دانش

حسگر فیبر نوری یک فیبر نوری معمولی را به یک حسگر طولانی و پیوسته تبدیل می کند. فیبر به جای اینکه فقط داده ها را حمل کند، نوری را حمل می کند که خواص آن با اعمال دما، کرنش، فشار یا لرزش روی کابل تغییر می کند. با خواندن این تغییرات، یک سیستم حسگر می‌تواند آنچه را که - و معمولاً دقیقاً اتفاق می‌افتد گزارش دهدکجا- در فواصل از چند متر تا ده‌ها کیلومتر اتفاق می‌افتد. این راهنما نحوه عملکرد این فناوری را گام به گام، سه نوع اصلی و تفاوت آنها، جایی که هر کدام مناسب است و محدودیت‌هایی که ارزش برنامه‌ریزی را دارند، شرح می‌دهد.

فناوری سنجش فیبر نوری چیست؟

Fiber optic sensing is a measurement method that uses the optical fiber itself as the sensing element. A light source launches light into the fiber; as that light travels, external conditions slightly alter its intensity, wavelength, phase, polarization, or the way it scatters inside the glass. An instrument at the end of the fiber reads those alterations and converts them into physical measurements such as temperature, strain, or vibration.

از آنجایی که نقطه حسگر از شیشه ساخته شده است و جریان الکتریکی ندارد، حسگر فیبر نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون است و برای استقرار در کیفیت‌های انفجاری یا شیمیایی تهاجمی - که در خطوط لوله، سیستم‌های قدرت، تونل‌ها، و پل‌هایی که حسگرهای الکتریکی در آنها مشکل دارند، ایمن است. همان فیبر می تواند هم به عنوان حسگر و هم به عنوان مسیر سیگنال عمل کند که سخت افزار میدان را ساده نگه می دارد. فیبر معمولا یک استاندارد استفیبر نوری تک حالته-برای سیستم‌های کرنش، آکوستیک و بریلوین، در حالی که دما{0} فقط سیستم‌های رامان اغلب روی فیبر چند حالته کار می‌کنند.

فناوری سنجش فیبر نوری چگونه کار می کند؟

هر سیستم حسگر فیبر نوری از یک زنجیره پیروی می کند: نور را بفرستید، اجازه دهید محیط آن را تغییر دهد، نوری را که برمی گردد بخواند و تغییر را به اندازه گیری ترجمه کنید. در اینجا چیزی است که در هر مرحله اتفاق می افتد.

1. نور از فیبر عبور می کند

یک لیزر یا منبع پهن باند نور را - معمولاً یک سری پالس‌های کوتاه - به درون هسته فیبر پرتاب می‌کند، جایی که بازتاب داخلی کل آن را در طول کابل هدایت می‌کند. در یک سیستم حسگر، این نور کاوشگر است: هر چیزی که در مسیر عبور بر آن تأثیر بگذارد، تبدیل به اطلاعات می شود.

2. محیط، نور را تغییر می دهد

هنگامی که دما، کرنش، فشار یا ارتعاش روی بخشی از فیبر اثر می‌گذارد، طول شیشه را -، ضریب شکست یا فاصله ساختارهای داخلی آن را کمی تغییر می‌دهد. آن تغییرات فیزیکی کوچک یک یا چند ویژگی نور را تغییر می دهد: طول موج، شدت، فاز، قطبش یا طیف بخشی که به عقب پراکنده می شود. اندازه تغییر متناسب با قدرت اثر خارجی است، که اندازه گیری کالیبره شده را ممکن می کند.

3. نور به عقب منعکس یا پراکنده می شود

بخشی از نور به سمت منبع باز می گردد. در برخی از حسگرها توسط یک ساختار عمدی نوشته شده در فیبر، مانند توری براگ فیبر، منعکس می شود. در سیستم‌های توزیع‌شده، خود شیشه جریان ضعیفی از نور را در امتداد کل فیبر بدون هیچ جزئی اضافه می‌کند. در هر صورت، نور برگشتی اثر انگشت هر چیزی را که روی فیبر عمل کرده است را حمل می کند.

4. یک بازجو سیگنال را می خواند و مکان یابی می کند

ابزاری به نام بازپرس (یا دمودولاتور) نور برگشتی را اندازه گیری می کند. برای سیستم‌های توزیع‌شده، زمان بازگشت نور را نیز برابر می‌کند - همان ایده یک بازتاب سنج دامنه نوری- (OTDR). از آنجا که سرعت نور در فیبر مشخص است، زمان رفت و برگشت، مکان هر تغییر را در طول کابل مشخص می کند. سپس بازپرس تغییر نوری را با یک موقعیت متصل به اندازه گیری درجه حرارت، کرنش یا ارتعاش تبدیل می کند.

نور وارد می‌شود، محیط اثر خود را روی آن نور می‌گذارد، نور برمی‌گردد، و یک بازپرس تغییر - و محل وقوع آن - را به اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.

انواع اصلی فناوری های سنجش فیبر نوری

حسگر فیبر نوری معمولاً بر اساس اینکه چند نقطه در امتداد فیبر قابل اندازه گیری است و حس کردن چگونه اتفاق می افتد به سه خانواده تقسیم می شود.

سنجش فیبر نوری نقطه ای

یک سنسور نقطه ای یک مکان واحد را اندازه گیری می کند. یک عنصر حسگر اختصاصی به یک پارامتر - دما، فشار یا شتاب پاسخ می دهد، به عنوان مثال - و طراحی ساده و نسبتا کم هزینه است.

رایج ترین مثال آن استرنده فیبر براگ (FBG). گریتینگ یک تغییر دوره ای در ضریب شکست هسته فیبر است که با قرار دادن هسته در معرض یک الگوی تداخل شدید فرابنفش ایجاد می شود. گریتینگ یک طول موج مشخص - طول موج براگ - را منعکس می‌کند و به بقیه اجازه عبور می‌دهد. هنگامی که کرنش توری را کشیده یا گرما آن را منبسط می کند، فاصله تغییر می کند و طول موج منعکس شده جابجا می شود. بازپرس آن شیفت را می خواند و آن را به مقدار تبدیل می کند. نزدیک به طول موج 1550 نانومتر، طول موج منعکس شده یک FBG معمولی به ترتیب یک پیکومتر در هر میکروکرنش کشش و چندین پیکسل در هر درجه سانتیگراد گرمایش حرکت می کند. تحقیقات و برنامه‌های هوافضا این حساسیت دوگانه را با جزئیات مشخص کرده‌اند، از جملهارزیابی های ناسا از سنسورهای کرنش FBG تعبیه شدهدر دماهای بالا از دیگر حسگرهای نقطه ای می توان به ژیروسکوپ های لیزری وفیبر{0}}حسگرهای میدان مغناطیسی نوریبرای اندازه گیری های تخصصی

شبه-حسگر فیبر نوری توزیع شده

یک سیستم شبه-توزیع شده چندین حسگر نقطه را به صورت سری در امتداد یک فیبر - متصل می‌کند، به عنوان مثال، رشته‌ای از FBG، که هرکدام طول موج کمی متفاوتی را منعکس می‌کنند تا بازپرس بتواند آنها را از هم جدا کند. سپس یک فیبر می تواند دما، ارتعاش، فشار یا کرنش را در بسیاری از مکان های مجزا به طور همزمان گزارش کند. مبادله-در فیزیک گنجانده شده است: تعداد حسگرها در یک فیبر منفرد توسط پهنای باند منبع و پنجره طول موجی که هر گریت می‌تواند اشغال کند محدود می‌شود، و فیبر هیچ چیزی را در شکاف‌های بین عناصر حس نمی‌کند. رویکردهای رنده کردن الیاف مرتبط-، مانندسیستم‌های حسگر گریتینگ طولانی-، از اصول مشابه با رفتار طیفی متفاوت پیروی کنید.

سنجش فیبر نوری توزیع شده

یک سیستم توزیع شده از فیبر خالی به عنوان یک حسگر پیوسته استفاده می کند، بدون هیچ نقطه حسگر مجزایی. متکی به نوری است که به طور طبیعی در داخل شیشه پراکنده می شود و نحوه تغییر آن نور پراکنده در کل طول را می خواند. سهمکانیسم‌های{0}}پراکندگی نوراستفاده می شود که هر کدام برای پارامترهای مختلف مناسب هستند:

• پراکندگی رایلییک فرآیند الاستیک است که فرکانس نور را تغییر نمی دهد. این قوی‌ترین مورد از سه مورد و اساس سنجش صوتی و ارتعاشی توزیع شده (DAS/DVS) است، که در آن اندازه‌گیری‌های سریع و تک شات، کرنش دینامیکی مانند صدا و ارتعاش را دنبال می‌کنند.
• رامان پراکنده شدننوری تولید می کند که شدت آن وابسته به دما است، که آن را اساس سنجش دمای توزیع شده (DTS) می کند.
• پراکندگی بریلویندر فرکانس با کرنش و دما تغییر می کند، بنابراین زیربنای کرنش توزیع شده و سنجش دما در فواصل طولانی است.

از آنجایی که سیستم به جای نقاط ثابت، از کل فیبر نمونه برداری می کند، یک کابل واحد می تواند هزاران موقعیت اندازه گیری به طور موثر مداوم را در طول ده ها کیلومتر ارائه دهد. این پوشش دلیلی است که سنجش توزیع شده برای دارایی های خطی طولانی و در جایی که مشکل می تواند در هر جایی ظاهر شود به سرعت رشد کرده است.

نقطه در مقابل شبه-حسگر فیبر نوری توزیع شده در مقابل توزیع شده

سه خانواده به سوالات متفاوتی پاسخ می دهند. سنجش نقطه ای می پرسد "در این یک نقطه چه اتفاقی می افتد؟" شبه-توزیع شده می پرسد "در این نقاط شناخته شده چه اتفاقی می افتد؟"; توزیع شده می پرسد "در این مسیر چه اتفاقی می افتد؟" جدول زیر تفاوت های عملی را خلاصه می کند.

کاربردهای رایج سنجش فیبر نوری

• پایش خط لوله و تشخیص نشت.فیبری که در امتداد خط لوله نفت، گاز یا آب گذاشته می‌شود می‌تواند نشتی را به‌عنوان ناهنجاری دمای محلی (DTS) علامت‌گذاری کند و حفاری یا تداخل شخص ثالث را به‌عنوان امضای ارتعاشی (DAS) - تشخیص دهد، چارچوب دقیق‌تری نسبت به عبارت شل «نفت و گاز» که گاهی اوقات برای این مورد استفاده می‌شود.
• امنیت محیطی و مرزیحسگر ارتعاش توزیع شده ردپاها، وسایل نقلیه، بالا رفتن، یا حفاری در امتداد خط حصار یا مسیر مدفون را شناسایی و طبقه بندی می کند که اساس آن است.تشخیص نفوذ محیطی فیبر نوری-.
• کابل برق و نظارت بر شبکهDTS دمای کابل‌های ولتاژ بالا-را برای مدیریت بار و نقاط داغ ردیابی می‌کند. برای پس زمینه این نمای کلی را ببینیدنظارت بر دمای توزیع شده.
• تشخیص حریق تونل و ساختماننمایه‌سازی مداوم دما در متری که گرما افزایش می‌یابد، بسیار قبل از اینکه یک آشکارساز نقطه‌ای پاسخ دهد، زنگ هشداری را به صدا در می‌آورد.
• پایش سلامت سازهFBG ها و سنجش کرنش توزیع شده بار، انحراف و ترک خوردگی را در پل ها، سدها، تونل ها و سازه های کامپوزیتی بزرگ در طول عمر مفید اندازه گیری می کنند.

• 

مزایا و محدودیت های سنجش فیبر نوری

مانند هر فناوری اندازه گیری، حسگر فیبر نوری در برخی موقعیت ها مناسب است و در برخی شرایط ضعیف است. قرار دادن هر دو طرف به وضوح انتخاب را آسان تر می کند.

جایی که برتری دارد:

• در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون است، زیرا نقطه حسگر شیشه ای غیرفعال است که هیچ الکترونیکی در میدان وجود ندارد.
• ایمن در محیط های انفجاری یا خورنده که سنسورهای الکتریکی خطرناک هستند.
• یک کابل می تواند جایگزین صدها حسگر مجزا و سیم کشی آنها شود و به عنوان مسیر داده دو برابر می شود.
• سیستم های توزیع شده پوشش مستمری را با مکان ارائه می دهند، نه فقط خوانش های مجزا.

جایی که محدودیت دارد:

• بازپرس بخش گران قیمت است، بنابراین کارهای تک نقطه ای کوتاه اغلب با حسگرهای معمولی ارزان تر هستند.
• "دقت بالا" مشروط است. برای سیستم‌های توزیع‌شده، وضوح فضایی، محدوده سنجش و نرخ نمونه‌برداری با یکدیگر عوض می‌شوند و «توزیع‌شده» به معنای دقت نامحدود نیست.
• دقت موقعیت یابی به روش سنجش، نحوه مسیریابی و جفت شدن کابل به سازه، نرخ نمونه برداری، بازپرس و الگوریتم تحلیل بستگی دارد.
• طراحی، نصب و تفسیر نیاز به تخصص متخصص دارد.

نحوه انتخاب روش مناسب سنجش فیبر نوری

از سوالی که واقعاً نیاز به پاسخ دارید شروع کنید، سپس آن را با یک روش مطابقت دهید:

• یک نقطه بحرانی که دقیقاً اندازه گیری شده است- یک حسگر نقطه مانند FBG.
• تعداد انگشت شماری از مکان های شناخته شده در یک سازه- یک آرایه شبه-FBG توزیع شده.
• یک مسیر طولانی که در آن مشکل می تواند در هر جایی ظاهر شود- یک سیستم توزیع شده: DTS برای دما و آتش، DAS/DVS برای لرزش و نفوذ، Brillouin برای کرنش.

هنگامی که روش مشخص شد، قبل از خرید، پارامترهای خاصی را با هم مقایسه کنید: محدوده حسگر مورد نیاز، وضوح فضایی، فرکانس اندازه‌گیری (نرخ نمونه‌برداری)، مسیر کابل و نحوه تثبیت آن به دارایی، و سازگاری بازپرس با فیبر و حسگرهایی که قصد دارید بکار ببرید.