεν είναι αρκετά αυτοματοποιημένες ώστε να παρέχουν συνεχή δεδομένα ιστορικού χρόνου.
Πλεονεκτήματα και προκλήσεις της χρήσης του πλέγματος ινών Bragg FBG για την παρακολούθηση της δύναμης του καλωδίου
Με την τοποθέτηση αισθητήρων FBG Fiber Bragg Grating στο καλώδιο ή σε εξαρτήματα με σαφή μηχανική σχέση με αυτό, οι αλλαγές της δύναμης του καλωδίου μπορούν να μετατραπούν σε μετατοπίσεις μήκους κύματος και να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια σε μεγάλες αποστάσεις και σε πολλαπλά σημεία. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν ατρωσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, πολυπλεξία πολλών σημείων σε μία ίνα και εύκολη ενσωμάτωση με το υπάρχον οπτικό καλώδιο και την υποδομή χώρου εξοπλισμού, που ταιριάζει στην περίπλοκη δρομολόγηση και το περιβάλλον των κουρτινών τοίχων. Οι προκλήσεις έγκεινται στη διασφάλιση αξιόπιστης μηχανικής σύζευξης χωρίς ζημιά στο καλώδιο, στο σχεδιασμό συσκευασίας με επαρκή ευαισθησία αλλά με χαμηλό-προκαλούμενο σφάλμα εγκατάστασης και στην εξισορρόπηση του κόστους εξοπλισμού/ανάκρισης με το μέγεθος του έργου.
Βασικές απαιτήσεις μηχανικής για ένα σύστημα παρακολούθησης δύναμης καλωδίων
Από μηχανικής άποψης, ένα "καλό" σύστημα παρακολούθησης της δύναμης του καλωδίου θα πρέπει: να μετρά με ακρίβεια (καλή ακρίβεια και επαναληψιμότητα), να βλέπει την πλήρη εικόνα (αποτύπωση αλλαγών με την πάροδο του χρόνου), να διαρκεί πολύ (σταθερό σε εξωτερικούς χώρους), να ενοχλεί ελάχιστα (να είναι όσο το δυνατόν πιο μη παρεμβατικό στο καλώδιο και την πρόσοψη) και να μπορεί να συντηρηθεί (αισθητήρες/μπροστινά μέρη μπορούν να επιθεωρηθούν{1}). Η παρακολούθηση της δύναμης του καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg είναι ελκυστική επειδή, με-καλοσχεδιασμένους εξωτερικούς σφιγκτήρες και καλώδια ανίχνευσης, προσφέρει έναν πρακτικό συμβιβασμό μεταξύ αυτών των απαιτήσεων.
Εξωτερικά τοποθετημένος αισθητήρας δύναμης καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg: αρχή και δομικός σχεδιασμός
Η ιδέα είναι απλή: ένας μικρός σφιγκτήρας είναι στερεωμένος στο καλώδιο και μέσα σε αυτόν τον σφιγκτήρα υπάρχει ένα κοντό κομμάτι ίνας με ένα πλέγμα ινών FBG Bragg. Όταν το καλώδιο είναι φορτωμένο, η μικροσκοπική του επιμήκυνση μεταφέρεται μέσω του σφιγκτήρα στο πλέγμα bragg οπτικών ινών, προκαλώντας αλλαγή στο ανακλώμενο μήκος κύματος. Ο ανακριτής διαβάζει αυτή τη μετατόπιση μήκους κύματος και τη μετατρέπει σε δύναμη καλωδίου. Το ίδιο το καλώδιο δεν χρειάζεται να κοπεί, να τρυπηθεί ή να συγκολληθεί.
Αρχή μέτρησης{0}}με βάση το προσάρτημα
Η προσέγγιση με βάση το προσάρτημα-χρησιμοποιεί έναν ειδικά σχεδιασμένο σφιγκτήρα από μέταλλο ή κράμα τοποθετημένο στο καλώδιο έτσι ώστε να παραμορφώνεται μαζί με το καλώδιο. Το πλέγμα Bragg Fiber FBG είναι κολλημένο στην ευαίσθητη θέση αυτού του σφιγκτήρα-. Όταν η δύναμη του καλωδίου αλλάζει, ο σφιγκτήρας τεντώνεται ή συμπιέζεται. το εξαιρετικά ευαίσθητο σε καταπόνηση-πλέγμα bragg οπτικών ινών "καταγράφει" αυτή την παραμόρφωση ως μετατόπιση μήκους κύματος, επιτρέποντας έτσι την έμμεση μέτρηση της δύναμης του καλωδίου.
Δομικά χαρακτηριστικά εξωτερικής τοποθέτησης / σφιγκτήρα-σε αισθητήρες δύναμης καλωδίου πλέγματος ινών FBG Bragg
Ένας τυπικός εξωτερικά τοποθετημένος (σφιγκτήρας-επάνω) αισθητήρας αποτελείται από τρία μέρη: το σώμα του σφιγκτήρα σε επαφή με το καλώδιο, ένα εσωτερικό ελαστικό στοιχείο-που φέρει φορτίο και την ίνα FBG Fiber Bragg Grating που είναι συνδεδεμένη ή συγκολλημένη σε αυτό. Ολόκληρη η μονάδα είναι κατασκευασμένη ως χωρισμένος σφιγκτήρας ή κολάρο που μπορεί να ανοίξει και να τοποθετηθεί γύρω από το καλώδιο, στη συνέχεια να κλειδωθεί με μπουλόνια ή μάνδαλα-δεν χρειάζεται να κόψετε το καλώδιο ή να αποσυναρμολογήσετε τις άγκυρες. Ο βασικός στόχος της σχεδίασης είναι η σταθερή σύσφιξη χωρίς σημαντική αλλαγή της αρχικής κατάστασης δύναμης του καλωδίου.
Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια της μέτρησης: ευαισθησία, σφάλμα εγκατάστασης, μεταφορά παραμόρφωσης
Χωρίς να εμβαθύνουμε σε τύπους, τρία σημεία έχουν μεγαλύτερη σημασία:
Ευαισθησία – Οι αλλαγές της δύναμης του καλωδίου πρέπει να «ενισχύονται» αρκετά ώστε το Fiber Bragg Grating να μπορεί να ανιχνευθεί με σαφήνεια.
Μεταφορά παραμόρφωσης – η πραγματική παραμόρφωση του καλωδίου πρέπει να μεταδοθεί όσο το δυνατόν πληρέστερα στο πλέγμα ινών Bragg FBG.
Σφάλμα εγκατάστασης – η χαλαρότητα, η ολίσθηση ή η ανομοιόμορφη προ{0}}σφίξιμο κατά την εγκατάσταση θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί.
Ο δομικός σχεδιασμός ενός εξωτερικά τοποθετημένου αισθητήρα είναι ουσιαστικά μια ισορροπία μεταξύ αυτών των τριών, διασφαλίζοντας ότι το πλέγμα bragg οπτικών ινών «αισθάνεται» τη δύναμη του καλωδίου χωρίς να καταστρέφει το καλώδιο ή να δημιουργεί επιπλέον συγκεντρώσεις τάσης.
Πλεονεκτήματα εξωτερικής τοποθέτησης για κατασκευή και συντήρηση κουρτινών
Σε σύγκριση με τις ενσωματωμένες λύσεις ή την κοπή/αυλάκωση/συγκόλληση απευθείας στο καλώδιο, ο εξωτερικά τοποθετημένος αισθητήρας δύναμης καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg προσφέρει τρία σημαντικά πλεονεκτήματα: μη-μη καταστροφικός, εύκολος στην εγκατάσταση και αντικατάσταση. Συμπεριφέρεται σαν πρόσθετο-στο αξεσουάρ: μπορεί να εγκατασταθεί στα μεταγενέστερα στάδια της κατασκευής τοίχων κουρτινών ή ακόμα και κατά τη λειτουργία. όταν απαιτείται επιθεώρηση ή επαναβαθμονόμηση, ο αισθητήρας μπορεί να αφαιρεθεί και να αντικατασταθεί χωρίς να αγγίξει το ίδιο το καλώδιο. Αυτό ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην κατασκευή της πρόσοψης και αποφεύγει τις «σκληρές» αλλαγές στο αρχικό σύστημα δύναμης καλωδίων, ικανοποιώντας καλύτερα τις πρακτικές απαιτήσεις για ασφάλεια και δυνατότητα συντήρησης.
Μελέτη περίπτωσης: εξωτερικά τοποθετημένοι αισθητήρες δύναμης καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg σε γυάλινους τοίχους
Σε ένα ξεχωριστό άρθρο μελέτης περίπτωσης, χρησιμοποιούμε ένα έργο τοίχου από γυάλινη κουρτίνα ως όχημα για να διευθετήσουμε συστηματικά τη μηχανική εφαρμογή των εξωτερικά τοποθετημένων αισθητήρων δύναμης καλωδίου πλέγματος FBG Fiber Bragg. Το άρθρο αρχικά εξετάζει την ανάπτυξη των υαλοπετασμάτων που υποστηρίζονται από καλώδια και τους περιορισμούς των παραδοσιακών μεθόδων μέτρησης δύναμης καλωδίων και, στη συνέχεια, συγκρίνει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διαφορετικών στρατηγικών διάταξης πλέγματος οπτικών ινών που προτείνονται από τους Zheng R, Wang Xuezhe, Sun Xiao και Tang Jun. Βασίζεται στην αρχή του Fiber Bragg Grating-και επαληθεύει την ακρίβεια, τη σταθερότητα και τη δυνατότητα κατασκευής του μέσω δεδομένων δύναμης καλωδίου που συλλέγονται κατά τη φάση κατασκευής. Η μελέτη περίπτωσης δείχνει ξεκάθαρα ότι, χωρίς να καταστραφούν τα καλώδια ή να αλλοιωθεί ουσιαστικά η αρχική δομή της πρόσοψης, οι εξωτερικά τοποθετημένοι αισθητήρες Fiber Bragg Grating μπορούν να χρησιμεύσουν ως μια λύση υψηλής
Συνεργασία με κατασκευαστές καλωδίων / ολοκληρωτές συστημάτων: από την ανίχνευση πλέγματος FBG Fiber Bragg έως πλήρεις λύσεις
Τι προϊόντα ινών και καλωδίων χρειάζονται;
Ένα πρακτικό σύστημα παρακολούθησης δύναμης καλωδίου πλέγματος οπτικών ινών bragg χρειάζεται κυρίως τρία πράγματα: (1) ανίχνευση ινών με πλέγμα ινών Bragg, (2) οπτικά καλώδια ανίχνευσης/τροφοδότη, (3) τυπικά καλώδια επικοινωνίας και καλώδια ενημέρωσης στο ράφι. Ο σφιγκτήρας-στον αισθητήρα χρησιμοποιεί ίνα ανίχνευσης μικρής μήκους ή μικρό ειδικό καλώδιο, οι διαδρομές κτιρίων χρησιμοποιούν καλώδια εσωτερικού/εξωτερικού χώρου και στο ντουλάπι όλα ολοκληρώνονται με τυπική επιδιόρθωση. Για τους πωλητές καλωδίων, ουσιαστικά αναδιοργανώνει τα υπάρχοντα προϊόντα κατά μήκος μιας "ζεύξης ανίχνευσης" αντί μόνο μιας "ζεύξης επικοινωνίας".
Από την πρόσοψη και την οροφή μέχρι το αδύναμο-σημερινό δωμάτιο
Στα έργα υαλοπετασμάτων, η οπτική διαδρομή συνήθως εκτείνεται από την πρόσοψη και την οροφή, μέσω του σημείου εισόδου του κτιρίου, κάτω από τους άξονες μέχρι το αδύναμο- δωμάτιο ρεύματος. Τυπικά: εξωτερικό-ονομαστικό καλώδιο σε πρόσοψη/οροφή → μέσω αγωγών ή δίσκων στο κτίριο → μετάβαση σε εσωτερικόLSZH/καλώδιο ανύψωσηςκάτω από το ανυψωτικό στο δωμάτιο εξοπλισμού. Οι κατασκευαστές οπτικών καλωδίων και οι ενοποιητές συστημάτων μπορούν-να σχεδιάσουν από κοινού αυτήν την πλήρη διαδρομή "από τον αισθητήρα στο rack", μειώνοντας τον μετέπειτα συντονισμό μεταξύ αστικών, προσόψεων και MEP.
Ενοποίηση με καλωδίωση κτιρίων και κέντρα δεδομένων
Η συσκευή αναζήτησης δικτυώματος bragg οπτικών ινών τοποθετείται στο αδύναμο-θάλαμο ρεύματος / εξοπλισμού και τα δεδομένα του μεταφέρονται σε διακομιστές BMS, ασφάλειας ή κέντρων δεδομένων. Αυτό το βήμα μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει την υπάρχουσα καλωδίωση ινών κτιρίου, πάνελ ODF/patch,MPO/MTP τρουκςκαικέντρο δεδομένωνυποδομή: τα δεδομένα παρακολούθησης εισέρχονται στο δίκτυο μέσω Ethernet/fieldbus και στη συνέχεια συγκεντρώνονται και οπτικοποιούνται σε ανώτερες-πλατφόρμες επιπέδου ή cloud. Έτσι, η παρακολούθηση Fiber Bragg Grating γίνεται απλώς μια άλλη πηγή δεδομένων στις ψηφιακές λειτουργίες του κτιρίου, όχι ένα αυτόνομο νησιωτικό σύστημα-.
Ο ρόλος των εταιρειών οπτικών ινών και καλωδίων
Οι εταιρείες ινών και καλωδίων δεν χρειάζεται να κατασκευάζουν οι ίδιες ανακριτές ή αισθητήρες Fiber Bragg Grating. Οι βασικοί τους ρόλοι είναι: η παροχή των κατάλληλων ινών/καλωδίων για ανίχνευση και επικοινωνία, και η συνεργασία με προμηθευτές και ενσωματωτές FBG Fiber Bragg Grating για την παροχή μιας οπτικής διαδρομής από άκρο σε-από τη δομή στο ράφι. Αυτό τους επιτρέπει να περάσουν από την απλή πώληση καλωδίων στην προσφορά οπτικής υποδομής για παρακολούθηση της δομικής υγείας, έξυπνα κτίρια και έξυπνες υποδομές.
Συχνές ερωτήσεις: Συνήθεις ερωτήσεις σχετικά με το πλέγμα Bragg Fiber FBG και την παρακολούθηση της δύναμης του καλωδίου
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των αισθητήρων Fiber Bragg Grating και των συνηθισμένων μετρητών καταπόνησης αντίστασης;
Οι αισθητήρες FBG Fiber Bragg Grating χρησιμοποιούν μήκος κύματος ως σήμα και το μεταδίδουν σε οπτική ίνα, έτσι ώστε να είναι απρόσβλητοι σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και να μπορούν να λειτουργούν σε μεγάλες αποστάσεις με πολλά σημεία σε μία ίνα. Οι μετρητές καταπόνησης αντίστασης χρησιμοποιούν αλλαγή αντίστασης, η καλωδίωση είναι μικρότερη και φθηνότερη ανά σημείο, αλλά η-ικανότητα κατά των παρεμβολών και η επεκτασιμότητα για παρακολούθηση μεγάλων αποστάσεων, πολλών-σημείων είναι πιο αδύναμες.
Πόσοι αισθητήρες FBG Fiber Bragg Grating μπορούν να γραφτούν σε μία ίνα; Θα παρεμβαίνουν μεταξύ τους;
Μία μόνο ίνα μπορεί να μεταφέρει δεκάδες αισθητήρες Fiber Bragg Grating σε σειρά, εφόσον ο καθένας έχει διαφορετικό κεντρικό μήκος κύματος και τα φάσματα δεν επικαλύπτονται. Ο ανακριτής τα διαχωρίζει κατά μήκος κύματος, επομένως υπό τον κατάλληλο σχεδιασμό μήκους κύματος δεν θα παρεμβαίνουν μεταξύ τους.
Τι εξοπλισμό περιλαμβάνει ένα τυπικό σύστημα παρακολούθησης της δύναμης του καλωδίου Fiber Bragg Grating;
Κανονικά χρειάζεστε:
Αισθητήρες δύναμης καλωδίου Fiber Bragg Grating (σφιγκτήρας-πάνω ή άλλες μορφές),
Οπτικά καλώδια και καλώδια patch από τον αισθητήρα στο δωμάτιο εξοπλισμού,
Ένας ανακριτής πλέγματος bragg οπτικών ινών,
Απόκτηση δεδομένων / λογισμικό (PC, BMS, SCADA ή πλατφόρμα cloud) για προβολή, αποθήκευση και συναγερμούς.
Εάν ένα έργο υαλοπετάσματος έχει ήδη οπτικά καλώδια επικοινωνίας, χρειάζεται ακόμα ένα ξεχωριστό καλώδιο ανίχνευσης FBG Fiber Bragg Grating;
Τεχνικά, τα σήματα πλέγματος bragg οπτικών ινών μπορούν να εκτελούνται σε εφεδρικές ίνες απλής-λειτουργίας στα υπάρχοντα καλώδια επικοινωνίας. Η επαναχρησιμοποίησή τους ή η τοποθέτηση ξεχωριστού καλωδίου ανίχνευσης εξαρτάται από τη δρομολόγηση, τη διαθεσιμότητα εφεδρικών ινών και τις απαιτήσεις απομόνωσης: για κρίσιμη παρακολούθηση, πολλοί ιδιοκτήτες προτιμούν μια αποκλειστική διαδρομή ινών για ευκρίνεια και αξιοπιστία.
Πώς συγκρίνεται το κόστος της παρακολούθησης της δύναμης του καλωδίου FBG Fiber Bragg Grating με τις παραδοσιακές μεθόδους;
Για μια-μια δοκιμή, τα παραδοσιακά εργαλεία (μέθοδος κραδασμών, υδραυλικό μετρητή κ.λπ.) είναι συνήθως φθηνότερα. Ωστόσο, για μακροπρόθεσμη-διαδικτυακή παρακολούθηση πολλαπλών-σημείων, το πλέγμα bragg οπτικών ινών-παρόλο που χρειάζεται ερώτηση και υψηλότερη αρχική επένδυση-μπορεί να μειώσει-την εργασία στον ιστότοπο και τις επαναλαμβανόμενες δοκιμές και συχνά να είναι πιο αποτελεσματικό ως προς το κόστος-καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής.
Ποια είναι η διάρκεια ζωής των αισθητήρων FBG Fiber Bragg Grating; Είναι εύκολη η συντήρηση / αντικατάσταση;
Το ίδιο το τρίψιμο είναι γραμμένο σε ίνες γυαλιού και μπορεί να διαρκέσει πολλά χρόνια. Η πραγματική διάρκεια ζωής περιορίζεται κυρίως από το περιβάλλον συσκευασίας και εγκατάστασης (διάβρωση, σφράγιση, μηχανικές βλάβες). Οι εξωτερικά τοποθετημένοι αισθητήρες δύναμης καλωδίου Fiber Bragg Grating έχουν σχεδιαστεί για να αφαιρούνται και να αντικαθίστανται, επομένως, εάν κάποιος αποτύχει, μπορεί να αντικατασταθεί χωρίς να αγγίξει το σώμα του καλωδίου.
Ποιες απαιτήσεις υπάρχουν για τη θέση εγκατάστασης και την κατασκευή των αισθητήρων δύναμης καλωδίου FBG Fiber Bragg Grating;
Οι αισθητήρες θα πρέπει να εγκατασταθούν σε αντιπροσωπευτικά, ευθεία, προσβάσιμα τμήματα καλωδίων, μακριά από άγκυρες και σύνθετες αρθρώσεις όπου είναι δυνατόν. Κατά την εγκατάσταση, ο σφιγκτήρας πρέπει να σφίγγεται ομοιόμορφα, να αποφεύγεται η ολίσθηση ή η καταστροφή του καλωδίου και η ίνα δεν πρέπει να λυγίζει έντονα. μετά την εγκατάσταση, είναι καλή πρακτική να κάνετε μερικές μετρήσεις ή μια μικρή δοκιμή φορτίου για να επιβεβαιώσετε σταθερές, επαναλαμβανόμενες τιμές.