Η γνώση

Ο αισθητήρας οπτικών ινών μετατρέπει μια συνηθισμένη οπτική ίνα σε έναν μακρύ, συνεχή αισθητήρα. Αντί να μεταφέρει μόνο δεδομένα, η ίνα μεταφέρει φως του οποίου οι ιδιότητες αλλάζουν όταν η θερμοκρασία, η καταπόνηση, η πίεση ή η δόνηση επιδρούν στο καλώδιο. Διαβάζοντας αυτές τις αλλαγές, ένα σύστημα ανίχνευσης μπορεί να αναφέρει τι συμβαίνει - και συνήθως ακριβώςόπουσυμβαίνει - σε αποστάσεις από λίγα μέτρα έως δεκάδες χιλιόμετρα. Αυτός ο οδηγός περιγράφει πώς λειτουργεί η τεχνολογία βήμα προς βήμα, τους τρεις κύριους τύπους και πώς διαφέρουν, πού ταιριάζει ο καθένας και τα όρια που αξίζει να σχεδιάσετε.

Τι είναι η τεχνολογία ανίχνευσης οπτικών ινών;

Η ανίχνευση οπτικών ινών είναι μια μέθοδος μέτρησης που χρησιμοποιεί την ίδια την οπτική ίνα ως αισθητήριο στοιχείο. Μια πηγή φωτός εκτοξεύει φως στην ίνα. Καθώς το φως ταξιδεύει, οι εξωτερικές συνθήκες αλλάζουν ελαφρώς την έντασή του, το μήκος κύματος, τη φάση, την πόλωση ή τον τρόπο με τον οποίο διασκορπίζεται μέσα στο γυαλί. Ένα όργανο στο τέλος της ίνας διαβάζει αυτές τις αλλαγές και τις μετατρέπει σε φυσικές μετρήσεις όπως θερμοκρασία, καταπόνηση ή δόνηση.

Επειδή το σημείο ανίχνευσης είναι κατασκευασμένο από γυαλί και δεν μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, η ανίχνευση οπτικών ινών είναι απρόσβλητη σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και είναι ασφαλής για ανάπτυξη σε εκρηκτικές ή χημικά επιθετικές ρυθμίσεις - που έχουν σημασία σε αγωγούς, συστήματα ισχύος, σήραγγες και γέφυρες όπου οι ηλεκτρικοί αισθητήρες δυσκολεύονται. Η ίδια ίνα μπορεί να χρησιμεύσει και ως αισθητήρας και ως διαδρομή σήματος, κάτι που διατηρεί το υλικό πεδίου απλό. Η ίνα είναι τυπικά πρότυποοπτική ίνα μονής-λειτουργίαςγια συστήματα καταπόνησης, ακουστικής και Brillouin, ενώ η θερμοκρασία-μόνο τα συστήματα Raman λειτουργούν συχνά σε πολυτροπική ίνα.

Πώς λειτουργεί η τεχνολογία ανίχνευσης οπτικών ινών;

Κάθε σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών ακολουθεί την ίδια αλυσίδα: στείλτε φως, αφήστε το περιβάλλον να το τροποποιήσει, διαβάστε το φως που επιστρέφει και μεταφράστε την αλλαγή σε μέτρηση. Εδώ είναι τι συμβαίνει σε κάθε στάδιο.

1. Το φως ταξιδεύει μέσα από την ίνα

Ένα λέιζερ ή μια ευρυζωνική πηγή εκτοξεύει φως - συνήθως μια σειρά από σύντομους παλμούς - στον πυρήνα της ίνας, όπου η συνολική εσωτερική ανάκλαση το κρατά καθοδηγούμενο κατά μήκος του καλωδίου. Σε ένα σύστημα ανίχνευσης αυτό το φως είναι ο ανιχνευτής: οτιδήποτε το επηρεάζει στη διαδρομή γίνεται πληροφορία.

2. Το περιβάλλον αλλάζει το φως

Όταν η θερμοκρασία, η καταπόνηση, η πίεση ή η δόνηση επιδρούν σε ένα τμήμα της ίνας, αλλάζει ελαφρώς το γυαλί - το μήκος του, τον δείκτη διάθλασής του ή την απόσταση των εσωτερικών δομών. Αυτές οι μικρές φυσικές αλλαγές μετατοπίζουν μία ή περισσότερες ιδιότητες του φωτός: το μήκος κύματος, την έντασή του, τη φάση, την πόλωση ή το φάσμα του τμήματος που διασκορπίζεται προς τα πίσω. Το μέγεθος της μετατόπισης είναι ανάλογο με την ισχύ του εξωτερικού εφέ, που είναι αυτό που καθιστά δυνατή τη βαθμονομημένη μέτρηση.

3. Το φως αντανακλά ή διασκορπίζει πίσω

Μέρος του φωτός επιστρέφει προς την πηγή. Σε ορισμένους αισθητήρες αντανακλάται από μια σκόπιμη δομή γραμμένη στην ίνα, όπως ένα πλέγμα ινών Bragg. Στα κατανεμημένα συστήματα το ίδιο το γυαλί διασκορπίζει ένα αχνό ρεύμα φωτός προς τα πίσω κατά μήκος ολόκληρης της ίνας χωρίς πρόσθετα εξαρτήματα. Είτε έτσι είτε αλλιώς, το φως που επιστρέφει φέρει το δακτυλικό αποτύπωμα ό,τι επηρέασε την ίνα.

4. Ένας ανακριτής διαβάζει και εντοπίζει το σήμα

Ένα όργανο που ονομάζεται ανακριτής (ή αποδιαμορφωτής) μετρά το φως που επιστρέφει. Για κατανεμημένα συστήματα, μετράει επίσης πόσο χρόνο χρειάζεται το φως για να επιστρέψει - την ίδια ιδέα με ένα οπτικό ανακλαστικό μετρητή χρόνου-τομέα (OTDR). Επειδή η ταχύτητα του φωτός στην ίνα είναι γνωστή, ο χρόνος γύρο-καθορίζει τη θέση κάθε αλλαγής κατά μήκος του καλωδίου. Στη συνέχεια, ο ανακριτής μετατρέπει την οπτική αλλαγή σε μια βαθμονομημένη ένδειξη θερμοκρασίας, καταπόνησης ή δόνησης, με προσαρτημένη θέση.

Το φως εισέρχεται, το περιβάλλον αφήνει το σημάδι του σε αυτό το φως, το φως επανέρχεται και ένας ανακριτής μετατρέπει την αλλαγή - και το σημείο που συνέβη - σε μέτρηση.

Κύριοι τύποι τεχνολογιών ανίχνευσης οπτικών ινών

Η ανίχνευση οπτικών ινών συνήθως ομαδοποιείται σε τρεις οικογένειες με βάση πόσα σημεία κατά μήκος της ίνας μπορούν να μετρηθούν και πώς συμβαίνει η αίσθηση.

Point Fiber Optic Sensing

Ένας αισθητήρας σημείου μετρά μια μεμονωμένη θέση. Ένα ειδικό αισθητήριο στοιχείο ανταποκρίνεται σε μία παράμετρο - θερμοκρασία, πίεση ή επιτάχυνση, για παράδειγμα - και η σχεδίαση είναι απλή και σχετικά χαμηλού κόστους.

Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα είναι τοτρίψιμο Bragg ινών (FBG). Το πλέγμα είναι μια περιοδική μεταβολή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα των ινών, που δημιουργείται με την έκθεση του πυρήνα σε ένα έντονο μοτίβο υπεριώδους παρεμβολής. Το πλέγμα αντανακλά ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος - το μήκος κύματος Bragg - και αφήνει το υπόλοιπο να περάσει. Όταν η παραμόρφωση τεντώνει το πλέγμα ή τη διαστέλλει η θερμότητα, η απόσταση αλλάζει και το ανακλώμενο μήκος κύματος μετατοπίζεται. ο ανακριτής διαβάζει αυτή τη μετατόπιση και τη μετατρέπει σε τιμή. Κοντά στο μήκος κύματος των 1550 nm, το ανακλώμενο μήκος κύματος ενός τυπικού FBG κινείται της τάξης του ενός πικομέτρου ανά μικροστέλεχος τάνυσης και πολλών πικομέτρων ανά βαθμό Κελσίου θέρμανσης. Ερευνητικά και αεροδιαστημικά προγράμματα έχουν χαρακτηρίσει αυτή τη διπλή ευαισθησία με λεπτομέρεια, μεταξύ άλλωνΑξιολογήσεις της NASA των ενσωματωμένων αισθητήρων καταπόνησης FBGσε υψηλές θερμοκρασίες. Άλλοι αισθητήρες σημείων περιλαμβάνουν γυροσκόπια λέιζερ καιοπτικών ινών-αισθητήρων μαγνητικού πεδίουγια εξειδικευμένες μετρήσεις.

Οιονεί-Κατανεμημένη ανίχνευση οπτικών ινών

Ένα σχεδόν-κατανεμημένο σύστημα συνδέει αρκετούς αισθητήρες σημείων σε σειρά κατά μήκος μιας ίνας -, για παράδειγμα, μια σειρά από FBG, καθένα από τα οποία αντανακλά ένα ελαφρώς διαφορετικό μήκος κύματος, ώστε ο ερευνητής να μπορεί να τους ξεχωρίσει. Μία ίνα μπορεί στη συνέχεια να αναφέρει θερμοκρασία, κραδασμούς, πίεση ή καταπόνηση σε πολλές διακριτές θέσεις ταυτόχρονα. Η ανταλλαγή-ενσωματώνεται στη φυσική: ο αριθμός των αισθητήρων σε μια ίνα περιορίζεται από το εύρος ζώνης της πηγής και το παράθυρο μήκους κύματος που μπορεί να καταλάβει κάθε πλέγμα και η ίνα δεν αισθάνεται τίποτα στα κενά μεταξύ των στοιχείων. Σχετικές προσεγγίσεις τριψίματος ινών-, όπως π.χσυστήματα ανίχνευσης πλέγματος μεγάλης-περιόδου, ακολουθήστε παρόμοιες αρχές με διαφορετική φασματική συμπεριφορά.

Κατανεμημένη ανίχνευση οπτικών ινών

Ένα κατανεμημένο σύστημα χρησιμοποιεί τη γυμνή ίνα ως συνεχή αισθητήρα, χωρίς καθόλου διακριτά σημεία αίσθησης. Βασίζεται στο φως που διασκορπίζεται φυσικά μέσα στο γυαλί και διαβάζει πώς αυτό το διάσπαρτο φως αλλάζει σε όλο το μήκος. Τρίαμηχανισμοί σκέδασης του φωτός-χρησιμοποιούνται, το καθένα προσαρμοσμένο σε διαφορετικές παραμέτρους:

• Σκέδαση Rayleighείναι μια ελαστική διαδικασία που δεν μετατοπίζει τη συχνότητα του φωτός. Είναι το ισχυρότερο από τα τρία και η βάση της κατανεμημένης ακουστικής και κραδασμικής ανίχνευσης (DAS/DVS), όπου οι γρήγορες, μεμονωμένες-μετρήσεις καταγράφουν δυναμική καταπόνηση, όπως ήχο και κραδασμούς.
• Ραμάν σκόρπισμαπαράγει φως του οποίου η ένταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία, γεγονός που το καθιστά τη βάση της κατανεμημένης ανίχνευσης θερμοκρασίας (DTS).
• Σκορπισμός Brillouinμετατοπίζεται στη συχνότητα τόσο με την καταπόνηση όσο και με τη θερμοκρασία, επομένως υποστηρίζει την κατανεμημένη τάση και την ανίχνευση θερμοκρασίας σε μεγάλες αποστάσεις.

Επειδή το σύστημα λαμβάνει δείγματα ολόκληρης της ίνας και όχι σταθερών σημείων, ένα μόνο καλώδιο μπορεί να προσφέρει χιλιάδες αποτελεσματικά συνεχείς θέσεις μέτρησης σε δεκάδες χιλιόμετρα. Αυτή η κάλυψη είναι ο λόγος που η κατανεμημένη ανίχνευση έχει αναπτυχθεί γρήγορα για μεγάλα, γραμμικά στοιχεία ενεργητικού όπου ένα πρόβλημα θα μπορούσε να εμφανιστεί οπουδήποτε.

Point vs Quasi-Διανεμημένη έναντι κατανεμημένης ανίχνευσης οπτικών ινών

Οι τρεις οικογένειες απαντούν σε διαφορετικές ερωτήσεις. Η ανίχνευση σημείου ρωτά "τι συμβαίνει σε αυτό το ένα σημείο;" οιονεί-διανέμονται ρωτά "τι συμβαίνει σε αυτά τα γνωστά σημεία;"; διανεμημένο ρωτά "τι συμβαίνει οπουδήποτε σε αυτή τη διαδρομή;" Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις πρακτικές διαφορές.

Κοινές Εφαρμογές της Ανίχνευσης Οπτικών Ινών

• Παρακολούθηση αγωγών και ανίχνευση διαρροών.Μια ίνα που τοποθετείται κατά μήκος ενός αγωγού πετρελαίου, φυσικού αερίου ή νερού μπορεί να επισημάνει μια διαρροή ως τοπική ανωμαλία θερμοκρασίας (DTS) και να ανιχνεύσει εκσκαφή ή παρεμβολές τρίτων ως υπογραφή κραδασμών (DAS) - ένα πιο ακριβές πλαίσιο από τη χαλαρή φράση "πετρέλαιο και αέριο" που χρησιμοποιείται μερικές φορές για αυτήν την περίπτωση χρήσης.
• Περιμετρική και συνοριακή ασφάλεια.Η κατανεμημένη ανίχνευση κραδασμών ανιχνεύει και ταξινομεί βήματα, οχήματα, αναρρίχηση ή σκάψιμο κατά μήκος μιας γραμμής φράχτη ή θαμμένης διαδρομής, η οποία είναι η βάση τηςανίχνευση εισβολής οπτικής περιμέτρου-.
• Καλώδιο τροφοδοσίας και παρακολούθηση δικτύου.Το DTS παρακολουθεί τη θερμοκρασία των καλωδίων-υψηλής τάσης για τη διαχείριση του φορτίου και των καυτών σημείων. για φόντο δείτε αυτήν την επισκόπηση τουκατανεμημένη παρακολούθηση θερμοκρασίας.
• Πυρανίχνευση σήραγγας και κτιρίου.Η συνεχής διαμόρφωση του προφίλ θερμοκρασίας προκαλεί συναγερμό στον ακριβή μετρητή όπου αυξάνεται η θερμότητα, πολύ πριν ανταποκριθεί ένας ανιχνευτής ενός σημείου-.
• Παρακολούθηση δομικής υγείας.Τα FBG και η κατανεμημένη ανίχνευση καταπόνησης μετρούν το φορτίο, την εκτροπή και τη ρωγμή σε γέφυρες, φράγματα, σήραγγες και μεγάλες σύνθετες κατασκευές κατά τη διάρκεια ζωής τους.

• 

Πλεονεκτήματα και περιορισμοί της ανίχνευσης οπτικών ινών

Όπως κάθε τεχνολογία μέτρησης, η ανίχνευση οπτικών ινών είναι πολύ καλή σε ορισμένες περιπτώσεις και κακή σε άλλες. Η τοποθέτηση και των δύο πλευρών κάνει την επιλογή πιο εύκολη.

Όπου υπερέχει:

• Ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, καθώς το σημείο αίσθησης είναι το παθητικό γυαλί χωρίς ηλεκτρονικά στο πεδίο.
• Ασφαλές σε εκρηκτικά ή διαβρωτικά περιβάλλοντα όπου οι ηλεκτρικοί αισθητήρες είναι επικίνδυνοι.
• Ένα καλώδιο μπορεί να αντικαταστήσει εκατοντάδες διακριτούς αισθητήρες και την καλωδίωση τους και διπλασιάζει ως διαδρομή δεδομένων.
• Τα κατανεμημένα συστήματα παρέχουν συνεχή κάλυψη με τοποθεσία, όχι μόνο μεμονωμένες μετρήσεις.

Όπου έχει όρια:

• Ο ανακριτής είναι το ακριβό μέρος, επομένως οι μικρές εργασίες με ένα-σημείο είναι συχνά φθηνότερες με τους συμβατικούς αισθητήρες.
• Η "υψηλή ακρίβεια" είναι υπό όρους. Για τα κατανεμημένα συστήματα, η χωρική ανάλυση, το εύρος ανίχνευσης και ο ρυθμός δειγματοληψίας ανταλλάσσονται μεταξύ τους και το "κατανεμημένο" δεν σημαίνει απεριόριστη ακρίβεια.
• Η ακρίβεια τοποθέτησης εξαρτάται από τη μέθοδο ανίχνευσης, τον τρόπο δρομολόγησης και σύζευξης του καλωδίου με τη δομή, τον ρυθμό δειγματοληψίας, τον ανακριτή και τον αλγόριθμο ανάλυσης.
• Ο σχεδιασμός, η εγκατάσταση και η ερμηνεία χρειάζονται εξειδικευμένη τεχνογνωσία.

Πώς να επιλέξετε τη σωστή μέθοδο ανίχνευσης οπτικών ινών

Ξεκινήστε από την ερώτηση που χρειάζεστε πραγματικά να απαντήσετε και, στη συνέχεια, αντιστοιχίστε την σε μια μέθοδο:

• Ένα κρίσιμο σημείο, μετρημένο με ακρίβεια- ένας αισθητήρας σημείου, όπως ένα FBG.
• Μια χούφτα γνωστές τοποθεσίες σε μια κατασκευή- μια σχεδόν-κατανεμημένη συστοιχία FBG.
• Μια μακρά διαδρομή όπου τα προβλήματα θα μπορούσαν να εμφανιστούν οπουδήποτε- ένα κατανεμημένο σύστημα: DTS για θερμοκρασία και φωτιά, DAS/DVS για κραδασμούς και εισβολή, Brillouin για καταπόνηση.

Μόλις η μέθοδος είναι σαφής, συγκρίνετε συγκεκριμένες παραμέτρους προτού αγοράσετε: απαιτούμενο εύρος ανίχνευσης, χωρική ανάλυση, συχνότητα μέτρησης (ρυθμός δειγματοληψίας), διαδρομή καλωδίου και πώς θα στερεωθεί στο στοιχείο και συμβατότητα ερωτηματολογίου με την ίνα και τους αισθητήρες που σκοπεύετε να αναπτύξετε.