Wiedza, umiejętności

Wykrywanie światłowodowe zamienia zwykły światłowód w długi, ciągły czujnik. Zamiast przenosić tylko dane, światłowód przenosi światło, którego właściwości zmieniają się pod wpływem temperatury, naprężenia, ciśnienia lub wibracji na kabel. Odczytując te zmiany, system czujników może zgłosić, co się dzieje - i zwykle dokładnieGdziedzieje się to - na dystansach od kilku metrów do dziesiątek kilometrów. W tym przewodniku krok po kroku opisano, jak działa ta technologia, jakie są trzy główne typy i czym się różnią, gdzie pasuje każdy z nich oraz jakie są ograniczenia, które warto zaplanować.

Co to jest technologia wykrywania światłowodów?

Wykrywanie światłowodowe to metoda pomiaru wykorzystująca sam światłowód jako element czujnikowy. Źródło światła wprowadza światło do światłowodu; w miarę przemieszczania się światła warunki zewnętrzne nieznacznie zmieniają jego intensywność, długość fali, fazę, polaryzację lub sposób rozpraszania wewnątrz szkła. Przyrząd na końcu światłowodu odczytuje te zmiany i przekształca je w pomiary fizyczne, takie jak temperatura, odkształcenie lub wibracje.

Ponieważ punkt detekcji jest wykonany ze szkła i nie przepływa przez niego prądu elektrycznego, detekcja światłowodowa jest odporna na zakłócenia elektromagnetyczne i można ją bezpiecznie stosować w środowiskach wybuchowych lub agresywnych chemicznie. - Cechy te mają znaczenie w rurociągach, systemach zasilania, tunelach i mostach, w których występują problemy z czujnikami elektrycznymi. Ten sam włókno może służyć zarówno jako czujnik, jak i ścieżka sygnału, dzięki czemu sprzęt obiektowy jest prosty. Włókno jest zazwyczaj standardemświatłowód jednomodowy-dla systemów naprężeniowych, akustycznych i Brillouina, podczas gdy systemy Ramana-tylko temperaturowe często działają na światłowodzie wielomodowym.

Jak działa technologia wykrywania światłowodów?

Każdy system czujników światłowodowych działa według tego samego łańcucha: wysyła światło, pozwala środowisku je zmodyfikować, odczytuje światło, które powraca i przekłada zmianę na pomiar. Oto, co dzieje się na każdym etapie.

1. Światło przechodzi przez włókno

Źródło laserowe lub szerokopasmowe wysyła światło -, zwykle serię krótkich impulsów, - do rdzenia światłowodu, gdzie całkowite wewnętrzne odbicie utrzymuje je wzdłuż długości kabla. W systemie sensorycznym to światło jest sondą: wszystko, co na nie wpływa po drodze, staje się informacją.

2. Środowisko zmienia światło

Gdy temperatura, odkształcenie, ciśnienie lub wibracje działają na odcinek włókna, nieznacznie zmieniają one długość szkła, jego współczynnik załamania światła lub rozstaw struktur wewnętrznych. Te małe zmiany fizyczne zmieniają jedną lub więcej właściwości światła: jego długość fali, intensywność, fazę, polaryzację lub widmo części, która rozprasza się do tyłu. Wielkość przesunięcia jest proporcjonalna do siły efektu zewnętrznego, co umożliwia kalibrowany pomiar.

3. Światło odbija się lub rozprasza

Część światła wraca w stronę źródła. W niektórych czujnikach jest to odzwierciedlone w celowej strukturze zapisanej we włóknie, takiej jak siatka Bragga. W systemach rozproszonych samo szkło rozprasza słaby strumień światła wzdłuż całego światłowodu, bez żadnych dodatkowych składników. Tak czy inaczej, powracające światło niesie ze sobą odcisk palca tego, co zadziałało na włókno.

4. Przesłuchujący odczytuje i lokalizuje sygnał

Przyrząd zwany interrogatorem (lub demodulatorem) mierzy powracające światło. W przypadku systemów rozproszonych oznacza to także czas potrzebny na powrót światła. - To samo zjawisko, co w przypadku optycznego reflektometru-w dziedzinie czasu (OTDR). Ponieważ znana jest prędkość światła we włóknie, czas-przejścia w obie strony wskazuje lokalizację każdej zmiany w kablu. Następnie interrogator przekształca zmianę optyczną w skalibrowany odczyt temperatury, odkształcenia lub wibracji z przypisaną pozycją.

Światło dociera do wnętrza, środowisko pozostawia na nim swój ślad, światło powraca, a osoba przesłuchująca zamienia zmianę - i miejsce jej wystąpienia - w pomiar.

Główne typy technologii wykrywania światłowodów

Czujniki światłowodowe dzieli się zwykle na trzy rodziny w zależności od tego, ile punktów wzdłuż światłowodu można zmierzyć i w jaki sposób odbywa się wykrywanie.

Punktowe wykrywanie światłowodowe

Czujnik punktowy mierzy jedno miejsce. Dedykowany element czujnikowy reaguje na jeden parametr - temperatura, ciśnienie lub przyspieszenie, na przykład -, a konstrukcja jest prosta i stosunkowo tania.

Najczęstszym przykładem jestsiatka Bragga z włókien (FBG). Siatka to okresowa zmiana współczynnika załamania światła rdzenia światłowodu, powstająca w wyniku wystawienia rdzenia na intensywny wzór interferencji ultrafioletowej. Siatka odbija jedną określoną długość fali - długość fali Bragga - i przepuszcza resztę. Kiedy odkształcenie rozciąga siatkę lub rozszerza ją pod wpływem ciepła, odstępy zmieniają się i zmienia się odbita długość fali; przesłuchujący odczytuje to przesunięcie i konwertuje je na wartość. W pobliżu długości fali 1550 nm odbita długość fali typowego FBG porusza się rzędu jednego pikometra na mikroodkształcenie rozciągnięcia i kilku pikometrów na stopień Celsjusza ogrzewania. Programy badawcze i lotnicze szczegółowo scharakteryzowały tę podwójną wrażliwość, m.inOceny NASA wbudowanych czujników naprężenia FBGw podwyższonych temperaturach. Inne czujniki punktowe obejmują żyroskopy laserowe iświatłowodowe-czujniki pola magnetycznegodo pomiarów specjalistycznych.

Quasi-rozproszone wykrywanie światłowodowe

System quasi-rozproszony łączy kilka czujników punktowych szeregowo wzdłuż jednego włókna -, na przykład ciąg FBG, z których każdy odbija nieco inną długość fali, aby osoba przesłuchująca mogła je rozróżnić. Jedno włókno może następnie raportować temperaturę, wibracje, ciśnienie lub odkształcenie w wielu odrębnych lokalizacjach jednocześnie. Kompromis-jest wpisany w fizykę: liczba czujników w pojedynczym włóknie jest ograniczona szerokością pasma źródła i oknem długości fali, jakie może zajmować każda siatka, a włókno nie wykrywa niczego w przerwach między elementami. Powiązane metody-siatek światłowodowych, takie jaksystemy wykrywania siatkowego o długim okresie-, postępuj zgodnie z podobnymi zasadami przy różnym zachowaniu widmowym.

Rozproszone wykrywanie światłowodowe

System rozproszony wykorzystuje światłowód jako ciągły czujnik, bez żadnych dyskretnych punktów detekcji. Opiera się na świetle, które naturalnie rozprasza się wewnątrz szkła i odczytuje, jak to rozproszone światło zmienia się na całej długości. Trzymechanizmy-rozpraszania światłastosowane są, każdy dostosowany do innych parametrów:

• Rozpraszanie Rayleighato proces elastyczny, który nie zmienia częstotliwości światła. Jest najsilniejszym z trzech i stanowi podstawę rozproszonego wykrywania akustyki i wibracji (DAS/DVS), w ramach którego szybkie, pojedyncze-pomiary śledzą odkształcenia dynamiczne, takie jak dźwięk i wibracje.
• Rozpraszanie Ramanawytwarza światło, którego intensywność zależy od temperatury, co czyni go podstawą rozproszonego wykrywania temperatury (DTS).
• Rozpraszanie Brillouinazmienia częstotliwość zarówno pod wpływem odkształcenia, jak i temperatury, dlatego stanowi podstawę rozproszonego wykrywania odkształceń i temperatury na duże odległości.

Ponieważ system próbkuje całe światłowód, a nie stałe punkty, pojedynczy kabel może zapewnić tysiące skutecznie ciągłych pozycji pomiarowych na dystansie dziesiątek kilometrów. Dzięki temu zasięgowi szybko rozwinięto wykrywanie rozproszone w przypadku długich, liniowych zasobów, w których problem może pojawić się wszędzie.

Punkt a quasi-Rozproszony a rozproszony czujnik światłowodowy

Trzy rodziny odpowiadają na różne pytania. Wykrywanie punktów zadaje pytanie „co dzieje się w tym jednym miejscu?”; quasi-rozproszony pyta „co dzieje się w tych znanych miejscach?”; rozproszone pyta „co dzieje się w dowolnym miejscu na tej trasie?” Poniższa tabela podsumowuje praktyczne różnice.

Typowe zastosowania czujników światłowodowych

• Monitorowanie rurociągów i wykrywanie wycieków.Światłowód ułożony wzdłuż rurociągu ropy, gazu lub wody może oznaczyć wyciek jako lokalną anomalię temperatury (DTS) i wykryć-zakłócenia przez strony trzecie jako sygnaturę wibracji (DAS) -, co jest dokładniejszym określeniem niż luźne określenie „ropa i gaz” czasami używane w tym przypadku.
• Bezpieczeństwo obwodowe i graniczne.Rozproszone wykrywanie wibracji wykrywa i klasyfikuje kroki, pojazdy, wspinanie się lub kopanie wzdłuż linii ogrodzenia lub zakopanej trasy, co stanowi podstawęwykrywanie włamań-na obwód światłowodu.
• Monitorowanie kabli zasilających i sieci.DTS śledzi temperaturę kabli-wysokiego napięcia, aby zarządzać obciążeniem i wykrywać gorące punkty; dla tła zobacz ten przeglądrozproszone monitorowanie temperatury.
• Wykrywanie pożaru tuneli i budynków.Ciągłe profilowanie temperatury wywołuje alarm dokładnie w tym liczniku, w którym wzrasta ciepło, na długo przed odpowiedzią-jednopunktowego detektora.
• Monitorowanie stanu konstrukcji.FBG i rozproszone czujniki naprężeń mierzą obciążenie, ugięcie i pękanie mostów, zapór, tuneli i dużych konstrukcji kompozytowych przez cały okres ich użytkowania.

• 

Zalety i ograniczenia czujników światłowodowych

Jak każda technologia pomiarowa, czujnik światłowodowy sprawdza się w niektórych sytuacjach, a w innych słabo. Ustawienie obu stron wyraźnie ułatwia wybór.

Gdzie się sprawdza:

• Odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ punktem detekcji jest szkło pasywne, bez elektroniki w terenie.
• Bezpieczny w środowiskach wybuchowych lub korozyjnych, gdzie czujniki elektryczne są ryzykowne.
• Jeden kabel może zastąpić setki dyskretnych czujników i ich okablowania, a także może służyć jako ścieżka danych.
• Systemy rozproszone zapewniają ciągły zasięg lokalizacji, a nie tylko pojedyncze odczyty.

Gdzie ma ograniczenia:

• Moduł przesłuchujący jest kosztowną częścią, dlatego krótkie,-punktowe zadania są często tańsze w przypadku konwencjonalnych czujników.
• „Wysoka dokładność” jest warunkowa. W przypadku systemów rozproszonych rozdzielczość przestrzenna, zasięg wykrywania i częstotliwość próbkowania są ze sobą sprzeczne, a „rozproszone” nie oznacza nieograniczonej precyzji.
• Dokładność pozycjonowania zależy od metody wykrywania, sposobu poprowadzenia kabla i połączenia z konstrukcją, częstotliwości próbkowania, interrogatora i algorytmu analizy.
• Projektowanie, instalacja i interpretacja wymagają specjalistycznej wiedzy.

Jak wybrać odpowiednią metodę wykrywania światłowodowego

Zacznij od pytania, na które faktycznie potrzebujesz odpowiedzi, a następnie dopasuj je do metody:

• Jeden punkt krytyczny, dokładnie zmierzony- czujnik punktowy, taki jak FBG.
• Kilka znanych lokalizacji na konstrukcji- quasi-rozproszona tablica FBG.
• Długa trasa, na której kłopoty mogą pojawić się wszędzie- system rozproszony: DTS dla temperatury i ognia, DAS/DVS dla wibracji i włamań, Brillouin dla naprężeń.

Gdy metoda będzie już jasna, przed zakupem porównaj konkretne parametry: wymagany zasięg wykrywania, rozdzielczość przestrzenną, częstotliwość pomiaru (częstotliwość próbkowania), trasę kabla i sposób jego zamocowania do zasobu oraz zgodność interrogatora ze światłowodem i czujnikami, które planujesz wdrożyć.