Bilgi

Fiber optik algılama, sıradan bir optik fiberi uzun, sürekli bir sensöre dönüştürür. Fiber, yalnızca veri taşımak yerine, sıcaklık, gerilim, basınç veya titreşim kabloya etki ettiğinde özellikleri değişen ışığı da taşır. Bir algılama sistemi, bu değişiklikleri okuyarak neler olduğunu - ve genellikle tam olarak rapor edebilirNeresibirkaç metreden onlarca kilometreye kadar mesafelerde - gerçekleşiyor. Bu kılavuz, teknolojinin adım adım nasıl çalıştığını, üç ana türü ve bunların nasıl farklılaştığını, her birinin nereye uyduğunu ve planlamaya değer sınırları açıklamaktadır.

Fiber Optik Algılama Teknolojisi Nedir?

Fiber optik algılama, algılama elemanı olarak optik fiberin kendisini kullanan bir ölçüm yöntemidir. Bir ışık kaynağı, ışığı fibere gönderir; Işık ilerledikçe dış koşullar onun yoğunluğunu, dalga boyunu, fazını, polarizasyonunu veya camın içinde dağılma şeklini biraz değiştirir. Fiberin ucundaki bir alet bu değişiklikleri okur ve bunları sıcaklık, gerinim veya titreşim gibi fiziksel ölçümlere dönüştürür.

Algılama noktası camdan yapıldığından ve elektrik akımı taşımadığından, fiber optik algılama elektromanyetik girişime karşı bağışıklıdır ve elektrik sensörlerinin sorun yaşadığı boru hatları, güç sistemleri, tüneller ve köprüler üzerinde önemli olan patlayıcı veya kimyasal açıdan agresif ortamlarda - kullanıma güvenlidir. Aynı fiber hem sensör hem de sinyal yolu olarak görev yapabilir, bu da saha donanımını basitleştirir. Fiber tipik olarak bir standarttırtek-modlu optik fibergerilim, akustik ve Brillouin sistemleri için kullanılırken yalnızca{0}}sıcaklık Raman sistemleri genellikle çok modlu fiber üzerinde çalışır.

Fiber Optik Algılama Teknolojisi Nasıl Çalışır?

Her fiber optik algılama sistemi aynı zinciri takip eder: ışığı içeri gönderin, ortamın onu değiştirmesine izin verin, geri dönen ışığı okuyun ve değişikliği bir ölçüme çevirin. İşte her aşamada neler oluyor.

1. Işık Fiberin İçinden Geçer

Bir lazer veya geniş bant kaynağı, fiber çekirdeğe ışık - genellikle bir dizi kısa darbe - gönderir; burada toplam iç yansıma, onu kablonun uzunluğu boyunca yönlendirilir. Bir algılama sisteminde bu ışık sondadır: yolda onu etkileyen her şey bilgi haline gelir.

2. Çevre Işığı Değiştirir

Sıcaklık, gerinim, basınç veya titreşim bir fiber bölümüne etki ettiğinde, camın uzunluğunu -, kırılma indisini veya iç yapıların aralığını hafifçe değiştirir. Bu küçük fiziksel değişiklikler ışığın bir veya daha fazla özelliğini değiştirir: dalga boyu, yoğunluğu, fazı, polarizasyonu veya geriye doğru saçılan kısmın spektrumu. Kaymanın boyutu, kalibre edilmiş ölçümü mümkün kılan dış etkinin gücüyle orantılıdır.

3. Işık Geri Yansır veya Saçılır

Işığın bir kısmı kaynağa doğru geri döner. Bazı sensörlerde, fiber Bragg ızgarası gibi fiberin içine yazılan kasıtlı bir yapı tarafından yansıtılır. Dağıtılmış sistemlerde camın kendisi, herhangi bir ek bileşen olmadan, tüm fiber boyunca hafif bir ışık akışını geri dağıtır. Her iki durumda da geri dönen ışık, fibere etki eden şeyin parmak izini taşır.

4. Sorgulayıcı Sinyali Okur ve Bulur

Sorgulayıcı (veya demodülatör) adı verilen bir alet, geri dönen ışığı ölçer. Dağıtılmış sistemler için aynı zamanda ışığın geri gelmesinin ne kadar sürdüğünü de ölçer -, optik zaman-alan reflektometresi (OTDR) ile aynı fikirdir. Işığın fiberdeki hızı bilindiğinden, gidiş-dönüş-zamanı kablo boyunca her değişikliğin yerini belirler. Sorgulayıcı daha sonra optik değişimi, bir konum eklenmiş olarak sıcaklık, gerinim veya titreşimin kalibre edilmiş bir okumasına dönüştürür.

Işık içeri girer, çevre o ışığa damgasını vurur, ışık geri gelir ve sorgulayıcı - ve meydana geldiği yerdeki - değişimi bir ölçüme dönüştürür.

Fiber Optik Algılama Teknolojilerinin Ana Türleri

Fiber optik algılama, fiber boyunca kaç noktanın ölçülebildiğine ve algılamanın nasıl gerçekleştiğine bağlı olarak genellikle üç aileye ayrılır.

Noktasal Fiber Optik Algılama

Bir nokta sensörü tek bir konumu ölçer. Özel bir algılama elemanı bir parametreye (- sıcaklık, basınç veya ivmeye (örneğin -) yanıt verir ve tasarım basit ve nispeten düşük maliyetlidir.

En yaygın örnek,Fiber Bragg ızgarası (FBG). Izgara, fiber çekirdeğinin kırılma indisinde, çekirdeğin yoğun bir ultraviyole girişim desenine maruz bırakılmasıyla oluşturulan periyodik bir değişikliktir. Izgara belirli bir dalga boyunu - Bragg dalga boyunu - yansıtır ve geri kalanın geçmesine izin verir. Gerinim ızgarayı uzattığında veya ısı onu genişlettiğinde aralık değişir ve yansıyan dalga boyu kayar; sorgulayıcı bu kaymayı okur ve onu bir değere dönüştürür. 1550 nm dalga boyuna yakın, tipik bir FBG'nin yansıyan dalga boyu, mikrogerilme mikro gerilimi başına bir pikometre ve ısıtma derecesi başına birkaç pikometre mertebesinde hareket eder. Araştırma ve havacılık programları bu ikili hassasiyeti ayrıntılı olarak karakterize etmiştir.Gömülü FBG gerinim sensörlerinin NASA değerlendirmeleriyüksek sıcaklıklarda. Diğer nokta sensörleri arasında lazer jiroskopları vefiber-optik manyetik alan sensörleriözel ölçümler için.

Yarı-Dağıtılmış Fiber Optik Algılama

Yarı-dağıtılmış bir sistem, bir fiber - boyunca seri halinde birkaç nokta sensörünü bağlar; örneğin bir dizi FBG, her biri biraz farklı bir dalga boyunu yansıtır, böylece sorgulayıcı bunları birbirinden ayırabilir. Bir fiber daha sonra birçok ayrı konumdaki sıcaklığı, titreşimi, basıncı veya gerilimi aynı anda rapor edebilir. Bu değiş-tokuş fiziğin içine yerleştirilmiştir: Tek bir fiber üzerindeki sensörlerin sayısı, kaynak bant genişliği ve her bir ızgaranın kaplayabileceği dalga boyu penceresi ile sınırlıdır ve fiber, öğeler arasındaki boşluklarda hiçbir şey algılamaz. İlgili fiber-ızgara yaklaşımları, örneğinuzun-dönemli ızgara algılama sistemleri, farklı spektral davranışlarla benzer ilkeleri takip edin.

Dağıtılmış Fiber Optik Algılama

Dağıtılmış bir sistem, hiçbir ayrı algılama noktası olmaksızın, çıplak fiberi sürekli bir sensör olarak kullanır. Camın içinde doğal olarak dağılan ışığa dayanır ve dağılan ışığın tüm uzunluk boyunca nasıl değiştiğini okur. Üçışık-saçılım mekanizmalarıher biri farklı parametrelere uygun olarak kullanılır:

• Rayleigh saçılmasıışığın frekansını değiştirmeyen elastik bir süreçtir. Üçünün en güçlüsüdür ve hızlı, tek-atışlı ölçümlerin ses ve titreşim gibi dinamik gerilimi takip ettiği dağıtılmış akustik ve titreşim algılamanın (DAS/DVS) temelidir.
• Raman saçılmasıyoğunluğu sıcaklığa bağlı olan ışık üretir, bu da onu dağıtılmış sıcaklık algılamanın (DTS) temeli yapar.
• Brillouin saçılmasıFrekans hem gerilim hem de sıcaklıkla birlikte değişir, böylece uzun mesafelerde dağıtılmış gerilim ve sıcaklık algılamasını destekler.

Sistem sabit noktalar yerine tüm fiberi örneklediğinden, tek bir kablo onlarca kilometre boyunca binlerce etkili ve sürekli ölçüm konumu sağlayabilir. Bu kapsam, bir sorunun her yerde ortaya çıkabileceği uzun, doğrusal varlıklar için dağıtılmış algılamanın hızla büyümesinin nedenidir.

Nokta ve Yarı-Dağıtılmış ve Dağıtılmış Fiber Optik Algılama

Üç aile farklı sorulara yanıt veriyor. Nokta algılama "bu tek noktada neler oluyor?" diye sorar; yarı-dağıtılmış "bu bilinen noktalarda neler oluyor?" diye sorar; dağıtılmış "Bu rotanın herhangi bir yerinde neler oluyor?" diye sorar. Aşağıdaki tablo pratik farklılıkları özetlemektedir.

Fiber Optik Algılamanın Yaygın Uygulamaları

• Boru hattı izleme ve sızıntı tespiti.Petrol, gaz veya su boru hattı boyunca döşenen bir fiber, bir sızıntıyı yerel sıcaklık anormalliği (DTS) olarak işaretleyebilir ve kazma veya üçüncü-taraf müdahalesini bir titreşim imzası (DAS) olarak algılayabilir - bu kullanım durumu için bazen kullanılan gevşek "petrol ve gaz" ifadesinden daha doğru bir çerçevedir.
• Çevre ve sınır güvenliği.Dağıtılmış titreşim algılama, bir çit hattı veya gömülü yol boyunca ayak seslerini, araçları, tırmanmayı veya kazmayı algılar ve sınıflandırır;fiber-optik çevre izinsiz giriş tespiti.
• Güç kablosu ve şebeke izleme.DTS, yükü yönetmek ve sıcak noktaları tespit etmek için{0}yüksek gerilim kablolarının sıcaklığını izler; arka plan için bu genel bakışa bakındağıtılmış sıcaklık izleme.
• Tünel ve bina yangın algılama.Sürekli sıcaklık profili oluşturma, tek nokta dedektörünün yanıt vermesinden çok önce, ısının yükseldiği tam ölçüm noktasında bir alarm verir.{0}}
• Yapısal sağlığın izlenmesi.FBG'ler ve dağıtılmış gerinim algılama, hizmet ömürleri boyunca köprülerde, barajlarda, tünellerde ve büyük kompozit yapılarda yükü, sapmayı ve çatlamayı ölçer.

• 

Fiber Optik Algılamanın Avantajları ve Sınırlamaları

Herhangi bir ölçüm teknolojisi gibi, fiber optik algılama da bazı durumlarda güçlü bir uyum sağlarken diğerlerinde zayıf bir uyum sağlar. Her iki tarafı da açıkça dışarıda bırakmak seçimi kolaylaştırır.

Üstün olduğu yerler:

• Algılama noktası sahada elektronik bulunmayan pasif cam olduğundan elektromanyetik girişime karşı dayanıklıdır.
• Elektrikli sensörlerin riskli olduğu patlayıcı veya aşındırıcı ortamlarda güvenlidir.
• Tek bir kablo yüzlerce ayrı sensörün ve bunların kablolarının yerini alabilir ve veri yolu olarak da kullanılabilir.
• Dağıtılmış sistemler, yalnızca izole okumalar değil, konumla birlikte sürekli kapsama alanı sağlar.

Sınırlarının olduğu yerler:

• Sorgulayıcı pahalı kısım olduğundan, kısa tek{0}}noktalı işler genellikle geleneksel sensörlerle daha ucuzdur.
• "Yüksek doğruluk" şartlıdır. Dağıtılmış sistemler için, uzaysal çözünürlük, algılama aralığı ve örnekleme hızı birbiriyle değiş tokuş edilir ve "dağıtılmış", sınırsız hassasiyet anlamına gelmez.
• Konumlandırma doğruluğu, algılama yöntemine, kablonun nasıl yönlendirildiğine ve yapıya nasıl bağlandığına, örnekleme hızına, sorgulayıcıya ve analiz algoritmasına bağlıdır.
• Tasarım, kurulum ve yorumlama uzman uzmanlığı gerektirir.

Doğru Fiber Optik Algılama Yöntemi Nasıl Seçilir

Aslında yanıtlanması gereken soruyla başlayın ve ardından onu bir yöntemle eşleştirin:

• Kesin olarak ölçülen bir kritik nokta- FBG gibi bir nokta sensörü.
• Bir yapı üzerinde bilinen bir avuç yer- yarı-dağıtılmış bir FBG dizisi.
• Sorunun her yerde ortaya çıkabileceği uzun bir rota- dağıtılmış bir sistem: Sıcaklık ve yangın için DTS, titreşim ve izinsiz giriş için DAS/DVS, gerilim için Brillouin.

Yöntem netleştikten sonra, satın almadan önce belirli parametreleri karşılaştırın: gerekli algılama aralığı, uzamsal çözünürlük, ölçüm frekansı (örnekleme hızı), kablo yolu ve bunun varlığa nasıl sabitleneceği ve konuşlandırmayı planladığınız fiber ve sensörlerle sorgulayıcının uyumluluğu.